Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Спектр источника Скорпион Х-1 многократно измерялся и в области 1—20 кэВ хорошо представляется экспоненциальным законом

(23.1)

где E — энергия рентгеновских квантов, T — параметр, имеющий смысл температуры. Величина T порядка нескольких десятков миллионов кельвинов. Такой спектр бывает у очень горячей плазмы с температурой T, причем эта плазма должна быть прозрачна к собственному рентгеновскому излучению. Наряду с изменениями потока рентгеновского излучения наблюдаются одновременные изменения спектра, который, однако, сохраняет свой экспоненциальный характер. При таких изменениях характеризующая спектр температура меняется от 25 до 100 миллионов кельвинов! Следует, однако, заметить, что в области высоких энергий (E

50 кэВ) в спектре источника Скорпион Х-1 имеется довольно значительное избыточное излучение, заведомо не являющееся «продолжением» излучения горячей плазмы в этом спектральном диапазоне.

Оптический спектр звездочки, с которой отождествляется Скорпион Х-1, изображен на рис. 23.1. В ближней инфракрасной области спектральная плотность потока излучения растет с ростом частоты, а в видимой и ультрафиолетовой областях спектральная кривая идет почти горизонтально. Важную точку на спектральной кривой дали наблюдения в ультрафиолетовой области около 1500 A, выполненные методами внеатмосферной астрономии. Эта точка ложится на продолжение горизонтальной части кривой рис. 23.1. На этот яркий непрерывный спектр накладываются довольно слабые линии излучения бальмеровской серии водорода, гелия и ионизованных атомов углерода и кислорода. Интенсивности этих линий, равно как и их лучевые скорости, очень сильно меняются. Например, лучевые скорости за несколько часов колеблются в пределах многих сотен километров в секунду, меняя при этом свой знак. Это означает, что облака ионизованного газа, излучающего эти линии, иногда движутся с такой большой скоростью на наблюдателя, иногда — от него. Интересно, что лучевые скорости линий, принадлежащих разным элементам, различны и часто меняются в противоположной фазе. Все вместе это означает, что в окрестностях источника Скорпион Х-1 происходят бурные процессы, сопровождаемые выбросами довольно больших масс газа.

Рис. 23.1: Оптический и инфракрасный спектр источника Скорпион Х-1.

Основная часть непрерывного оптического спектра источника Скорпион Х-1 скорее всего является продолжением его рентгеновского спектра. Это означает, что как рентгеновское, так и оптическое излучение этого источника представляет собой обыкновенное тепловое излучение очень горячего газа, температура которого порядка нескольких десятков миллионов градусов. Но так как коэффициент поглощения такого газа сильно растет с уменьшением частоты излучения, то в близкой инфракрасной и в красной областях спектра он уже перестает быть прозрачным для собственного излучения. На этих частотах горячий газ должен поэтому излучать как абсолютно черное тело. В области частот, удовлетворяющих условию h

< kT, зависимость интенсивности от частоты должна определяться классической формулой Рэлея — Джинса:

(23.2)

где R — радиус излучающей области, r — расстояние до источника. Действительно, из наблюдаемого спектра, приведенного на рис. 23.1, следует, что в инфракрасной и красной областях F

T

², как это и должно быть по закону Рэлея—Джинса. Зная T[

(3

5)

10⁷ K] и оценивая грубо r

500 пс, нетрудно получить оценку радиуса излучающей области R

10⁹ см, т. е. размеры источника рентгеновского излучения должны быть всего лишь около 10 000 км! Следовательно, это очень компактный объект. Из принятого нами значения r (которое, по причине высокой галактической широты источника, вряд ли может быть ошибочно больше, чем в два раза в ту или другую сторону) следует, что мощность рентгеновского излучения Скорпиона Х-1 (его «рентгеновская светимость») должна быть L_X

10³⁷ эрг/с, т. е. в 2—3 тысячи раз больше «полной» болометрической светимости Солнца! Если известны размеры источника, кинетическая температура заполняющей его горячей плазмы и теория ее излучения (которая очень хорошо и надежно разработана!), то не представляет труда оценить плотность частиц (электронов и ионов) в этой плазме. Эта плотность (вернее, концентрация) оказывается порядка 10¹⁶ см^{– 3} — величина достаточно большая, близкая к концентрации частиц в верхних слоях солнечной фотосферы. Наконец, если известны размеры источника и его плотность, то легко оценить полную массу газа, излучающего наблюдаемые от этого источника рентгеновские кванты. Эта масса по астрономическим масштабам совершенно ничтожна: всего лишь около 10²⁰ г, т. е. в сотню миллионов раз меньше массы земного шара. Запас тепловой энергии в этом плотном облаке плазмы около 10³⁶ эрг. Это означает, что «предоставленное самому себе» плазменное облако должно было высветиться за какую-нибудь десятую долю секунды! Так как этот источник наблюдается вот уже свыше 20 лет (а «живет» по крайней мере многие тысячи лет), то должен существовать какой-то непрерывный и притом очень мощный источник «накачки» энергии в горячую плазму. Горячее плазменное облако, которое каким-то образом, перманентно нагреваясь, излучает рентгеновские кванты — это только «второстепенная деталь» совершенно необычного космического тела, непосредственно не наблюдаемого.

