4 Космическое рентгеновское и гамма-излучение

1. Введение

Как известно, рентгеновское и гамма излучение относится к коротковолновой или жесткой области электромагнитного спектра (см. рис. 1). В энергетическом представлении к рентгеновским фотонам принято относить кванты электромагнитного поля с энергией более 100 эВ, к гамма-квантам – с энергией >100 кэВ. Генерация подобных фотонов происходит в процессах, характеризуемых достаточно высокой энергетикой. Поэтому регистрация космического рентгеновского и гамма-излучения, наблюдения астрофизических объектов в жестком диапазоне электромагнитного спектра вот уже в течение нескольких десятилетий вызывают большой интерес именно в виду возможности прямого исследования самых высокоэнергичных процессов во Вселенной.

За время, прошедшее с момента открытия в 1962 г. в эксперименте на ракете «Аэроби» первого источника жесткого излучения, находящегося за пределами солнечной системы – Sco X-1 (Giacconi et al., 1962), рентгеновская и гамма-астрономия добилась впечатляющих результатов. Эта, пожалуй, самая динамично развивающаяся область современной астрофизики охватывает явления, происходящие как на Солнце и в солнечной системе, так и в нашей Галактике и галактических объектах, а также далеко за ее пределами – вплоть до космологических расстояний. В настоящем разделе будут рассмотрены проблемы, связанные с изучением методами рентгеновской и гамма-астрономии процессов и объектов вне гелиосферы и солнечной системы.

В мягком рентгеновском диапазоне (энергия фотонов менее нескольких кэВ) на уровне светимости 10³⁵ эрг/с излучают горячие короны звезд главной последовательности, относящихся к спектральным классам O, B, A, F, G, K, M. Из них в среднем наибольшей рентгеновской светимостью обладают горячие сверхгиганты классов O и B - 10³³ эрг/с. У звезд поздних спектральных классов К, М рентгеновская светимость может доходить до 10²⁹ эрг/с. Кроме того, зарегистрировано мягкое рентгеновское излучение от белых карликов, а также вспыхивающих звезд типа T Tau, катаклизмических переменных RS CV_n и некоторых других. В мягком рентгеновском излучении получены изображения нескольких десятков остатков сверхновых (плерионов), в том числе и в соседних галактиках. Мягкое рентгеновское излучение является довольно типичным и для внегалактических объектов (галактик и квазаров). Считается, что рентгеновская светимость нормальных галактик типа нашей Галактики обусловлена в основном совокупным излучением отдельных источников, она составляет 10³⁹ эрг/с. В мягком рентгеновском диапазоне от многих скоплений галактик зарегистрировано тепловое излучение горячего межгалактического газа.

Что же касается объектов, излучающих преимущественно в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах (энергии фотонов от нескольких кэВ до нескольких сотен кэВ), то они составляют популяции, существенно отличающиеся от большинства звездного населения Галактики. Согласно современным представлениям большинство галактических источников жесткого рентгеновского излучения – это двойные звездные системы, состоящие из “нормальной” звезды известного спектрального класса и, так называемого, релятивистского компактного объекта – коллапсара (нейтронной звезды или черной дыры). При этом, в качестве основного механизма, обеспечивающего высокую светимость в жестком диапазоне, рассматривается выделение энергии при аккреции вещества звезды на релятивистский компактный объект, обеспечивающее нагрев этого вещества до температур в десятки миллионов градусов, что и дает очень высокую рентгеновскую светимость (10³⁵ - 10³⁸ эрг/с). В ходе многочисленных наблюдений, проведенных на различных космических аппаратах, на сегодняшний день в нашей Галактике и ее ближайших спутниках – большом и малом Магеллановом облаках открыто несколько сотен подобных объектов. Следует отметить, что тесные двойные системы, содержащие коллапсар, характеризуются падающими спектрами, поэтому число известных источников такого типа убывает по мере увеличения энергии регистрируемых фотонов. В диапазоне 100-300 кэВ значимые потоки зарегистрированы всего от нескольких объектов, а при энергиях свыше 1 МэВ наблюдалась только двойная система Cyg X-1, которая традиционно рассматривается в качестве одного из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры (Bassani et al., 1989).

В жестком диапазоне электромагнитного спектра излучают и некоторые одиночные пульсары. Среди них наиболее известны пульсар в Крабовидной туманности (спектр его излучения лежит практически во всех диапазонах электромагнитного спектра), а также пульсар Vela. Всего на сегодняшний день в нашей Галактике открыто около десяти одиночных пульсаров, от которых зарегистрировано рентгеновское и гамма-излучение (Mereghetti, 2001; Тhоmpson, 2001). Некоторые из них, в частности пульсар в Крабовидной туманности, находятся в остатках сверхновых, которые тоже могут излучать в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах. Спектры излучения некоторых, так называемых, гамма-пульсаров простираются до очень высоких энергий (вплоть до 10¹²-10¹³ эВ в случае пульсара в Крабовидной туманности), они существенно более жесткие, чем спектры тесных двойных систем. Поэтому именно гамма-пульсары составляют основную популяцию галактических объектов, наблюдающихся в диапазоне гамма-излучения высоких энергий (>30 МэВ).

