Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Рис. 17.7: Фотографии Крабовидной туманности через различно ориентированные поляроиды.

Снятие затруднений старой теории само по себе, конечно, очень важно. Не менее привлекательна логическая стройность и изящество новой теории. Однако все это, конечно, еще не означает, что новая теория — правильная. Чтобы теоретическое построение стало твердо установленной истиной, необходимо, основываясь на новых представлениях, предсказать такие эффекты, которые либо были до этого совершенно неизвестны, либо казались абсолютно непонятными. Мы можем считать, что последними были наблюдаемые изменения в Крабовидной туманности. Что касается совершенно новых эффектов, то и за этим дело не стало. На основании новой теории И. М. Гордон и В. Л. Гинзбург предсказали, что оптическое излучение Крабовидной туманности, если оно имеет синхротронную природу, должно быть линейно поляризовано. Этот предсказанный на основе теории эффект впервые был обнаружен советскими астрономами М. А. Вашакидзе и В. А. Домбровским в 1954 г., которые наблюдали независимо друг от друга и разными методами. Они использовали телескопы весьма скромных размеров и смогли получить только среднюю поляризацию от туманности. Поляризацию отдельных деталей «Краба» они исследовать не могли. Тем не менее их результаты оказались весьма впечатляющими. Усредненная степень поляризации оказалась близкой к 10%. Это очень большая величина. Для сравнения скажем, что поляризация света удаленных звезд, вызванная его прохождением через

пылевые облака, редко превышает 1—2% и измеряется при этом вполне надежно.

Через 2 года после советских авторов поляризационные наблюдения Крабовидной туманности были проведены в США на величайшем тогда в мире 5-метровом телескопе. Уже неоднократно упоминавшийся нами американский астроном Бааде получил серию превосходных фотографий «аморфной» массы туманности (для чего был использован специальный светофильтр) через поляроиды, ориентированные по-разному. Эти фотографии, приведенные на рис. 17.7, невольно поражают воображение. Отдельные яркие детали то появляются на одной фотографии, то исчезают на другой, полученной через «перпендикулярно» ориентированный поляроид. Это означает, что свет этих деталей почти на 100% линейно поляризован. Некоторые области туманности при повороте поляроида на 90° изменяются до неузнаваемости. Создается впечатление, как будто это сняты разные туманности... Измерение негативов этих фотографий позволило для каждой точки туманности получить величину и направление поляризации света (рис. 17.8).

Согласно теории синхротронного излучения, направление поляризации должно быть перпендикулярно к направлению магнитного поля в области излучения. Сравнительно регулярный характер поляризации света Крабовидной туманности позволяет построить систему силовых линий находящегося там магнитного поля (рис. 17.9). Обращает на себя внимание то, что направление вытянутости отдельных деталей аморфной массы совпадает с направлением магнитного поля. Отсюда с наглядностью следует вывод, что отдельные сгустки релятивистских частиц как бы «растекаются» вдоль силовых линий. Магнитные силовые линии являются как бы «направляющими» для такого движения, препятствуя «расплыванию» этих частиц в перпендикулярном к полю направлении. Такая картина может наблюдаться только тогда, когда плотность энергии магнитного поля сравнима или превосходит плотность энергии релятивистских частиц. Таким образом, сам характер магнитного поля и его взаимосвязь с «аморфной» массой с предельной наглядностью демонстрирует синхротронный характер оптического излучения Крабовидной туманности.

Рис. 17.8: Поляризация Крабовидной туманности.Поляризация Крабовидной туманности.

Рис. 17.9: Структура магнитного поля Крабовидной туманности.

Особого внимания заслуживает структура самой центральной части Крабовидной туманности. Эту область еще в 1942—1943 гг. тщательно исследовал Бааде, который обнаружил там удивительные изменения. Время от времени в самой центральной части туманности возникают маленькие, довольно яркие конденсации, обычно вытянутой формы, которые очень быстро движутся от места своего зарождения в направлении от центра туманности. Схема структуры самой центральной части «Краба» приведена на рис. 17.10. Два маленьких кружка означают центральные звездочки. Штриховые фигуры b и a символизируют яркие детали туманности. Деталь b почти не изменяется, чего нельзя сказать о детали a, которая меняет свое положение (по отношению к центральным звездочкам), форму и яркость. Она довольно внезапно появляется в пространстве между «нижней» из двух звездочек (которая, как это будет видно в следующей главе, оказалась пульсаром) и деталью b. Далее она движется по направлению к детали b и иногда сливается с нею. Весь описанный выше цикл длится 3—4 месяца. Если знать угловое перемещение детали a и время, в течение которого это перемещение произошло, не представляет труда получить скорость детали a, вернее, ее проекцию на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Эта скорость превышает 40 000 км/с! Очень похоже, что через центральную намагниченную область Крабовидной туманности с огромной скоростью проходит волна сжатия магнитных силовых линий. Это следует из анализа поляризации детали a, приводящего к установлению направления магнитного поля вдоль направления вытянутости этой детали. Следовательно, направление движения детали a перпендикулярно к направлению магнитного поля. Все эти удивительные явления означают, что в центральной части Крабовидной туманности наблюдается продолжающаяся до нашего времени «активность». Это было исторически первое указание на то, что остаток вспышки Сверхновой 1054 г. не «мертв», что в нем происходят какие-то огромной мощности физические процессы, приводящие к наблюдаемой очень быстрой изменчивости в центральной части Крабовидной туманности.

