Рентгеновская и гамма-астрономия сегодня являются одним из важнейших инструментов в изучении космоса. Количество открытых источников жесткого электромагнитного излучения все время растет. Причем это не обычные спокойные звезды, которым для того, чтобы быть достаточно яркими в рентгеновском диапазоне, надо иметь температуру поверхности, равную многим миллионам градусов, а разные экзотические объекты, крайне удаленные от Земли. Большинство обнаруженных сегодня источников гамма-излучения имеют далеко не тепловую природу и связаны с разного рода нестационарными и взрывными процессами во Вселенной.
Некоторые звезды заканчивают свое существование взрывом, после которого остаются плотный, слабо светящийся объект и расширяющееся горячее газовое облако, которое излучает фотоны самых разных энергий, включая рентгеновский диапазон. Наиболее изученная и знаменитая Крабовидная туманность вместе с оставшимся после взрыва пульсаром производит не только радиоволны и рентгеновское излучение, видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, но и гамма-кванты с энергией до 10 млн. гигаэлектронвольт. Причем основную долю излучения, от радио до рентгена, дают релятивистские электроны, кружащие в мощном магнитном поле пульсара и туманности. Данные, полученные обсерваторией «Чандра», настолько точны, что позволяют определять скорости различных частей даже очень удаленных туманностей, образовавшихся после взрыва сверхновых. Оказалось, например, что некоторые области остатка сверхновой E0102-72 в Малом Магеллановом Облаке движутся в нашу сторону, но волноваться не стоит – газ дойдет до нас через миллионы лет остывшим и разреженным.
Слабо светящийся объект, остающийся после взрыва, – это, как правило, нейтронная звезда или черная дыра. Вообще говоря, подобный объект обнаружить довольно трудно. Но астрономам уже давно известно, что звезды любят собираться парами, и таких двойных систем уже обнаружено множество. Если же одним из членов пары оказалась нейтронная звезда или черная дыра, то такая пара будет мощным источником рентгеновского и гамма-излучения. Аккреция (захват) вещества из нормальной соседней звезды выдает присутствие темного и слабоизлучающего объекта.
Обсерватория «Чандра» обнаружила в скоплении 47 Тукана неожиданно большое число таких экзотических звездных систем. Вообще «нормальные» звезды излучают в оптическом диапазоне. Чтобы излучение стало более жестким, нужны особые условия. Такие условия создаются в двойных звездах – системе из нормальной звезды и компактного объекта – белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. В этом случае частицы из нормальной звезды, захваченные ее соседом, движутся с колоссальным ускорением и излучают фотоны различных энергий. Если «захватчиком» является нейтронная звезда или белый карлик, то при ударе об их поверхность излучается дополнительная энергия. Кстати, у черной дыры видимая твердая поверхность отсутствует и, следовательно, не будет и дополнительного излучения. Это один из способов отличить черную дыру от нейтронной звезды.
В скоплении 47 Тукана оказалось немало двойных звезд, активно излучающих в рентгеновском диапазоне, что означает, что там много черных дыр или нейтронных звезд. Вместе с тем выяснилось, что в скоплении, похоже, нет большой центральной черной дыры. «Большой», точнее «сверхмассивной», черной дырой обычно называется та, масса которой не менее миллиона солнечных масс. Так что дыры с массой порядка тысячи солнечной вполне могут присутствовать в этом скоплении. О необычности нейтронных звезд и ассоциируемых с ними рентгеновских пульсарах, барстерах (от англ. «burst» – вспышка, взрыв), так же как и о магнетарах, рассказывалось в июльском номере нашего журнала, поэтому на этих объектах подробнее останавливаться мы не будем.
