Моя жизнь в астрономии

Черепащук Анатолий

Астрономы часто сталкиваются с эффектом отражения в классических затменных двойных системах. Обычно величина эффекта отражения в таких системах, как уже упоминалось, невелика – составляет всего несколько процентов. Но в системе HZ Her почти 100% оптической переменности вызвано эффектом отражения. Это был первый случай в практике астрономических исследований, когда эффект отражения является определяющим и выглядит в «чистом виде». В системе Her X-1 наблюдается также долгопериодическая переменность рентгеновского излучения с периодом около 35 суток, связанная с прецессией аккреционного диска. В некоторых фазах прецессионного 35-дневного периода рентгеновский источник «выключается». Однако сильный эффект отражения в оптической переменности HZ Her при этом не выключается и остается значительным. Отсюда мы сделали вывод о том, что природа «выключения» рентгеновского излучения связана не с физическим затуханием рентгеновского источника, а с экранированием центрального рентгеновского источника внешними частями прецессирующего аккреционного диска. Таким образом, благодаря эффекту отражения мы можем судить о наличии рентгеновского излучения даже в том случае, когда рентгеновский источник не виден земному наблюдателю.

В 1972 году череда сообщений об открытиях в области рентгеновской астрономии шла непрерывно. Это было «золотое время» для развития науки о тесных двойных звездах. Ученых уже несколько лет волновала природа мощного компактного рентгеновского источника Cyg X-1, расположенного

в созвездии Лебедь. Этот источник показывал быструю иррегулярную рентгеновскую переменность на временах до 0,001 секунды. Никаких признаков рентгеновского пульсара источник Cyg X-1 не показывал. Не показывал он также и регулярной затменной переменности рентгеновского излучения. Поэтому его было очень трудно отождествлять с оптической звездой. Помогла радиоастрономия. Однажды рентгеновский спектр источника Cyg X-1 испытал сильные изменения, и это явление совпало с мощной радиовспышкой от этого источника. Поскольку радиоастрономическим методом координаты радиоисточников определяются весьма точно – с точностью лучше угловой секунды, в пределах такой малой области на небе удалось найти сравнительно яркую голубую звезду примерно девятой звездной величины. В оптическом спектре этой звезды были найдены линии поглощения водорода и гелия с эмиссионными компонентами, что нехарактерно для «нормальных» звезд такого спектрального класса. Поэтому был сделан вывод о том, что это и есть оптическая компонента рентгеновского источника Cyg X-1.

Весной 1972 года в Москву с Крымской станции ГАИШ приехал Витя Лютый (он постоянно там работал). Витя показал мне свои UBV фотоэлектрические наблюдения звезды – оптической компоненты рентгеновского источника Cyg X-1. Он пытался определить по своим данным орбитальный период системы Cyg X-1, но из-за немногочисленности наблюдательных точек это ему не удавалось сделать. Буквально на следующий день, войдя в зал библиотеки ГАИШ (я каждый день туда заходил, чтобы посмотреть новости, – тогда интернета еще не было), я увидел на выставке свежий номер журнала Nature. На обложке этого журнала красовалась картинка с кривой лучевых скоростей системы Cyg X-1 и крупными буквами было написано: Cyg X-1 – двойная система. Это была реклама знаменитой статьи английских ученых Л. Вебстер и П. Мардина, содержащейся в этом номере журнала. В этой статье авторы, выполнив спектральные наблюдения оптической звезды в системе Cyg X-1, измерили ее лучевую скорость и обнаружили, что она переменна с периодом ~ 5,6 суток и полуамплитудой ~ 70 км/с. Это прямо свидетельствовало о том, что оптическая звезда в системе Cyg X-1 вращается вокруг невидимого в оптическом диапазоне спектра и весьма массивного объекта. Я срочно информировал Витю Лютого об этой статье и о значении орбитального периода 5,6 суток. Обработав свои наблюдения с этим периодом, Витя получил хорошую регулярную кривую блеска, которая, в отличие от системы HZ Her, представляла собой двойную волну за орбитальный период с весьма небольшой амплитудой, примерно 5% от среднего значения (пять сотых звездной величины). Витя пришел в восторг от этих результатов и предложил мне быть соавтором соответствующей статьи. Но я отказался, так как мой вклад в эту работу был не очень велик. Мы договорились, что Витя в этой статье выразит мне благодарность за обсуждение работы, а также передаст мне таблицу своих фотометрических наблюдений системы Cyg X-1 для дальнейшего анализа. Этот анализ мы выполнили вдвоем с Рашидом Алиевичем Сюняевым, аспирантом Я. Б. Зельдовича, который тогда руководил отделом в Институте прикладной математики (ИПМ) АН СССР. После того как Яков Борисович одобрил нашу статью по эффекту отражения в системе HZ Her, мы старались больше общаться с ним и учениками. Яков Борисович в то время увлекался релятивистской астрофизикой (точнее, был одним из ее создателей), и его большой мечтой было открыть черную дыру. Поэтому он живо интересовался исследованиями рентгеновских двойных систем. А для нас, молодых астрономов, его экспертиза наших результатов была очень важной и полезной.