Как видим, анализ рентгеновского и оптического излучения источника Скорпион Х-1 позволил получить ряд важных выводов о его природе и вскрыть его совершенно неожиданные, дотоле неизвестные в астрономии свойства. Этот источник по своим общим характеристикам оказался не уникальным. Приблизительно такие же свойства были обнаружены и у другого источника, Лебедь Х-2, отождествляемого с любопытной звездой 15-й величины.

Естественно, что сразу же после открытия галактических рентгеновских звезд теоретики стали размышлять об их природе и прежде всего об источниках огромной энергии их рентгеновского излучения. Уж такова натура теоретиков; хотя информация о рентгеновских звездах тогда была совершенно не достаточна (она и сейчас, мягко выражаясь, не избыточна...), недостатка в различных гипотезах и теориях не было. Не надо быть, однако, слишком строгим к теоретикам — они верны человеческой природе. Очень уж хотелось, и это так естественно, понять сущность этих удивительных объектов... В то время «в воздухе чувствовалось», что открытие нейтронных звезд уже не за горами. Напомним, что это было за несколько лет до открытия пульсаров. Первая идея объяснения природы нейтронных звезд была простая и, если можно так выразиться, «лобовая». Спектр наблюдаемого излучения не исключал возможности его тепловой природы, т. е. возможности описания его формулой Планка с температурой порядка десяти миллионов кельвинов. Однако идея о том, что рентгеновские источники — это горячие нейтронные звезды, быстро обнаружила свою несостоятельность (см. § 19).

«Новая эпоха» в рентгеновской астрономии качалась в декабре 1970 г., когда американцы с восточноафриканского полигона запустили на экваториальную орбиту специализированный рентгеновский спутник «Ухуру» (см. введение). Если до запуска этого спутника число известных космических рентгеновских источников было около 35, то после двух лет работы «Ухуру» число известных рентгеновских источников возросло почти до 200. При этом были зарегистрированы практически все источники, потоки от которых превышают одну тысячную потока от источника Скорпион Х-1 (в интервале энергий рентгеновских квантов от 2 до 20 кэВ). Наблюдаемые источники можно разделить на два класса. Источники первого класса имеют галактическую широту меньше 20°, источники второго класса — больше 20°. Как правило, самые интенсивные источники принадлежат к первому классу. Отсюда можно сделать вывод, что оба класса источников действительно представляют собой совершенно различные по своей природе объекты. В самом деле, если бы все рентгеновские источники представляли собой объекты сходной природы и находились в Галактике, то тогда источники, наблюдаемые в высоких галактических широтах, в среднем были бы к нам гораздо ближе. Но в таком случае они должны были бы быть более яркими. Такую картину мы наблюдаем в оптической астрономии: самые яркие звезды совершенно не концентрируются к Млечному Пути, между тем как слабые («телескопические») звезды очень сильно к нему концентрируются. «Высокоширотные» рентгеновские источники распределены по небу изотропно. Некоторые из них отождествляются с метагалактическими объектами — отдельными галактиками и скоплениями удаленных галактик. Поэтому можно сделать вывод, что по крайней мере часть «высокоширотных» рентгеновских источников суть весьма удаленные от нас метагалактические объекты. Что касается ярких источников, расположенных в низких галактических широтах (т. е. в полосе Млечного Пути), то подавляющее их большинство находится в нашей Галактике. Всего таких источников оказалось около 100. Из этого количества около 10 отождествляются с остатками вспышек сверхновых. Мы уже говорили о них в § 16. Основная же часть наблюдаемых галактических источников рентгеновского излучения должна принадлежать к совершенно особому классу объектов звездной природы, более или менее сходных с источниками Скорпион Х-1. В дальнейшем такие источники мы будем называть «рентгеновскими звездами». Следует различать два типа рентгеновских звезд. Первый тип концентрируется к галактической плоскости, что явно указывает на связь с молодыми массивными звездами. Ниже речь будет идти об объектах такого типа.

