Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Перейдем теперь к анализу спектральных наблюдений «Краба». Найденное еще Слайфером раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности было подтверждено дальнейшими исследованиями. На рис. 17.3 приведен спектр при ориентации щели спектрографа вдоль большой оси туманности. Хорошо видно, что яркие линии излучения в центре туманности раздвоены, в то время как на краях туманности раздвоения линий нет. Линии имеют как бы «клочковатый» вид, что объясняется волокнистой структурой излучающих эти линии областей туманности. Своеобразная «дуговая» форма раздвоенных линий со всей наглядностью доказывает, что причиной раздвоения является расширение системы излучающих эти линии газовых волокон. В центральной области диска туманности волокна при своем расширении движутся на нас и от нас. Первые, из-за эффекта Доплера, будут излучать линии, смещенные к фиолетовому краю спектра, вторые — к красному. Напротив, на краях туманности направление движения волокон почти перпендикулярно к лучу зрения. Поэтому значительного смещения длин волн наблюдаться не будет. Из измерения расстояния между компонентами раздвоенных линий можно получить скорость расширения системы волокон, которая в среднем около 1200 км/с. Зная угловую скорость «расплывания» волокон в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения (0

,23

в год) и линейную скорость расширения, можно определить расстояние до Крабовидной туманности, которое, с учетом ее эллипсоидальной формы, оказывается близким к 1700 пс. Это значение хорошо согласуется с оценкой видимой величины «звезды-гостьи» 1054 г. С учетом поглощения света получается, что абсолютная величина этой звезды в максимуме была около -18^m, что близко к абсолютной величине сверхновых.

По измеренным лучевым скоростям волокон и их «собственным движениям» на небесной сфере можно построить грубую пространственную модель Крабовидной туманности, приведенную на рис. 17.6. Причудливо переплетающаяся сеть газовых волокон этой туманности как бы «окаймляет» аморфную массу, находясь на ее периферии. Анализ относительных интенсивностей спектральных линий излучения и их ширин позволяет понять картину физических условий в газовых волокнах. Оказывается, что для отдельных волокон электронная концентрация меняется в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч на кубический сантиметр, в то время как температура газа близка к 20 000 К. Химический состав волокон, насколько это можно судить по их спектрам, отличается от состава других газовых туманностей довольно значительно. Имеются все основания полагать, что в «Крабе» относительное обилие гелия выше приблизительно в пять раз, причем для разных волокон оно меняется. Полная масса газа, находящегося в волокнах Крабовидной туманности, близка к массе Солнца.

Рис. 17.6: Пространственная модель волокон Крабовидной туманности.

Прежде чем перейти к анализу основной компоненты оптического излучения Крабовидной туманности с непрерывным спектром, мы должны остановиться на ее радиоизлучении. Радиоизлучение Крабовидной туманности было обнаружено в Австралии в 1949 г. Болтоном. Несомненно, что это открытие было важной вехой на пути понимания природы Крабовидной туманности. Уже первые наблюдения позволили установить существенное различие между радиоспектрами Крабовидной туманности и других известных тогда радиоисточников. Первый оказался гораздо более «пологим», чем вторые. Спектральный индекс

радиоизлучения Крабовидной туманности оказался аномально малым, всего лишь 0,28. Это означает, что уменьшение потока радиоизлучения при повышении частоты происходит гораздо медленнее, чем у других источников. Так например, если на волне 3 м поток от Кассиопеи А в десять раз больше, чем от Крабовидной туманности, то на сантиметровом диапазоне ситуация уже становится обратной. Угловые размеры Крабовидной туманности в радиодиапазоне практически такие же, как и в оптическом. Следует еще подчеркнуть одно важное обстоятельство. Как мы видели в предыдущем параграфе, радиоисточники, связанные со «старыми» остатками вспышек сверхновых, имеют «оболочечную» структуру, т. е. у них радиоизлучающие области расположены на периферии. Ничего подобного в распределении радиоизлучения Крабовидной туманности не наблюдается. Источники радиоизлучения в этом случае заполняют весь объем туманности, концентрируясь к ее центру.