Надо особо отметить, что приход Якова Борисовича в астрофизику буквально осветил новым светом многие, казалось бы, уже изученные и ставшие классическими области этой науки. В частности, в проблеме физики звезд Яков Борисович развил новый аспект – поздние стадии эволюции звезд и формирование нейтронных звезд и черных дыр.

Наша схема рассуждений с Рашидом Сюняевым была следующей (в узком кругу мы зовем друг друга по имени ввиду многолетних дружеских отношений). Функция масс оптической звезды в системе Cyg X-1, измеренная Вебстер и Мардином, составляет 0,2 солнечной массы. То есть масса релятивистского объекта (рентгеновского источника) превышает 0,2 солнечной массы (функция масс оптической звезды в рентгеновской двойной системе является абсолютным нижним пределом для массы рентгеновского источника). Это очень малое значение нижнего предела массы релятивистского объекта. Оно не позволяет судить о том, является ли релятивистский объект нейтронной звездой или черной дырой. Нужны дополнительные ограничения на значения наклонения орбиты i в системе и на отношение масс компонент

где m_x – масса рентгеновского источника, m_v – масса оптической звезды. Особенно сильно окончательная оценка величины m_x зависит от наклонения орбиты i. Величину i можно оценить, если двойная система является затменной системой, в этом случае i близко к 90°. Однако при таких значениях i масса релятивистского объекта, оцениваемая по функции масс, получается около одной солнечной, что характерно для нейтронных звезд. Но тогда почему источник Cyg X-1 не является рентгеновским пульсаром? Тем более что, согласно теории дисковой аккреции Шакуры–Сюняева, оптическая светимость аккреционного диска должна быть относительно малой и оптические затмения в системе Cyg X-1 даже при i ? 90° должны иметь малую глубину, менее 1%. А кривая блеска системы Cyg X-1 имеет вид двойной волны за период амплитудой ~ 5%. Это позволило нам заключить, что главной причиной оптической переменности системы Cyg X-1 является эффект эллипсоидальности оптической звезды, которая является горячей массивной звездой спектрального класса B0Ib и для которой, ввиду ее высокой оптической светимости, эффект рентгеновского прогрева является несущественным. Эффект эллипсоидальности связан с приливной деформацией оптической звезды в гравитационном поле релятивистского объекта. В результате этой деформации звезда становится эллипсоидальной и даже грушевидной. Орбитальное движение оптической звезды в этом случае приводит к характерной переменности блеска, имеющей вид двойной волны: два максимума и два минимума за период, что как раз и наблюдается в системе Cyg X-1. Используя приближенную теорию эффекта эллипсоидальности, развитую в работах Г. Рассела, С. Чандрасекара, Д. Я. Мартынова, я по амплитуде оптической переменности системы Cyg X-1 оценил наклонение орбиты для этой системы, которое оказалось значительно меньше 90°. С этим значением i