Гамма-астрономия не только разрешает старые загадки, но и ставит новые. Так, до сегодняшнего дня нет никакого убедительного объяснения происходящим примерно раз в сутки мощным всплескам гамма-излучений. Еще в 1960-е годы эти всплески были зафиксированы американскими военными спутниками, предназначенными для слежения за ядерными и термоядерными взрывами. Искали мощное излучение от испытания атомных бомб потенциального противника, а обнаружили следы космических катастроф. Есть много предположений о возможных механизмах генерирования мощных гамма-вспышек. Наиболее популярна гипотеза, согласно которой так заканчивают свое существование двойные системы, состоящие из нейтронных звезд или черных дыр. Такая «парочка» совершенно незаметна в оптическом диапазоне, и только когда, потеряв благодаря излучаемым гравитационным волнам вращательную энергию, компаньоны падают друг на друга, выделяется огромное количество энергии, излучаемой в том числе в гамма-диапазоне. Однако первый надежно идентифицированный 5 марта 1979 года источник гигантской вспышки оказался SGR-пульсаром, спокойно вспыхивающим в рентгеновском диапазоне. Причем находится он даже не в нашей Галактике, а в соседней – Большом Магеллановом Облаке. Правда, его сегодняшние нерегулярные вспышки по мощности не идут ни в какое сравнение с тем страшным взрывом, что был зафиксирован в 1979 году.
За последние годы окрепла убежденность в наличии массивных черных дыр (с массой от миллиона до миллиарда солнечных) в центрах многих галактик. Но вот то, как они там оказались, совершенно не ясно. Чтобы понять это, необходимо собрать как можно больше информации о процессах, проходящих в ближайшей окрестности подобной черной дыры. И здесь ученым на помощь приходит Природа. Если черная дыра находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество начинает «засасываться» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать. Именно это излучение и выдает присутствие черных дыр. Интересный парадокс: черные дыры, оказывается, могут быть самыми яркими объектами во Вселенной! Именно наличие мощнейшего излучения во всем диапазоне длин волн (от радио до гамма), идущего из центра многих галактик, и заставляет думать о том, что там находятся огромные черные дыры. Уже обнаружены звезды, расположенные близко от черных дыр и очень быстро вокруг них вращающиеся. Почему же излучение в рентгеновском диапазоне информативнее наблюдений в видимом спектре, при помощи обычных телескопов? Согласно законам электродинамики, чем с большим ускорением движется заряженная частица, тем более энергичные кванты света она испускает. Но ускорение тем больше, чем ближе частица к черной дыре. Следовательно, более энергичные фотоны прилетают к нам из непосредственной окрестности черной дыры. А исследуя спектральный состав излучения, можно оценить массу черной дыры, ее заряд и скорость вращения. Теоретики предсказывают, что черные дыры способны не только поглощать окружающую их материю, но и излучать частицы всех сортов (так называемое «Хоукинговское квантовое испарение»). Для массивных черных дыр это излучение крайне мало, но чем меньше масса черной дыры, тем больше его интенсивность и энергия вылетающих из нее частиц. Чем меньше черная дыра, тем лучше ее видно! Но раз объект излучает энергию, его масса должна уменьшаться. Причем черная дыра излучает со временем все интенсивнее, поскольку, испаряясь, уменьшается. Этот процесс заканчивается мощнейшим всплеском излучения частиц всех сортов. Фотоны, являясь полноправными квантами, также излучаются, и вполне возможно, что некоторые фотоны, прилетающие на Землю, являются посланцами небольших черных дыр.
Джеты (буквально – струи) сопутствуют жизнедеятельности массивных черных дыр в центрах галактик. Но поскольку они сами являются источниками рентгеновского излучения, о них стоит поговорить отдельно.
Например, ядро хорошо изученной активной галактики Центавр A образует мощный джет, состоящий из частиц высоких энергий. Видимый размер джета – примерно 4 000 световых лет. Джет испускается массивной черной дырой, находящейся в центре галактики. Большая часть рентгеновского излучения генерируется при его столкновении с межзвездным газом. С помощью обсерватории «Чандра» астрономы сделали два открытия в далеком квазаре PKS 1127-145: обнаружили огромный рентгеновский джет протяженностью более миллиона световых лет, а также рентгеновское затенение, вызванное галактикой, расположенной между Землей и квазаром. Эти два результата дают новую информацию о сверхмассивной черной дыре в центре квазара, а также о содержании кислорода в далекой галактике. Джет является следствием взрывной активности, произошедшей 10 млрд. лет назад вблизи центральной черной дыры квазара. Этот джет хорошо виден в рентгеновском диапазоне потому, что составляющие его частицы, сталкиваясь с реликтовыми фотонами, передают им часть энергии, превращая их в мягкие гамма-кванты. Размер джета и его неоднородность говорят о том, что активность сверхмассивной черной дыры была довольно длительной и перемежающейся, возможно, вследствие слияния других галактик с родной галактикой квазара.