Рис. 17.10: Структура центральной области Крабовидной туманности (схема).

1963 год открыл новую страницу в истории исследования Крабовидной туманности. Весной этого года группа исследователей Морской лаборатории США, возглавляемая выдающимся американским ученым, основоположником внеатмосферной астрономии Фридманом, обнаружила рентгеновское излучение от «Краба». Эксперимент был выполнен на маленькой ракете типа «Айроби». Детектором рентгеновского излучения была «батарея» пропорциональных счетчиков фотонов общей площадью всего лишь в 65 см². Детектор регистрировал кванты в диапазоне 1,5—8 A. Поток оказался довольно значительным: 1,5

10^{– 8} эрг/см²

с. Это всего лишь на порядок меньше, чем поток от самого яркого рентгеновского источника в созвездии Скорпиона, который был незадолго до этого открыт. Сейчас, спустя 20 лет, техника рентгеновской астрономии позволяет регистрировать потоки в несколько десятков тысяч раз меньшие, чем от Крабовидной туманности. Всего на небе пока обнаружено около 1000 рентгеновских источников. Одним из самых ярких является источник, отождествляемый с Крабовидной туманностью.

Сразу же после открытия этого рентгеновского источника возникла проблема: а что представляет собой этот источник? Можно было ожидать, что излучает сама Крабовидная туманность, т. е. объект, имеющий хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры порядка 5 минут дуги. Но, с другой стороны, нельзя было исключить и возможность того, что источником рентгеновского излучения является звезда, некогда взорвавшаяся как сверхновая. В таком случае угловые размеры рентгеновского источника были бы ничтожно малы, т. е. он оказался бы «точечным». Разрешающая способность рентгеновской астрономии, в данном случае — способность отличить «точечный» источник от малого, но протяженного объекта, 10 лет назад была весьма низка. Счастливое обстоятельство помогло, однако, астрономам быстро решить эту проблему. Мы уже говорили выше о том, что при исследовании распределения радиояркости Крабовидной туманности весьма эффективным оказался метод анализа радиоизлучения во время ее покрытия Луной. Аналогичный метод вполне приложим к анализу рентгеновского излучения Крабовидной туманностью. Нужно в подходящий момент во время покрытия Луной туманности запустить ракету, на которой должен находиться детектор, ориентированный на Краб. При этом должен непрерывно регистрироваться уровень рентгеновского излучения от туманности. Если источник рентгеновского излучения точечный, то в момент его покрытия краем Луны поток резко упадет до нуля. Если источник протяженный, то поток рентгеновского излучения по мере нахождения края Луны на источник будет постепенно уменьшаться.

Рис. 17.11: Результаты рентгеновских наблюдений во время покрытий Луной Крабовидной туманности. Вверху — зависимость скорости счета рентгеновских квантов от времени.

Такой опыт по нашему предложению был осуществлен Фридманом 7 июля 1964 г. Луна закрывала туманность со скоростью около 0

,5 за минуту времени. Максимальные угловые размеры Крабовидной туманности 6

, следовательно, полная длительность покрытия около 12 минут. Ракета могла находиться на высоте свыше 100 км (где только и можно принимать космическое рентгеновское излучение) всего лишь около 5 минут. По этой причине программа наблюдений была построена так, чтобы можно было наблюдать только центральную часть Крабовидной туманности размером в 2

. Результаты этих наблюдений представлены на рис. 17.11, где приведена зависимость показаний детектора от времени при покрытии Крабовидной туманности Луной. Из приведенной на этом рисунке кривой сразу же видно, что источник рентгеновского излучения является протяженным, так как показания детектора убывают по мере закрытия туманности Луной постепенно. На рис. 17.11 (внизу) восстановлено полученное из показаний детектора распределение яркости источника рентгеновского излучения в Крабовидной туманности. Угловые размеры его порядка 1

, т. е. значительно меньше размеров туманности в оптических лучах.