Если мягкое рентгеновское излучение является вполне типичным для большинства внегалактических источников, то в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах излучают в основном активные галактики и квазары. Эти объекты обладают существенно более высокой рентгеновской светимостью по сравнению с обычными галактиками. Так, рентгеновская светимость радиогалактик составляет 10⁴² эрг/с, так называемых Сейфертовых галактик - 10⁴⁵ эрг/с, а у некоторых квазаров она может достигать

Наряду с более или менее стационарно излучающими объектами в рентгеновском и гамма-диапазонах также наблюдаются временно вспыхивающие источники – транзиенты. Одним из наиболее интригующих явлений такого плана являются космические гамма-всплески. По современным представлениям источники гамма-всплесков находятся на очень далеких, космологических расстояниях, что обуславливает неослабевающий интерес к их исследованию.

Наконец, помимо отдельных источников наблюдается космическое диффузное рентгеновское и гамма-излучение. В этом излучении выделяют изотропную составляющую – так называемый метагалактический диффузный фон, а также галактическое диффузное излучение, существенный вклад в которое вносят гамма-кванты, образующиеся в результате процессов взаимодействия частиц космических лучей с межзвездным веществом Галактики.

Как видно из вышеизложенного, исследование космического рентгеновского и гамма-излучения тесно переплетается с основными фундаментальными проблемами современного естествознания. В первую очередь, это проблемы космологии – объяснение происхождения, эволюции и наблюдаемой структуры Вселенной. Современные космологические модели предсказывают, что большинство барионов во Вселенной должно содержаться в горячем межгалактическом газе, который доступен для наблюдений именно в рентгеновском диапазоне. Поэтому рентгеновские наблюдения скоплений галактик наряду с исследованием микроволнового реликтового излучения и сверхновых типа а в других галактиках дают основные тесты космологических моделей. Кроме того, рентгеновские наблюдения являются критичными и для решения проблемы темной материи и темной энергии, поскольку именно рентгеновская и гамма-спектроскопия позволяет осуществлять диагностику распространенности элементов. К решению космологических проблем имеют прямое отношение исследование космических гамма-всплесков, метагалактического диффузного фона, а также далеких активных галактик и квазаров.

Исследование космического рентгеновского и гамма-излучения может дать информацию о структуре пространства-времени и поведении материи в экстремальных условиях. Так, наблюдения астрофизических объектов, содержащих черные дыры, могут использоваться для изучения релятивистских эффектов в сильных гравитационных полях, проверки теорий гравитации и познания ее природы. Изучение рентгеновских и гамма-пульсаров позволяет судить о физических процессах в сверхсильных электромагнитных полях, поскольку некоторые из этих объектов обладают очень большими магнитными полями – вплоть до 10¹⁵ Гс.

Наконец, процессы генерации высокоэнергичных фотонов тесно связаны с механизмами ускорения частиц, поэтому большинство космических источников рентгеновского и гамма-излучения могут также рассматриваться и как вероятные источники космических лучей, а, например, наблюдение линий гамма-излучения в галактическом диффузном фоне дает прямую информацию о взаимодействиях космических лучей в Галактике. Таким образом, данные рентгеновской и гамма-астрономии имеют существенное значение в плане решения проблемы происхождения космических лучей.

Наряду с рассмотренными общефизическими проблемами, рентгеновская и гамма-астрономия имеет ключевое значение и для решения многих собственно астрофизических проблем. В первую очередь, это проблема происхождения космических гамма-всплесков; проблема природы метагалактического диффузного фона, в частности, выяснение роли квазаров и активных галактик в его образовании; проблема объяснения высокой светимости в жестком излучении активных ядер галактик; определение механизмов формирования аккреционных дисков и релятивистских струй – джетов в некоторых тесных двойных системах и ядрах активных галактик; выяснение природы светимости рентгеновских и гамма-пульсаров; определение роли тесных двойных систем и формирования релятивистских компактных объектов в процессе звездной эволюции; выяснение роли ядерных реакций в образовании гамма-излучения некоторых объектов.

В соответствии с указанной проблематикой в настоящем разделе будут рассмотрены следующие вопросы: характеристики тесных двойных звезд, особенности рентгеновской светимости систем со слабо намагниченными нейтронными звездами; рентгеновская и гамма светимость быстро вращающихся нейтронных звезд - пульсаров; генерация галактического диффузного излучения; галактические и внегалактические черные дыры; проблема метагалактического диффузного фона и проблема космических гамма-всплесков. Но прежде, чем перейти к изложению указанных вопросов, кратко рассмотрим основные механизмы генерации космического рентгеновского и гамма-излучения, а также экспериментальные методы его наблюдения.