Большой интерес всегда представляли радиоастрономические наблюдения Крабовидной туманности во время ее покрытия Луной. Дело в том, что Крабовидная туманность, из-за ее близкого расположения к эклиптике, изредка «затмевается» движущейся по небесному своду Луной. Это открывает богатые возможности изучения распределения яркости радиоизлучения, что весьма важно, так как разрешающая способность радиотелескопов до недавнего времени была недостаточна. Находящий на туманность край Луны как бы «выключает» те или иные яркие детали, тем самым давая возможность определить их координаты с большой точностью. Покрытия Крабовидной туманности Луной происходят примерно раз в 10 лет. Во время радионаблюдений покрытия «Краба» Луной в 1964 г. было сделано одно очень важное открытие. Оказалось, что в самом центре туманности, неподалеку от «южной» звездочки, о которой речь шла выше, наблюдается источник радиоизлучения очень малых угловых размеров, во всяком случае не больше 0,1 секунды дуги. Этот источник особенно интенсивен на низких частотах. Так, например, на частоте около 25 МГц (длина волны около 12 м) он дает от 30 до 50 процентов всего потока радиоизлучения от Крабовидной туманности. На существование такого радиоисточника указывали также и более ранние наблюдения «мерцания» радиоизлучения Крабовидной туманности при ее прохождении через плазму внешней короны Солнца, что бывает ежегодно 15 июня, когда Солнце в своем видимом годичном движении по эклиптике очень близко подходит к «Крабу». Только спустя почти пять лет после этих наблюдений стало ясно, что этим малым радиоисточником является знаменитый пульсар, открытый в центре Крабовидной туманности в конце 1968 г.!

Радиоизлучение Крабовидной туманности на частотах сантиметрового диапазона обнаруживает значительную линейную поляризацию. Сам по себе этот факт является сильным аргументом в пользу вывода, что радиоизлучение Крабовидной туманности имеет «синхротронную» природу. Еще до открытия поляризации радиоизлучения в 1953 г. автор настоящей книги предложил эту теорию для объяснения радиоизлучения Крабовидной туманности. Расчет типа описанного в § 16 позволяет сделать вывод, что для объяснения наблюдаемого радиоизлучения необходимо принять, что в Крабовидной туманности имеется магнитное поле, напряженность которого около 10^{– 3} Э. Радиоволны излучают находящиеся в Крабовидной туманности релятивистские электроны, энергия которых порядка нескольких сот миллионов электронвольт. Полная энергия магнитного поля, заключенного в Крабовидной туманности, очень велика, порядка 3

10⁴⁸ эрг. Полезно сравнить эту энергию с кинетической энергией газовых волокон Крабовидной туманности, разлетающихся, как мы видели, со скоростью

1500 км/с. При массе волокон

1 массы Солнца, или 2

10³² г, получим, что их кинетическая энергия

1,5

10⁴⁹ эрг, т. е. почти такая же, как энергия магнитного поля. Отсюда следует важный вывод, что магнитное поле Крабовидной туманности должно играть заметную роль в динамике расширения ее волокон — обстоятельство, к которому мы вернемся ниже.

