ГАЛАКТИКА, ВІДКРИТА ДВІЧІ

Наука і життя // Ілюстрації

Обсерваторія "Інтеграл" на орбіті. © ESA

Схема побудови зображення телескопом IBIS (1) з кодує маскою.

Схематичне зображення "поглиненого" рентгенівського джерела, компактний об'єкт в якому - молода нейтронна зірка з магнітним полем.

Ссхематічное зображення нашої Галактики - Чумацького Шляху з позначеними спіральними рукавами.

Карта випромінювання "хребта" Галактики, отримана обсерваторією "Інтеграл". Контурами показано розподіл поверхневої яскравості Галактики в ближньому інфрачервоному діапазоні, який добре відповідає розподілу зірок.

Якщо газ розігріти до температури, при якій він починає випромінювати в рентгенівському діапазоні (приблизно 100 мільйонів градусів), енергія його частинок виявиться достатньою, щоб вони покинули Галактику, подолавши її гравітаційне тяжіння.

Карта всього неба в діапазоні енергій 20-50 кеВ, отримана обсерваторією "Інтеграл".

Розподіл яскравості жорсткого рентгенівського випромінювання галактичного Ріджа (область, заштрихованная червоним) і накладене на графік розподіл яскравості Галактики в ближньому інфрачервоному діапазоні (блакитна лінія).

Комплекс наукової апаратури обсерваторії "Інтеграл".

<

>

ОБСЕРВАТОРІЯ "ІНТЕГРАЛ"

Може здатися дивним, як багато цікавих подій і явищ, що відбуваються у Всесвіті, залишаються від нас прихованими. Людської око здатне бачити електромагнітне випромінювання лише дуже вузького, оптичного діапазону. А Всесвіт випромінює в широкому спектрі, в діапазоні від радіохвиль довжиною близько сотень метрів до екстремальних рентгенівського і гамма-випромінювань з довжиною хвилі до 10-17 метра. Чим менше довжина хвилі, тим більше енергія фотонів - її зміна по всьому спектру становить майже 20 порядків величини.

"Невидиме" випромінювання Всесвіту стало доступно для спостережень зовсім недавно, близько п'ятдесяти років тому, з появою потужних радіотелескопів і спеціалізованих космічних рентгенівських і гамма-обсерваторій. Зараз на навколоземних орбітах перебуває кілька таких космічних апаратів, в їх числі - обсерваторія "Інтеграл". Її назва - абревіатура англійського найменування INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Міжнародна астрофізична лабораторія гамма-променів). Основні телескопи обсерваторії призначені для спостереження за космічними джерелами жорсткого рентгенівського і гамма-випромінювання в діапазоні енергій від 15 кілоелектронвольт (кеВ) до 10 мегаелектронвольт (МеВ).

Обсерваторія вперше дозволила детально досліджувати ту Всесвіт, яка раніше була прихована від спостерігачів. Навіть двічі прихована: крім того, що фотони з такими енергіями недоступні людському оку, в космосі є джерела випромінювання, "заховані" за навколишнім їх щільною газопилової оболонкою. Фотони нижчих енергій практично повністю поглинаються в її товщі, тому телескопи, які працюють в оптичному, ультрафіолетовому та навіть м'якому рентгенівському діапазонах (до 10-20 кеВ), просто не могли бачити подібні об'єкти. Фотони більш високих енергій безперешкодно проходять крізь пил і газ, відкриваючи нові подробиці життя Всесвіту.

Побачити "приховану Всесвіт" непросто. Енергія рентгенівських і гамма-фотонів дуже велика, і використовувати класичні телескопи-рефлектори для їх спостереження майже неможливо: щоб гамма-фотони відбилися від поверхні дзеркала, а не поглинулися їм, кут падіння повинен бути надзвичайно малим. Навіть в м'якому рентгенівському діапазоні доводиться "витягувати" дзеркало, перетворюючи його фактично в трубу і тим самим зменшуючи поле зору телескопа. Для спостереження високоенергічних фотонів використовується інший метод - кодують, або тіньових, масок (такі телескопи також називають телескопами з кодованої апертурою). Влаштовані вони в такий спосіб: над позиційно-чутливим детектором фотонів встановлюється непрозора (наприклад, вольфрамова) пластина з прорізаними в певному порядку отворами. Це і є маска. Коли на телескоп падає потік фотонів, маска відкидає тінь і на детекторі утворюється своєрідний візерунок засвічених і темних ділянок. З цього візерунку можна відновити зображення неба у відповідному діапазоні енергій.