В дальнейшем было выполнено много наблюдений рентгеновского излучения Крабовидной туманности в разных спектральных диапазонах. При помощи аппаратуры, установленной на баллонах (воздушных шарах), удалось проследить жесткий спектр Крабовидной туманности вплоть до гамма-диапазона, т. е. вплоть до энергий квантов в сотни миллионов электронвольт [ 40 ] . Напомним, что энергия квантов оптического диапазона составляет 2—3 эВ, а кванты радиодиапазона имеют энергию еще в сотни тысяч и миллионы раз меньшую. Таким образом, отношение энергий квантов крайних областей всего диапазона электромагнитных волн, принимаемого от Крабовидной туманности, составляет 10¹⁴, или сотни тысяч миллиардов. Ни один другой космический объект (включая чрезвычайно близкое к нам и потому очень яркое Солнце) не исследован в таком широком диапазоне спектра. На примере этой туманности мы можем увидеть всеволновой характер современной астрономии. Пока в спектре Крабовидной туманности остаются два «белых пятна»: а) далекая инфракрасная область, б) ультрафиолетовая область. Эти спектральные участки чрезвычайно трудны для наблюдений. Ультрафиолетовое излучение, например, сильно поглощается межзвездной средой. Тем не менее электромагнитный спектр туманности вырисовывается со всей определенностью. Он представлен на рис. 17.12, где по оси абсцисс нанесены частоты излучения (пропорциональные энергиям квантов), а по оси ординат — спектральная плотность потока.

40

Наблюдаются и кванты с энергией 10 ¹¹ —10 ¹² эВ по вызываемым ими вспышкам черенковского излучения в земной атмосфере (см. § 20).

Рис. 17.12: Синхротронный спектр Крабовидной туманности.Синхротронный спектр Крабовидной туманности.

Рис. 17.13: Схема планковского спектра.

Прежде всего видно, что спектр этот совершенно не похож на спектр теплового источника излучения любой, в частности, сколь угодно высокой температуры. Последний описывается известной формулой Планка. Качественно такой спектр представлен на рис. 17.13. Спектр Крабовидной туманности хорошо описывается степенным законом F

^–

. Вплоть до далекой инфракрасной области спектральный индекс

,3, т. е. очень мал. Где-то у частот 10¹³—10¹⁴ Гц (длины волн 10—30 мкм) происходит «перелом» спектра. Начиная с частоты

10¹⁴ Гц и вплоть до огромных частот гамма-диапазона

10²⁴ Гц, спектральный индекс имеет постоянное значение, близкое к 1. Такой спектр однозначно доказывает синхротронную природу всего электромагнитного излучения «Краба». Прямым доказательством этого утверждения является измеренная в 1975 г. поляризация рентгеновского излучения Крабовидной туманности. Если ответственными за метровое радиоизлучение Крабовидной туманности являются релятивистские электроны с энергиями порядка сотен миллионов электронвольт, а за оптическое излучение — с энергиями

10¹¹ эВ, то гамма-излучение вызывается движениями электронов с энергией до 10¹⁵ эВ. Все эти релятивистские электроны движутся в довольно регулярном магнитном поле этой туманности, структура которого изображена на рис. 17.9, а среднее значение напряженности близко к 10^{– 3} Э. Мощность синхротронного излучения релятивистских электронов пропорциональна квадрату их энергии. С другой стороны, это излучение генерируется за счет энергии релятивистских электронов. По этой причине «время жизни» таких электронов (определяемых как время, в течение которого они потеряют из-за синхротронного излучения существенную часть своей первоначальной энергии) обратно пропорционально их энергии:

(17.1)

где H — напряженность магнитного поля, E — энергия, выраженная в миллиардах электронвольт, a t выражается в годах. Из этой формулы следует один очень важный вывод: время жизни электронов с энергией, большей чем

10¹¹ эВ, меньше 1000 лет, т. е. возраста Крабовидной туманности. Это означает, что если бы там не было непрерывного «возобновления запаса» релятивистских электронов высокой энергии, оптическое излучение «затухло» бы через сто лет. Но это заведомо не так! Со времен Мессье, наблюдавшего эту туманность в XVIII веке, яркость «Краба» почти не изменилась. Следовательно,. в этой туманности непрерывно действует некоторый механизм «накачки» «свежих» релятивистских электронов очень высоких энергий. Что же это за механизм, какова его природа? Эта проблема встала перед астрофизикой свыше 30 лет назад. Решение ее было получено в 1968 г., когда в центре Крабовидной туманности был обнаружен пульсар (см. § 19).