В том же 1953 г. автор этой книги объяснил «аморфное» оптическое излучение Крабовидной туманности тем же синхротронным механизмом, который ответствен за ее радиоизлучение. Предыдущие попытки объяснения этого давно известного излучения наталкивались на большие, в сущности говоря, непреодолимые, трудности. Согласно «классической» трактовке непрерывного оптического спектра Крабовидной туманности, основанной на единственно известном тогда механизме теплового излучения горячего, ионизованного газа, следовало предположить, что в Крабовидной туманности имеется огромное количество этого газа, порядка 20—30 солнечных масс. При этом необходимо было считать, что температура такого газа исчисляется сотнями тысяч градусов, что совершенно необычно для газовых туманностей, температура которых в десятки раз ниже. Наконец, в газовых волокнах наблюдается значительно более низкая температура — порядка 10—20 тысяч кельвинов. Очень трудно себе представить, как могут такие сравнительно холодные волокна существовать, будучи окружены со всех сторон значительно более горячей плазмой той же плотности. Ведь давление «внешнего» горячего газа должно будет неограниченно их сжимать!

Представление о том, что у Крабовидной туманности оптическое излучение с непрерывным спектром, так же как и ее радиоизлучение, объясняется синхротронным механизмом, радикально снимает все эти трудности и противоречия. Ведь если в этой туманности существуют релятивистские электроны с энергиями, лежащими в интервале 10⁸—10⁹ эВ, то должны быть, конечно, в значительно меньшем количестве, релятивистские электроны с большими энергиями, например, в интервале 10¹¹—10¹² эВ. Так как частоты, на которых излучают синхротронным механизмом релятивистские электроны, пропорциональны квадрату их энергий (см. формулу (16.13)), то если электроны с энергией 10⁸—10⁹ эВ в магнитном поле H

10^{– 3} Э излучают на частотах дециметрового и сантиметрового диапазона, электроны с энергией

10¹¹ эВ будут излучать как раз на оптических частотах, которые в сотни тысяч раз выше. Идея, как видим, довольно простая.

Спектральная плотность потока в непрерывном оптическом спектре Крабовидной туманности почти в 400 раз меньше, чем в области радиочастот. С другой стороны, спектральная плотность потока радиоизлучения хотя и медленно, но убывает с ростом частоты. Логично было сделать вывод, что и дальше, в сторону миллиметровых и инфракрасных волн, может быть продолжено синхротронное излучение Крабовидной туманности. И, наконец, почему бы ему не тянуться еще дальше, до оптических и даже более высоких частот? Другими словами, следует ожидать единого синхротронного спектра у этой туманности, который должен тянуться от радио- до оптических и более высоких частот.

Расчеты показывают, что в Крабовидной туманности имеется единый энергетический спектр релятивистских электронов, включающий в себя как гораздо более многочисленные электроны с энергией 10⁸ — 10⁹ эВ, являющиеся причиной ее радиоизлучения, так и в десятки тысяч раз меньшее количество значительно более энергичных электронов с энергией порядка 10¹¹—10¹² эВ, излучающих оптические и ультрафиолетовые кванты. Концентрация последних совершенно ничтожна: один электрон на сотни кубических метров пространства! Полная же масса всех релятивистских частиц в Крабовидной туманности, если считать, что на один релятивистский электрон приходится один релятивистский протон, около 10²⁷ г, что близко к массе земного шара! Для того чтобы попытаться количественно объяснить оптическое излучение Крабовидной туманности тепловым механизмом, нужно было предположить, что там содержится

10³⁵ г горячего газа, т. е. в сотню миллионов раз больше вещества, чем в случае релятивистских частиц. Мы видим, как эффективен механизм синхротронного излучения: ничтожное количество релятивистских частиц обеспечивает мощное излучение туманностей в течение довольно длительного времени.

Таким образом, новая концепция превратила «аморфную» массу Крабовидной туманности в «пузырь», содержащий совершенно ничтожное (по космическим масштабам, конечно) количество вещества в форме релятивистских частиц. Помимо большого количества трудностей старой, «тепловой» теории, синхротронная теория сняла еще одну трудность, известную со времен Лампланда. Она непосредственно объяснила наблюдавшиеся этим астрономом быстрые изменения в распределении яркости «Краба» (см. выше). Ведь отдельные облака релятивистских электронов могут двигаться в пределах туманности со скоростью, составляющей заметную часть скорости света!