Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Естественно, что такое выдающееся явление, как импульсы космического гамма-излучения, стало объектом исследования также и на других спутниках. И хотя после первого известия об обнаружении загадочных импульсов прошло не так уж много времени, сейчас (1983 г.) кое-что прояснилось.

Прежде всего установлено, что спектр космических импульсов простирается в значительно более «мягкую» область, по крайней мере до 10 кэВ. Установлено также, что где-то около энергии квантов E₁

200 кэВ этот спектр довольно круто (экспоненциально) обрывается, в то время как для E < E₁ спектр убывает с ростом E по степенному закону F

F^–

, где

,5, и меняется как для разных источников, так и для одного и того же источника с течением времени. В последнем случае, по-видимому, «жесткость» спектра растет вместе с ростом потока.

Очень интересна «временная» структура импульсов. Они состоят из отдельных весьма интенсивных «всплесков» длительностью около секунды, разделенных промежутком времени

10 с. Полная длительность импульсов, как уже говорилось выше, порядка нескольких десятков секунд. Во время «всплеска» поток излучения достигает максимума очень быстро, за время во всяком случае меньшее, чем 0,1 с. Это означает, что линейные размеры излучающей области довольно незначительны, меньше 10 000 км.

Всплески, в течение которых излучается энергия > 10^{– 4} эрг/см², наблюдаются один раз в несколько месяцев. Естественно, что всплески, при которых выделяется меньшая энергия, должны наблюдаться значительно чаще, так как они должны исходить от более удаленных, а потому и более многочисленных источников.

Учитывая наблюдаемые свойства импульсов жесткого излучения, вряд ли, по нашему мнению, их можно считать метагалактическими объектами. В принципе, мощное жесткое излучение можно ожидать при вспышках сверхновых звезд. Однако никакой корреляции между вспышками сверхновых, имевшими место в других галактиках за последние несколько лет, и импульсами жесткого излучения не обнаружено. В этой связи заметим, что в 1972 г. вспыхнула сверхновая в довольно близкой к нам галактике NGC 5253 (см. § 15). Никакого импульса жесткого излучения, однако, при этом обнаружено не было.

Определение координат космических импульсных гамма-источников является довольно сложной задачей. Это можно сделать, в принципе, зная моменты регистрации начала импульсов на разных детекторах, удаленных друг от друга на как можно большее расстояние. Чем больше расстояние, тем выше точность локализации источников на небе.

В 1978 г. на борту двух советских межпланетных станций «Венера-11» и «Венера-12» были установлены детекторы мягкого гамма-излучения. Там же были установлены приборы для регистрации моментов времени с точностью 2—3 миллисекунды. Одновременно на околоземной орбите находился советский спутник «Прогноз-7», на котором была установлена такая же аппаратура. Эти наблюдения проводились в содружестве с французскими учеными.

Всего за 1¹/₂ года работы удалось наблюдать свыше 150 гамма-импульсов. В отдельных случаях их координаты определялись с точностью, превосходящей 1

. Особенно интересны были наблюдения исключительно мощного всплеска 5 марта 1979 г., у которого удалось выявить 8-секундную периодичность в потоке излучения. Это доказывает, что излучают вращающиеся нейтронные звезды. Большой интерес представляют десятки спектров гамма-импульсов, анализ которых пока не закончился. В высшей степени важно то, что ни одного оптического объекта до 23 звездной величины на месте гамма-импульсных источников пока не найдено. Это может означать, что вспышки связаны с одиночными нейтронными звездами. В противном случае наблюдался бы оптический компонент двойной системы.

Тем больший интерес представляют результаты анализа старых пластинок Гарвардского Патруля, на которых была сфотографирована область неба, где 19 ноября 1978 г. наблюдался яркий гамма-импульс. Координаты источника этого импульса были измерены на космических аппаратах «Венера-11» и «Венера-12» с точностью, превосходящей 1

. Эта область фотографировалась 17 ноября 1928 г. Всего последовательно были получены 4 пластинки, причем время экспозиции каждой из них было 40^m. На второй пластинке, в точности на том же месте, где спустя полвека наблюдался гамма-импульс, было получено довольно яркое пятнышко, соответствующее звездному объекту 10-й величины. На остальных пластинках никаких объектов ярче 15-й величины не было. Тщательный анализ удивительного пятнышка позволил прийти к выводу, что наблюдалась вспышка оптического излучения, длительность которой была во всяком случае меньше 10 минут. Недавно выполненные наблюдения на большом оптическом телескопе обнаружили на месте гамма-вспышки 19 ноября 1928 г. очень слабый объект 23-й величины.

Вряд ли можно сомневаться в том, что 17 ноября 1928 г. наблюдалась вспышка оптического излучения, скорее всего сопутствующая гамма-импульсу. Жалко, конечно, что тогда не было гамма-астрономии... Важным результатом описанных наблюдений является установление повторности вспышек. В случае явления 19 ноября 1978 г. интервал времени между импульсами, вероятно, меньше 50 лет или равен этой величине. Любопытно, что из всех гамма-импульсов, зарегистрированных на советских автоматических межпланетных станциях, не было ни одного «повторяющегося», т. е. принадлежащего одному и тому же источнику. Это обстоятельство имеет большое значение для оценки полного количества источников импульсного гамма-излучения.