Рентгеновские звезды, помимо концентрации к галактическому экватору, обнаруживают явно выраженную концентрацию к галактическому центру: свыше половины их расположено в интервале долгот 60° по обе стороны галактического центра. Отсюда можно сделать вывод, что среднее расстояние до этих источников равно расстоянию от Солнца до галактического центра — около 10 000 пс. Этот вывод следует также из анализа спектров рентгеновских источников, находящихся в области созвездия Стрельца (это созвездие находится в направлении на галактический центр). У таких источников спектр часто обрывается со стороны низких энергий. Такой «обрыв» происходит из-за поглощения рентгеновского излучения межзвездным газом, причем для того, чтобы спектр оборвался у энергии квантов, равной

3 кэВ (как это наблюдается), нужно как раз такое количество межзвездных атомов, какое находится между Солнцем и центром Галактики.

Зная расстояние до таких источников (

10 000 пс) и величину потоков рентгеновского излучения (которые непосредственно наблюдаются), можно сделать вывод, что мощности рентгеновского излучения у таких объектов доходят до 10³⁸ эрг/с, т. е. в десятки раз превосходят болометрическую светимость Солнца. Этот важный вывод подтверждается наблюдениями рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках — Магеллановых Облаках, расстояние до которых хорошо известно (60 000 пс). С другой стороны, из статистического анализа результатов наблюдений следует, что среди рентгеновских источников почти нет объектов, мощность излучения которых была бы 10³⁴—10³⁵ эрг/с. Если бы это было не так, то в Галактике наряду со сравнительно яркими источниками наблюдалось бы значительно большее количество слабых. Таким образом, рентгеновские звезды образуют в Галактике довольно ограниченную по мощности (10³⁹—10³⁸ эрг/с) и по численности (

100 объектов) популяцию. Это означает, что большая часть всех существующих в Галактике рентгеновских звезд уже наблюдается. Подтверждением вывода о малочисленности рентгеновских звезд являются результаты наблюдения рентгеновского излучения от туманности Андромеды, которая регистрируется как довольно слабый источник. Как известно, эта туманность представляет собой гигантскую спиральную звездную систему, во многих отношениях сходную с нашей Галактикой. Учитывая, что туманность Андромеды удалена от нас на расстояние около 600 000 пс, можно найти по измеренной величине потока суммарную мощность всех находящихся в ней рентгеновских источников, которая оказывается около 2

10³⁹ эрг/с. Так как средняя мощность рентгеновского излучения источников около 10³⁷ эрг/с, то мы непосредственно получаем, что в туманности Андромеды имеется примерно сотня таких рентгеновских звезд (см. ниже).

Таким образом, можно сделать вывод, что рентгеновские звезды—чрезвычайно редкий феномен. В нашей Галактике, так же как и в туманности Андромеды, на миллиард «обычных» оптических звезд приходится только одна рентгеновская. Пожалуй, трудно назвать какую-либо другую популяцию в разнообразном «населении» Галактики, которая была бы так же редка. Разве только шаровые скопления по своей малочисленности могут сравниться с рентгеновскими звездами. Но шаровые скопления — это огромные агрегаты вещества, состоящие из сотен тысяч очень старых звезд, между тем как рентгеновские звезды — очень компактные объекты, несомненно, связанные с заключительным этапом эволюции звезд.

Выдающиеся по своей значимости результаты по исследованию рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках были получены на уже упоминавшейся ранее обсерватории «Эйнштейн». Чувствительность установленных там рентгеновских телескопов превосходила чувствительность детекторов «Ухуру» примерно в 1000 раз! Это дало возможность обнаружить в туманности Андромеды около сотни рентгеновских источников (рис. 23.2). В Большом и Малом Магеллановых Облаках также было обнаружено значительное количество рентгеновских источников. В Большом Магеллановом Облаке, богатом молодыми массивными звездами, найдено всего около 200 источников, а в Малом — свыше 20. Скорее всего, основная часть источников в Большом Магеллановом Облаке связана с молодыми, массивными звездами (см. ниже). Это означает, что в Магеллановых Облаках наблюдаются, в основном, источники I типа (см. стр. 696). Между тем у гигантской галактики М 31 в Андромеде, масса которой раза в 2 больше массы нашей Галактики, скорость образования молодых звезд из газово-пылевой среды невелика, что объясняет сравнительно небольшое количество обнаруженных там источников I типа.

Рентгеновские источники обнаружены и у галактик, более удаленных, чем туманность Андромеды. Например, 10 источников обнаружено в М 83 и 9 — в карликовой галактике М 33, находящейся в созвездии Треугольника. У более удаленных галактик пока нельзя наблюдать отдельные рентгеновские источники. Наблюдениям доступно только суммарное излучение всех источников, находящихся в данной галактике. На обсерватории «Эйнштейн» такое излучение удалось обнаружить от 35 из 43 исследованных галактик.

Рис. 23.2: Вверху: рентгеновские источники в туманности Андромеды (М 31). Внизу: рентгеновские источники в центральной части М 31 (фотография получена на обсерватории «Эйнштейн»).