Основні телескопи "Інтеграл" мають великі поля зору - 30 на 30 градусів, що дозволяє одночасно стежити за досить великим ділянкою неба. Обсерваторія обертається навколо Землі за унікальною орбіті c періодом три доби, з початковою висотою перигею близько 9 тисяч і висотою апогею 154 тис кілометрів. Незвично високий перигей потрібен був для того, щоб мінімізувати перебування апарату в зоні радіаційних поясів Землі, де можуть бути пошкоджені унікальні прилади обсерваторії і де ефективні спостереження в будь-якому випадку неможливі.

"Інтегрування" Всесвіту почалося в кінці 2002 року, коли обсерваторія була виведена на орбіту ракетою-носієм "Протон" з розгінним блоком ДМ. В обмін за запуск російські вчені отримали пріоритетні права на чверть наглядової часу приладів обсерваторії. Дані "Інтеграл" не належать будь-якої окремої групи - будь-який російський дослідник може подати заявку на спостереження цікавить його об'єкта і, якщо вона буде схвалена Міжнародним програмним комітетом, отримати дані для аналізу і публікації результатів. Дані надходять на Землю безперервно через дві прийомні антени, що знаходяться на території США і Бельгії. У Росії робота з інформацією обсерваторії відбувається через Російський центр наукових даних обсерваторії "Інтеграл", організований в Інституті космічних досліджень Російської академії наук.

ЗІРКИ, що ховаються САМІ СЕБЕ

Джерелами жорсткого випромінювання в нашій Галактиці, як правило, служать рентгенівські подвійні системи, що складаються з двох зірок - звичайної оптичної та релятивістської рентгенівської. Остання (нейтронна зірка або чорна діра) має дуже малі розміри (близько 10 кілометрів) при масі, порівнянної з масою Сонця або перевищує її. Як наслідок, вона створює навколо себе сильне гравітаційне поле. Під його впливом речовина з оптичною зірки перетікає на поверхню зірки-компаньйона (цей процес називається акреції), розігрівається до десятків і сотень мільйонів градусів і починає активно випромінювати рентгенівські фотони. За час існування рентгенівської астрономії було виявлено більше сотні таких джерел. Спостереження обсерваторії "Інтеграл" привели до відкриття багатьох нових джерел, дозволивши майже подвоїти цей список. Важливо, що це збільшення було не просто кількісним, але і якісним - були виявлені групи джерел з невідомими раніше властивостями.

Одним з таких результатів стало відкриття обсерваторією жорстких рентгенівських джерел, названих "сільнопоглощеннимі". Перший такий джерело, IGR J16318-4848, був виявлений незабаром після запуску "Інтеграл", а в даний час подібних джерел відомо вже більше десятка. Вони привернули увагу тим, що яскравість їх випромінювання різко, приблизно на три порядки, падала на енергіях нижче 20 кеВ. За формою спектра можна було зробити висновок, що випромінювання в більш м'якому діапазоні поглинається газом або пилом, причому ступінь поглинання дуже висока. Подальші дослідження виявлених джерел дозволили припустити, що спостерігаються системи, що складаються з нейтронної і оптичної зірки (гіганта або надгіганта) з потужним зоряним вітром - истекающим з поверхні зірки газом. Цей газ "огортає" подвійну систему і живить нейтронну зірку, однак він же не пропускає фотони низьких енергій, що виникають при акреції.

Масивні зірки, що входять до складу таких систем, порівняно молоді, вони утворилися не більше 10 мільйонів років тому. А значить, і самі системи, звані масивними рентгенівськими подвійними, не можуть бути старше. У нашій Галактиці молоді масивні зірки спостерігаються в основному в спіральних рукавах, де до сих пір триває процес зореутворення. Дослідження обсерваторії "Інтеграл" підтвердили, що масивні рентгенівські подвійні також зосереджені переважно в областях неба, відповідних спіральним рукавах Галактики.

