Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Тут в дело вступает интересная часть физики, с которой вы знакомы в несколько ином контексте. Поскольку газ очень горячий, он ионизирован и состоит из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Но из-за того что у нейтронных звезд очень сильные магнитные поля, эти заряженные частицы вынуждены держаться линии магнитного поля звезды, в результате чего большая часть этой плазмы попадает на магнитные полюса нейтронной звезды (как в полярном сиянии на Земле). Эти магнитные полюса (где материя буквально обрушивается на нейтронную звезду) становятся горячими точками с температурой в миллионы градусов Кельвина, излучающими рентгеновские лучи. А учитывая, что магнитные полюса, как правило, не совпадают с полюсами оси вращения (см. главу 12), мы на Земле получим высокоэнергетический поток рентгеновского излучения, только когда это горячее пятно повернуто в нашу сторону. И так как нейтронная звезда вращается, нам она кажется пульсирующей.

Каждая двойная рентгеновская система имеет аккреционный диск, вращающийся по орбите вокруг аккретора, будь то нейтронная звезда, белый карлик или, как в случае с Cyg Х-1, черная дыра. Аккреционные диски – одни из самых необычных объектов во Вселенной, и почти никто, кроме профессиональных астрономов, о них никогда не слышал.

Аккреционные диски есть вокруг всех черных дыр рентгеновских двойных звезд. Аккреционные диски, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр, есть в центре многих галактик, хотя, как выясняется, такого диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, судя по всему, нет.

Исследование аккреционных дисков сегодня стало отдельной областью астрофизики. Вы можете увидеть их удивительные образы, введя в поисковую строку фразу «Xray binaries». Существует множество аккреционных дисков, о которых мы не знаем. Одна из самых сложных проблем науки заключается в том, что она до сих пор до конца не понимает, как материя в них находит свой путь к компактным объектам. Другой пока еще нерешенной проблемой является отсутствие понимания природы нестабильности в аккреционных дисках, приводящей к изменчивости в потоке этой материи на компактный объект и изменчивости рентгеновской светимости. Знание радиопотоков, присутствующих в некоторых рентгеновских двойных, также пока оставляет желать лучшего.

Звезда-донор может передавать аккрецирующей нейтронной звезде до примерно 1018 граммов материи в секунду. Это кажется довольно большой величиной, но даже при такой огромной скорости для передачи количества материи, равного массе Земли, потребовалось бы 200 лет. Материя с диска течет по направлению к аккретору под воздействием его мощного гравитационного поля, разгоняющего газ до чрезвычайно высокой скорости – от трети до половины скорости света. Гравитационная потенциальная энергия, освобождаемая этой материей, преобразуется в кинетическую энергию (примерно 5 × 1030 Вт) и нагревает стремительно летящий водород до температуры в миллионы градусов.

Вы уже знаете, что, нагреваясь, материя испускает излучение черного тела (см. главу 14). Чем выше температура, тем высокоэнергетичнее это излучение, из-за чего его волны становятся короче, а частота повышается. Когда материя достигает температуры 10–100 миллионов кельвинов, генерируемое ею излучение представлено в основном рентгеновскими лучами. Почти все 5 × 1030 Вт испускаются в виде рентгеновского излучения; сравните это с полной светимостью Солнца (4 × 1026 Вт), которое генерирует в виде рентгеновских лучей всего около 1020 Вт. Да поверхность нашего Солнца по сравнению с этой материей просто ледяная!

Сами нейтронные звезды слишком малы, чтобы быть увиденными оптическими методами, но с помощью оптического телескопа мы можем наблюдать гораздо большие звезды-доноры и аккреционные диски. Диски сами могут излучать немного света – отчасти вследствие процесса, который называется нагреванием рентгеновским излучением. Когда материя с диска обрушивается на поверхность нейтронной звезды, получившиеся в результате рентгеновские лучи расходятся во всех направлениях и, следовательно, проходят через сам диск, нагревая его до еще более высоких температур. Я расскажу об этом подробнее в следующей главе, посвященной рентгеновским вспышкам.