у нас получилась оценка массы релятивистского объекта m_x > 5,6 солнечной массы, что заведомо превышало значение 3 М_?, абсолютный верхний предел масс нейтронных звезд. Поэтому мы сделали вывод о том, что рентгеновский источник в системе Cyg X-1 является черной дырой. Все эти результаты летом 1972 года мы доложили на семинаре отдела Я. Б. Зельдовича в ИПМ. Яков Борисович решительно поддержал нашу работу и рекомендовал доложить ее на ОАС. Через некоторое время мы доложили эту работу на Объединенном астрофизическом семинаре в ГАИШ. Это было мое первое выступление на ОАС. В конференц-зале ГАИШ сидели ведущие физики, астрофизики и астрономы страны. Я волновался, когда докладывал нашу работу, но доклад прошел успешно. Яков Борисович попросил Соломона Борисовича Пикельнера (он тогда был ответственным секретарем редакции «Астрономического журнала») опубликовать нашу статью вне очереди в «Астрономическом журнале». При поддержке Соломона Борисовича статья была опубликована в ближайшем номере «Астрономического журнала» в начале 1973 года. Авторы статьи: В. М. Лютый, Р. А. Сюняев, А. М. Черепащук. Кроме того, Рашиду удалось организовать через ИПМ публикацию препринта нашей статьи на английском языке. Этот препринт мы срочно разослали в ведущие мировые астрономические центры. В итоге эта статья быстро завоевала популярность, и на нее в течение последующих пяти лет шли непрерывные ссылки в международных журналах.

Кстати, почти одновременно с нашей публикацией вышла статья английского астрофизика Уокера, где он интерпретировал оптическую переменность системы Cyg X-1 как затменную переменность и сделал вывод о том, что релятивистский объект в системе Cyg X-1 является нейтронной звездой. Все последующие исследования подтвердили нашу модель системы Cyg X-1 и нашу оценку массы черной дыры. Таким образом, нам удалось выполнить одну из первых оценок массы черной дыры в рентгеновской двойной системе.

Эффекты отражения и эллипсоидальности, впервые обнаруженные нами в системах HZ Her и Cyg X-1, оказались типичными оптическими проявлениями рентгеновских двойных систем. Они широко используются при оптических отождествлениях рентгеновских двойных систем и при определении масс нейтронных звезд и черных дыр. Забегая вперед, отметим, что число открытых рентгеновских двойных систем к настоящему времени перевалило за многие тысячи, а число определений масс черных дыр в рентгеновских двойных системах превышает три десятка. В большинстве этих определений масс черных дыр для нахождения наклонения орбиты системы используется впервые предложенный нами метод анализа эффекта эллипсоидальности оптической звезды.

Яков Борисович предложил нам сделать доклад на заседании Бюро Астрономического совета АН СССР об оптических исследованиях рентгеновских двойных систем. Мы сделали такой доклад, и Бюро Астросовета поручило нам вести всесоюзную координацию оптических наблюдений рентгеновских двойных систем. Мы разослали по всем обсерваториям СССР карты окрестностей ряда рентгеновских двойных систем с выделенными звездами сравнения. Такая координация особенно стимулировала работу небольших университетских обсерваторий. В дальнейшем нами, совместно с профессором Б. В. Кукаркиным, была организована программа координации наземных и космических наблюдений рентгеновских двойных систем. Эта программа работала под эгидой Комиссии по переменным звездам Астросовета АН СССР (Б. В. Кукаркин был председателем этой Комиссии, а я – его заместителем). Мы организовали несколько всесоюзных научных конференций по итогам такой координации. Таким образом, тематика исследования рентгеновских двойных систем хорошо прозвучала в нашей стране и стимулировала активные наблюдательные программы во всех обсерваториях Советского Союза.