Інша цікава група джерел, виявлена ​​обсерваторією "Інтеграл", - так звані швидкі рентгенівські транзіенти. Це джерела рентгенівського випромінювання, що спалахують на небі лише на дуже короткий час - на кілька годин. Іноді такі спалахи відбуваються регулярно, іноді - всього лише один раз за всю історію спостережень. Оптичні компоненти в системах, що відповідають цим транзиента, були ідентифіковані з надгігантами раннього спектрального класу (OB). До цього відкриття обсервато рії "Інтеграл" в Галактиці було відомо всього кілька джерел, що входять в подвійну систему з OB-надгігантом, і всі ці джерела випромінювали в рентгенівських променях більш-менш постійно. В їх число входять найвідоміший джерело Лебідь X-1, в якому, як припускають, переховується чорна діра, а також рентгенівські пульсари Вітрила X-1 і Центавр X-3. Така мала кількість рентгенів -скіх джерел цього типу викликало здивування, так як, згідно з розрахунками еволюції зірок, систем, що містять OB-надгігант і релятивістську зірку, в Галактиці повинно бути в сотні тисяч разів більше. Спостереження "Інтеграл" показали, що подібні системи зазвичай мають щільність потоку нижче рівня чутливості сучасних ширококутних телескопів, стаючи яскравими рентгенівськими джерелами на дуже короткий час. Якщо це дійсно так, число відомих рентгенівських джерел цього типу може з часом сильно збільшитися.

Складність в спостереженні швидких транзиента полягає в тому, що їх спалаху складно "зловити", так як неможливо передбачити, коли і де вони відбудуться. Поки не існує і моделі, яка б пояснювала механізм такого спалаху. Незрозумілим видається тимчасової масштаб: якщо припустити, що речовина зоряного вітру захоплюється на певній відстані від компактного об'єкта його гравітацією, а далі відбувається сферически-симетрична аккреция (тобто речовина падає на компактний об'єкт рівномірно з усіх боків), спалах повинна тривати не більше години. Можливо, тут діє інший механізм: падаюче речовина володіє дуже великим кутовим моментом і сферично-симетрична аккреция виявляється неможливою. Тоді поблизу компактного об'єкта формується диск з речовини зоряного вітру, де протягом досить довгого часу (близько року) накопичується речовина. Потім воно швидко аккрецируют, що і супроводжується рентгенівської спалахом. Майбутні спостереження, не тільки "Інтеграл", але і інших обсерваторій, дозволять прояснити механізм, який призводить до появи на рентгенівському небі швидких транзиента.

РЕНТГЕНІВСЬКИЙ ХРЕБЕТ ГАЛАКТИКИ

Яскраві рентгенівські подвійні, про які ми говорили вище, забезпечують близько 95 відсотків потоку випромінювання Галактики в цьому діапазоні, хоча їх в цілому не так вже й багато - не більше декількох сотень. Крім них в Галактиці спостерігається набагато більш слабке фонове рентгенівське випромінювання. Якщо подивитися в рентгенівських променях на Чумацький Шлях з боку Землі, ми побачимо вузьку суцільну смугу цього випромінювання, що простягнулася від одного краю галактичного диска до іншого з характерним потовщенням поблизу центру Галактики і помітним зростанням яскравості. Видимий структура називається галактичним Рідж, від англійського - ridge (хребет).

Природа цього випромінювання залишалася невідомою більше 30 років - з того моменту, як воно було відкрито. Висловлювалися гіпотези, згідно з якими джерелом фонового випромінювання міг бути гарячий газ, досить сильно розподілений по галактичного диску. Але, якщо газ розігріти до температури (приблизно 100 мільйонів градусів), при якій він починає випромінювати в рентгенівському діапазоні, енергія частинок газу виявиться достатньою для того, щоб вони покинули Галактику, подолавши її гравітаційне тяжіння. Чи не ясний і джерело такого газу - він міг би бути викинутий або розігрітий ударними хвилями при вибухах наднових зірок, але тоді такі вибухи повинні відбуватися набагато частіше, ніж спостерігається зараз і випливає з теорії еволюції зірок.

Інша, більш правдоподібна гіпотеза пов'язує спостерігається фонове випромінювання з процесами взаємодії космічних променів в Галактиці з міжзоряним газом і світлом (оптичними фотонами) звичайних зірок. На жаль, щільність галактичних космічних променів тих енергій, які необхідні для формування жорсткого дифузного рентгенівського випромінювання, відома погано, так що надійних розрахунків тут поки провести не вдається.

