Сергей Гребенев, Роман Кривонос, Александр Лутовинов,
Михаил Ревнивцев, Рашид Сюняев и Евгений Чуразов.«В мире науки» №8, 2006

начало, часть 1 из 4
см. часть 2 часть 3 часть 4

Галактика в рентгеновском и гамма-диапазонах

Тысячелетия человеческой истории были и тысячелетиями развития оптической астрономии. И только в последние 50 лет мы смогли увидеть Вселенную в широчайшем диапазоне длин волн — от радио-, инфракрасного и ультрафиолетового до рентгеновского и гамма-диапазонов. Длина волны радиоизлучения может составлять несколько метров, тогда как для самого коротковолнового излучения, исследуемого современными телескопами, она не превышает 10^-17 см. Характерная энергия фотонов при этом меняется почти на 20 порядков величины. И в каждом из этих диапазонов энергий картина Вселенной оказывается столь же насыщенной и интересной, как и в оптическом.

Рис.1 Карта всего неба в диапазоне энергий 20-50 кэВ, полученная обсерваторией "Интеграл"

На рис.1: Яркие точки — самые мощные источники рентгеновского излучения в Галактике. Карта построена в галактических координатах так, что центр Галактики соответствует середине карты. Чёрные пятна неправильной формы — области неба, ещё не наблюдавшиеся обсерваторией. Совокупность ярких источников, образующих полосу вдоль плоскости Галактики, — это знакомый нам Млечный путь, но в жёстких рентгеновских лучах.

Жёсткие рентгеновский и гамма-диапазоны, соответствующие характерным энергиям фотонов от 10^-8 эрг до 10^-5 эрг, занимают особое место. Прежде всего, это связано с природой астрономических источников, способных производить излучение со столь высокими энергиями. Среди них такие компактные и массивные объекты, как чёрные дыры, нейтронные звёзды и белые карлики. Например, типичная нейтронная звезда в нашей Галактике при массе на 40% большей, чем масса Солнца, имеет размер порядка 10 км. Вещество, падающее на подобную звезду, может разогреться до колоссальных температур, достаточных, чтобы возникло рентгеновское излучение. Кроме того, многие ядерные превращения вещества происходят с излучением квантов, имеющих определённые энергии, попадающие в диапазон от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ. Например, превращение радиоактивного изотопа кобальта ⁵⁶Со, возникающего при взрывах сверхновых, в привычное нам железо (⁵⁶Fe) сопровождается излучением линий с энергией 847 кэВ и 1,23 МэВ. Увидеть подобные линии означает лучше понять процесс возникновения многих химических элементов в недрах звёзд. Именно такие задачи и стоят перед обсерваторией "Интеграл" (INTEGRAL, International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), являющейся совместным проектом Европейского космического агентства, федерального космического агентства РФ и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства. Спутник был выведен на орбиту российской ракетой-носителем "Протон" 17 октября 2002 г., с тех пор успешно работает и каждые день передаёт на Землю новую информацию. Российские учёные имеют приоритетные права на использование четверти всего наблюдательного времени обсерватории.

Диапазон энергий, в котором работают основные приборы обсерватории, простирается от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Фотоны с такой энергией могут легко проникать сквозь толщи пыли и газа, скрывающие от нас многие уникальные объекты нашей Галактики, например, её центральную зону. В оптическом диапазоне излучение из этой области до нас не доходит, т.к. пыль ослабляет оптический поток в 10²⁰ раз, а излучение в жёстком рентгеновском и мягком гамма диапазонах практически не чувствительно к ней. В то же время из-за высокой проникающей способности жёсткого рентгеновского излучения почти невозможно изготовить зеркало, способное сфокусировать такое излучение, т.к. оно не отражается от зеркала, а проникает в него. Альтернативой зеркалам в жёстких рентгеновских лучах служат "кодирующие" (теневые) маски. Над детектором рентгеновских лучей устанавливают пластину из вольфрама (маску) толщиной в несколько сантиметров, в которой прорезано большое число отверстий. Рентгеновское излучение проходит через эти отверстия, и на поверхности детектора возникает картина ярких пятен, расположение которых зависит от координат источника излучения. Другими словами можно сказать, что маска отбрасывает "тень" на детектор. Дальнейший компьютерный анализ тени позволяет восстанавливать изображение неба (рис. 1). Метод кодированных масок хорошо знаком астрофизикам в России. Он также использовался в двух других российских орбитальных обсерваториях — "Рентген" (на модуле "Квант" станции "Мир") и "Гранат".

Рождение и гибель позитронов

Один из основных телескопов обсерватории "Интеграл", спектрометр SPI на основе кристаллов германия высокой чистоты, способен регистрировать эмиссионные линии на энергиях сотен и тысяч кэВ. Эти линии — прямые источники информации о ядерных превращениях вещества в Галактике. Ярчайшей из них в гамма-диапазоне является линия аннигиляции электронов и их античастиц, позитронов, на энергии 511 кэВ. Позитроны (анти-электроны) рождаются и на Земле, и в космосе. Столкновение позитрона с обычным электроном может привести к аннигиляции — исчезновению этих двух частиц и рождению вместо них двух или трёх гамма-квантов. Когда при аннигиляции позитрона и электрона рождаются два фотона, то каждый из них уносит энергию, равную массе покоя электрона или позитрона, — 511 кэВ. Особенно сильное излучение в этой линии идёт из центральной зоны нашей Галактики (рис. 2), где каждую секунду рождаются и исчезают более 10⁴³ позитронов.

Рис.2 Карта неба в аннигиляционном излучении электрон-позитронных пар. Яркое пятно в центре означает, что в центральной области нашей Галактики каждую секунду аннигилирует более 10⁴³ позитронов.

Несмотря на то, что впервые линию 511 кэВ обнаружили в излучении центральной зоны Галактики более 30 лет назад, однозначного ответа о природе аннигиляционного излучения до сих пор нет, т.к. производство позитронов могут обеспечить сразу несколько конкурирующих физических механизмов.