На юбилейной научной сессии отделения общей физики и астрономии АН СССР, проходившей 22 ноября 1972 года, Яков Борисович Зельдович сделал доклад на тему «Нейтронные звезды и черные дыры» (см. публикацию тезисов этого доклада в журнале «Успехи физических наук» (1973. Т. 110. № 2. С. 441–443)). Вот что сказал Яков Борисович об участии советских астрономов в программе исследования релятивистских объектов: «И. Д. Новиков и американский физик К. Торн развили последовательную релятивистскую теорию дисковой аккреции. В исследования включились специалисты по переменным и двойным звездам Института имени П. К. Штернберга (ГАИШ МГУ) В. М. Лютый, А. М. Черепащук, Н. Е. Курочкин, вместе с членами нашей группы, интерпретирующие оптические наблюдения „обычных компаньонов“ релятивистских звезд. Возникла новая, необычайно быстро развивающаяся отрасль астрономической науки, в которой советские астрофизики достойно участвуют».

Такая оценка наших работ нас сильно радовала и вдохновляла на новые интенсивные научные исследования.

Глава V. Высокогорная Алма-Атинская экспедиция ГАИШ

Осенью 1972 года директор ГАИШ профессор Д. Я. Мартынов предложил мне стать начальником Высокогорной экспедиции ГАИШ, расположенной вблизи города Алма-Аты в горах Заилийского Ала-Тау в Казахской ССР на высоте ~ 2800 метров над уровнем моря. Экспедиция была основана в 1957 году в связи с организацией мероприятий по проведению Международного геофизического года. Экспедиция была создана в основном для исследований Солнца, солнечной хромосферы и диффузной межпланетной материи. Благодаря большой высоте над уровнем моря небо в экспедиции исключительно прозрачное. Одна из первых кандидатских диссертаций, защищенных по материалам наблюдений, выполненных в экспедиции, была посвящена изучению зодиакального света и противосияния – весьма малоконтрастных, протяженных образований на небе, обусловленных слабым свечением межпланетной материи, рассеивающей солнечный свет. Эту диссертацию защитил сотрудник ГАИШ Лев Миронович Гиндилис, бывший одно время начальником экспедиции, известный специалист по программе поиска внеземных цивилизаций. Кроме того, высокая прозрачность земной атмосферы в экспедиции позволяла успешно выполнять работы по абсолютной спектрофотометрии звезд, руководителем которых был Д. Я. Мартынов. По этой программе в экспедиции в 1960-х годах работали ученицы Д. Я. Мартынова – В. Я. Алдусева и И. Н. Глушнева. В связи с развитием хоздоговорных работ в конце 1960-х годов в экспедиции был установлен 48-сантиметровый звездный телескоп-рефлектор АЗТ-14. На этом телескопе выполнялись электрофотометрические наблюдения искусственных спутников Земли, а также работы по электрофотометрии звезд. Старший научный сотрудник ГАИШ, специалист в области исследований Солнца Елена Александровна Макарова, которая много лет была начальником Высокогорной экспедиции ГАИШ, должна была передать мне свои дела по руководству экспедицией.

В 1968 году, в ноябре–декабре, я уже побывал в экспедиции. По поручению моего шефа Д. Я. Мартынова я был командирован на месяц в экспедицию для выполнения фотоэлектрических наблюдений затменной двойной звезды RU Mon с эллиптической орбитой, у которой Дмитрий Яковлевич исследовал поворот линии апсид. Из-за того, что фигуры звезд в двойной системе слегка отклоняются от сфер, большая ось эллиптической орбиты медленно поворачивается (на временах порядка сотен лет). Это приводит к изменению взаимного положения главного и вторичного затменных минимумов на кривой блеска и к изменению ширин минимумов. Наблюдая эти эффекты на больших временах, можно определить период полного поворота большой оси орбиты и тем самым оценить концентрацию вещества в теле звезды, что важно для проверки теории внутреннего строения звезд. Полученный мной наблюдательный материал оказался не очень богатым (было немного ясных ночей), но достаточным, чтобы «застолбить» еще одну эпоху в программе наблюдений Дмитрия Яковлевича.