Открытие рентгеновских двойных стало разгадкой первой загадки рентгеновского излучения вне Солнечной системы. Теперь мы понимаем, почему рентгеновская светимость источника, например Sco X-1, в 10 тысяч раз больше его оптической светимости. Рентгеновские лучи испускаются очень горячей нейтронной звездой (ее температура составляет несколько десятков миллионов кельвинов), а видимый свет – намного более холодной звездой-донором и аккреционным диском.

И вот, когда мы решили, что наконец-то полностью поняли, как работают рентгеновские двойные звезды, природа преподнесла нам очередной сюрприз. Рентгеновские астрономы начали делать открытия, явно опережавшие теоретические модели.

В 1975 году открытие действительно странного явления привело меня к наивысшей точке научной карьеры. Я полностью погрузился в наблюдения, изучение и попытки объяснить это замечательное и загадочное явление – рентгеновские вспышки.

История рентгеновских вспышек, между прочим, включает мою борьбу с русскими учеными, которые неверно толковали собственные данные, а также с некоторыми из моих коллег из Гарварда, полагавшими, что рентгеновские вспышки – результат деятельности очень массивных черных дыр (бедные черные дыры, их несправедливо обвиняли в очень многих бедах!). Хотите верьте, хотите нет, мне даже приказывали (и не раз) не публиковать кое-какие данные о вспышках из соображений национальной безопасности.

14. Знакомьтесь: рентгеновские барстеры!

Природа всегда полна сюрпризов, и в 1975 году она мощно потрясла все рентгеновское сообщество. Происходили такие удивительные события, что эмоции порой выходили из-под контроля, и я находился в самом центре происходящего. На протяжении многих лет я спорил с одним коллегой из Гарварда (который меня не слушал), но большего успеха добился в убеждении советских коллег (они меня слушали). Признаться, из-за ведущей роли во всей этой истории мне зачастую крайне трудно быть объективным, но я постараюсь!

Очередным сюрпризом природы стали вспышки рентгеновского излучения. Их, независимо друг от друга, открыли в 1975 году Гриндлей и Хейзе, использовавшие данные, полученные с помощью телескопа Космической обсерватории Нидерландов (ANS – Astronomical Netherlands Satellite), и Белиан, Коннер и Эванс, опиравшиеся на данные, собранные двумя американскими спутниками-шпионами Vela-5, предназначенными для слежения за испытаниями ядерного оружия. Вспышки рентгеновского излучения не имели ничего общего с изменчивостью, обнаруженной нами у Sco X-1; этот источник, если помните, произвел четырехкратную вспышку с десятиминутной периодичностью, которая длилась несколько десятков минут. Рентгеновские же вспышки были намного быстрее и ярче и продолжались всего несколько десятков секунд.

В МТИ был собственный спутник (запущенный в мае 1975 года) под названием «Третий малый астрономический спутник», или SAS-3 (Third Small Astronomy Satellite). Звучит, конечно, не так романтично, как «Ухуру», но работал он так, что я в жизни ничего подобного не видел. Мы уже слышали о барстерах (источниках рентгеновских вспышек) и в январе 1976 года начали их искать, а к марту нашли целых пять. К концу года в общей сложности мы обнаружили десять. Благодаря огромной чувствительности SAS-3 и его точным настройкам он оказался идеальным инструментом для поиска и изучения источников вспышек. Конечно, он разрабатывался не непосредственно для обнаружения вспышек рентгеновского излучения, так что в некотором смысле не обошлось и без определенной доли везения. Видите, какую огромную роль играет в моей жизни госпожа Удача! Мы получали потрясающие данные – по грамму золотого дождя проливалось на нас каждый день, двадцать четыре часа в сутки, – и я работал круглосуточно. Я был не просто целеустремлен, я был одержим. Это величайшая в жизни удача – иметь рентгеновскую обсерваторию, которую вы можете нацелить в любом желаемом направлении и получать данные действительно высокого качества.

Все мы тогда подхватили «вспышечную лихорадку» – студенты и аспиранты, вспомогательный персонал, постдоки и преподаватели, – и я до сих пор помню то потрясающее чувство, которое мы испытывали. В итоге мы разделились на разные наблюдательные группы, а это означало, что мы конкурировали даже друг с другом. Некоторым это не нравилось, но, должен признать, это побуждало нас работать больше и лучше, и во многом именно поэтому научные результаты нашей работы оказались просто фантастическими.