При современной чувствительности детекторов этого излучения можно зарегистрировать (в среднем, конечно) 1 импульс в день. Если за пару лет работы детекторов не было замечено ни одного повторного импульса, то для данного источника средний интервал между ними заведомо превосходит 2—3 года. С другой стороны, в случае явления 19 ноября 1978 г. этот интервал, как мы видели, равен (или меньше) 50 годам. Можно, очень грубо, конечно, принять, что средний интервал между гамма-импульсами у источников составляет примерно 10 лет. За это время с современными средствами можно было наблюдать

3000 источников. Но все они (в среднем) — сравнительно близкие объекты. Из распределения источников импульсного излучения по небу следует, что никакой реальной концентрации их к галактической плоскости нет. Это означает, что даже слабейшие из них находятся от нас на расстоянии, меньшем, чем половина толщины «диска», соответствующего их пространственному распределению. Так как потоки излучения от самых ярких гамма-импульсов в несколько сот раз больше, чем от самых слабых, то последние находятся от нас в среднем в 20—30 раз дальше, чем самые близкие (и, следовательно, в среднем самые яркие) источники. Например, если самые близкие источники импульсного гамма-излучения удалены на расстояние

30 пс (расстояние до ближайших пульсаров), то самые слабые (т. е. в среднем далекие) будут находиться на расстоянии

1000 пс. Следовательно, мы можем наблюдать импульсные источники внутри сферы радиуса

1000 пс, что составляет

3

10^{– 4} объема Галактики. Значит, полное количество импульсов в Галактике за 10 лет составляет

10⁷. Одновременно мы таким образом получаем оценку полного количества источников импульсного гамма-излучения, так как среднее время между импульсами у одного источника выше было принято равным

10 годам.

Наша оценка, конечно, является очень грубой, а главное — содержит произвольные элементы (например, расстояние до ближайших источников). Дальнейшие наблюдения, особенно более слабых импульсов, позволят эту оценку существенно уточнить. Тем не менее уже сейчас видно, что полное число источников импульсного гамма-излучения в Галактике очень велико: оно заключено, вероятно, между 10⁶ и 10⁸. Ничего удивительного в этом нет. Вряд ли можно теперь сомневаться в том, что источниками импульсного гамма-излучения являются нейтронные звезды, число которых в Галактике должно быть очень велико,

10⁸. Это следует из частоты вспышек сверхновых II типа, в результате которых и образуются нейтронные звезды. Создается впечатление, что существенная, если не большая часть нейтронных звезд, когда-либо образовывавшихся в Галактике, время от времени излучает гамма-импульсы. Речь идет, главным образом, о старых объектах, возраст которых исчисляется многими миллиардами лет. Мы приходим к представлению, что более или менее периодически повторяющиеся всплески мягкого гамма-излучения есть фундаментальное свойство нейтронных звезд. Таким же свойством является их радиоизлучение, проявляющееся в феномене пульсаров. Однако, как мы видели в § 21, пульсары — это сравнительно молодые нейтронные звезды, возраст которых 2—3 миллиона лет, между тем как способность к импульсному гамма-излучению нейтронные звезды, по-видимому, сохраняют «до глубокой старости», когда их возраст исчисляется уже миллиардами лет.

Пока вопрос о причине самого явления гамма-всплесков у нейтронных звезд покрыт густым туманом. Можно только высказывать разного рода гипотезы. При всех условиях важно оценить энергетические соотношения. Если принять, что расстояние до ближайших источников импульсов около 30 пс, а поток энергии в импульсе

10^{– 4} эрг/см², то полная энергия излучения будет

10³⁷ эрг. За несколько миллиардов лет будет излучено

3

10⁴⁵ эрг — величина, ничтожно малая по сравнению с энергией гравитационной связи нейтронной звезды (

10⁵³ эрг). Квазипериодический характер явления наводит на мысль о постепенном накоплении какой-то неустойчивости, которая время от времени как бы «сбрасывается». Вполне возможно, что существует глубокая связь между описанными в § 21 «звездотрясениями» и всплесками гамма-излучения. Такое «звездотрясение» может привести к сильнейшему возмущению магнитосферы нейтронной звезды, стимулирующему всплеск гамма-излучения. Другая гипотеза исходит из аналога «вулканического извержения», когда богатая нейтронами неравновесная материя недр нейтронной звезды прорывается через «трещины» на ее поверхность...

Только будущие наблюдения помогут сделать правильный выбор между различными, как правило, довольно экзотическими возможностями объяснения природы космических гамма-импульсов.

1975 год в рентгеновской астрономии прошел под знаком рентгеновских всплесков. Одновременно работающие три спутника — «АНС», «SAS-3» (США) и «Ариэль» (Англия) непрерывно получали богатый наблюдательный материал. Было установлено, что всплески, исходящие от NGC 6624, почти периодичны; наблюдалась последовательность всплесков, разделенных промежутками времени 0,22 суток. Впрочем, через месяц этот интервал сильно укоротился. Вскоре были обнаружены рентгеновские всплески от других шаровых скоплений, например, NGG1851, NGC 6388, NGC6541 и ряда других. Очень интересный источник рентгеновских всплесков был обнаружен около галактического центра. «Квазипериод» рентгеновских всплесков в этом случае оказался рекордно коротким, около 17 с. От этого источника уже наблюдалось несколько тысяч импульсов (см. рис. 23.15).