Окончание (часть 4)
см. часть 1 часть 2 часть 3

Гиганты и карлики

По-настоящему ярких рентгеновских источников — чёрных дыр или нейтронных звёзд, активно поглощающих вещество с соседней звезды-компаньона, — в Галактике сравнительно немного, не больше нескольких сотен. Но именно эти источники обеспечивают более 95% рентгеновского излучения Галактики. Это поистине гиганты в мире рентгеновских источников, особенно по сравнению с оптическим диапазоном, в котором светимость Галактики определяется совокупностью 100 млрд. звёзд, подобных Солнцу. Природа оставшихся нескольких процентов от полного рентгеновского излучения Галактики долгое время оставалась загадкой.

Уже более 20 лет назад было обнаружено, что наряду с яркими рентгеновскими источниками, о которых шла речь выше, вся галактическая плоскость — источник слабого рентгеновского излучения. Попытки "увидеть", что излучение создаётся совокупностью компактных рентгеновских источников, не дали результатов. Даже при высочайшей чувствительности и угловом разрешении телескопы видели лишь слабое и протяжённое свечение, идущее от плоскости Галактики. Исследователи предположили, что наблюдаемое излучение рождается в горячей и разрежённой плазме, заполняющей значительный объём в диске Галактики, о чём свидетельствовали наблюдения спектра излучения диска, имеющего все характеристики излучения горячей плазмы. Практически единственной, но серьёзнейшей проблемой в этом подходе было то, что, судя по наблюдаемому спектру, эта плазма должна быть разогрета до температуры порядка 100 млн.°C. Гравитационное поле Галактики не способно удержать в диске плазму с такой температурой, следовательно, плазма должна постоянно истекать из диска Галактики, унося́ с собой огромное количество энергии. Для поддержания концентрации плазмы в диске Галактики требуется источник энергии, на несколько порядков превышающий ожидаемое энерговыделение при взрывах сверхновых, если наши оценки частоты их появлений верны́. Ещё более экзотическим выглядит предположение о каком-то принципиально новом источнике энергии, компенсирующем потери энергии оттекающей плазмы. В таком виде дилемма природы слабого рентгеновского свечения плоскости Галактики (так называемый "хребет Галактики") просуществовала много лет. Но так ли незы́блем вывод о том, что свечение не связано с отдельными рентгеновскими источниками? Ведь совершенно уверенно мы знаем лишь то, что эти гипотетические источники не могут быть слишком яркими (со светимостью больше, чем 10³⁵ эрг/с), иначе они уже были бы обнаружены.

Телескопы обсерватории "Интеграл" оказались наилучшим образом приспособлены для исследования природы хребта Галактики в жёстком рентгеновском диапазоне. В самом деле, свечение хребта Галактики очень слабое, а значит, для того, чтобы собрать большой поток от него, телескоп должен иметь широкое поле зрения (например, такое, как у телескопа IBIS обсерватории "Интеграл", 29×29 градусов). Одновременно необходимо избавиться от вклада ярких галактических источников, на фоне которых излучения галактической плоскости практически не видно. Все эти задачи могут быть успешно решены при помощи обсерватории "Интеграл". Обсерватория методично осматривала один участок плоскости Галактики за другим, убирая вклады ярчайших источников и накапливая информацию об излучении хребта. Результатом этих наблюдений стал однозначный вывод — распределение слабого рентгеновского свечения плоскости Галактики точно следует распределению инфракрасного излучения, создаваемого обычными звёздами типа Солнца (рис.6).

Рис.6. Карта излучения хребта Галактики, полученная обсерваторией Интеграл. Контурами показано распределение поверхностной яркости Галактики в ближнем инфракрасном диапазоне, который хорошо отслеживает распределение звёзд.

Другими словами, существует прямая пропорциональность между числом звёзд в данном объёме и рентгеновским излучением этого же объёма. Таким образом, вместо предположения о диффузном излучении разрежённой плазмы на первый план выходит гипотеза о том, что рентгеновское излучение связано с особым подклассом звёзд или звёздных систем, являющихся очень слабыми рентгеновскими источниками. Но если это так, то подобные системы, причём в чётко определённой пропорции, можно обнаружить и в "ближайшей" — в пределах сотни парсек — окрестности Солнца, где мы наперечёт знаем даже слабые источники рентгеновского излучения. И действительно, подробный анализ полученных данных показал, что в нашей окрестности звёзды с активными коронами и аккрецирующие белые карлики со светимостями на уровне 10³⁰-10³³ эрг/с дают ровно столько рентгеновского излучения, сколько нужно, чтобы объяснить слабое свечение хребта Галактики. В жёстком рентгеновском диапазоне, там, где работают основные инструменты обсерватории, главный вклад в фоновое излучение дают аккрецирующие белые карлики. По результатам, полученным обсерваторией, можно оценить их полное число в Галактике — несколько миллионов. Именно такое количество очень слабых источников и стало реальной альтернативой гипотезе о диффузной природе хребта Галактики.

Рис.7. Вещество, падающее на белый карлик с больших расстояний, разгоняется до скоростей в тысячи километров в секунду. Удар о поверхность белого карлика создаёт ударную волну, разогревающую вещество до сотен миллионов градусов. Рентгеновское излучение миллионов таких источников регистрируется приборами обсерватории "Интеграл" как слабое свечение хребта Галактики.

Оказалось, что и проблема формы спектра рентгеновского излучения решается почти автоматически. Типичный белый карлик имеет массу порядка массы Солнца и радиус порядка 10 тыс. км. Нетрудно подсчитать, что вещество, падающее на поверхность белого карлика, может разогнаться до скорости порядка нескольких тысяч километров в секунду. Столкновение с поверхностью карлика (рис.7) приводит к разогреву вещества до температуры около сотни миллионов градусов — именно такая температура и нужна для объяснения формы рентгеновского спектра хребта Галактики. Т.е. источником свечения действительно оказалась горячая плазма, но её удерживает не слабое притяжение Галактики, а мощное гравитационное поле белых карликов; проблема удержания плазмы исчезает сама собой.

Таким образом, гипотеза о том, что миллионы крайне слабых источников обеспечивают рентгеновское свечение плоскости Галактики, оказалась весьма плодотворной. Дело за малым — попытаться увидеть напрямую, что излучение хребта Галактики действительно распадается на огромное число отдельных источников. Такая задача может быть решена современными телескопами, но на абсолютном пределе их возможностей.

Приведённые выше темы были достаточно произвольно выбраны авторами статьи из всего разнообразия задач обсерватории, которая продолжает успешную работу на орбите сегодня и будет работать ещё многие годы.

©«В мире науки»