Як альтернатива цим гіпотезам було висловлено припущення про те, що галактичний рентгенівський фон є результатом сукупного випромінювання великої кількості слабких недозволених об'єктів. Існуючі телескопи поки не володіють чутливістю, необхідної для того, щоб розрізнити подібні об'єкти. Тому для перевірки цієї гіпотези довелося йти іншим шляхом - аналізувати особливості спектра і розподілу інтенсивності рентгенівського випромінювання Ріджа за даними спостережень обсерваторії "Інтеграл" (а саме - телескопа IBIS). За чотири роки роботи, завдяки широкому полю зору телескопа, вдалося зібрати велику кількість фотонів від рентгенівського фону Галактики, відокремивши слабке випромінювання галактичного Ріджа від випромінювання яскравих точкових джерел.

За даними телескопа IBIS були побудовані карта розподілу жорсткого рентгенівського випромінювання і його спектр. Виявилося, що розподіл яскравості фонового випромінювання Галактики в рентгенівських променях не відповідає розподілу яскравості в гамма-діапазоні. Гамма-випромінювання Галактики виникає в результаті взаємодії космічних променів з міжзоряним середовищем. Отже, можна практично виключити гіпотезу про дифузійної природі фонового рентгенівського випромінювання Галактики.

З іншого боку, рентгенівське зображення дуже добре співпало з розподілом щільності зоряної маси, встановленої за інфрачервоним випромінюванням Галактики. Останнє створюється звичайними зірками на кшталт Сонця, яких в Галактиці близько 100 мільярдів. Природно припустити, що основним джерелом фонового рентгенівського випромінювання також повинні бути слабкі компактні джерела - зірки. Отриманий з спостережень коефіцієнт, що зв'язує світність зоряного населення Галактики в жорсткому рентгенівському діапазоні (17-60 кеВ) з його масою, збігся з подібним коефіцієнтом для зоряного населення в околицях Сонця. А поруч із Сонячною системою основними джерелами жорсткого рентгенівського випромінювання є аккрецируют білі карлики.

Білі карлики - це залишки загиблих зірок. У порівнянні зі звичайними зірками вони дуже малі - мають розмір в 100 разів менший, ніж Сонце, при масі, порівнянної з масою Сонця. Завдяки сильному гравітаційному полю білий карлик, що входить в тісну подвійну систему (звану катаклізмічних змінної), мало-помалу "обдирає" речовина із зірки-компаньйона. Падіння речовина розігрівається до високих температур і породжує рентгенівське випромінювання. Цей механізм схожий на описаний вище механізм випромінювання рентгенівських подвійних, відрізняючись головним чином рівнем світності (менше на кілька порядків) і характеристиками спектру формується рентгенівського випромінювання.

Максимальна температура, якої здатна досягти плазма, що падає на поверхню білого карлика, хоча і залежить від його маси і радіусу, в цілому не перевищує приблизно 100 мільйонів градусів. Відповідно не може бути багато більшою і енергія фотонів, випромінюваних такий плазмою. Тому якщо рентгенівський фон Галактики народжується білими карликами, то його спектр повинен обриватися на енергіях приблизно 20 кеВ. І телескоп IBIS дійсно виявив різке ослаблення фонового випромінювання на високих енергіях (вище 60 кеВ).

За результатами, отриманими обсерваторією, можна оцінити і число білих карликів в Галактиці - кілька мільйонів. Саме таку кількість дуже слабких джерел необхідно для того, щоб отримати спостережувану інтенсивність випромінювання хребта Галактики. Подальші спостереження, можливо, дозволять побачити і окремі джерела, однак для сучасних телескопів ця задача знаходиться на межі їх можливостей.

ДОВІДКА

Комплекс Наукової апаратури обсерваторії "Інтеграл" Включає Чотири прилади. Перш за все, це гамма-телескоп IBIS, призначений для отримання зображень неба з високим (12 хвилин дуги) кутовим дозволом в діапазоні енергій від 15 кеВ до 10 МеВ. За допомогою IBIS можна також досліджувати спектри космічних джерел з помірним енергетичним дозволом. Для роботи на енергіях нижче 200 кеВ в телескопі використовується унікальний детектор, що складається з 16 384 напівпровідникових елементів з кадмій-теллурита. Крім IBIS на борту знаходяться: гамма-спектрометр SPI, що складається з 19 кріогенних германієвих детекторів, - для надтонкою спектроскопії космічних ядерних гамма-ліній і лінії анігіляції електрон-позитронного пар; монітор рентгенівських променів JEM-X - для роботи в стандартному діапазоні від 3 до 35 кеВ і оптичний монітор OMC. © ESA