Астрономия
Космическая лаборатория термоядерных взрывов
И.В. ЧЕЛОВЕКОВ,
кандидат физико-математических наук
ИКИ РАН
Возможности международной космической обсерватории "Интеграл" (ESA; Земля и Вселенная, 2003, № 2), работающей в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне, позволяют обнаруживать новые рентгеновские барстеры - нейтронные звездыI, которые входят в состав двойным систем и на поверхности которын периодически происходят термоядерные взры/выI. Такие
системыi служат удобны-
ми "лабораториями" по изучению поведения вещества в условиях сильной гравитации и высоких давлений и температур. К 2008 г. обсерватория "Интеграл" зарегистрировала десятки гамма-всплесков и открыла несколько рентгеновских барстеров. На основе ее данны/х создан каталог источников всплесков рентгеновского излучения I рода.
ПРИРОДА ДВОЙНЫХ СИСТЕМ
Еще в 1930-х гг. было предсказано существование нейтронных звезд, то есть звезд, основную часть вещества которых составляют нейтроны. На начальной стадии своего существования все звезды содержат большое количество водорода. За счет гравитационного сжатия звезды температура и плотность в ее недрах возрастают до значений, достаточных для про-
текания термоядерного горения водорода. Возникающее при этом давление излучения останавливает дальнейшее гравитационное сжатие звезды. На данной стадии, на которой сейчас находится, например, Солнце, водорода еще много - он составляет почти три четверти массы нашей звезды. Однако со временем весь водород выгорает и превращается в гелий. Реакции термоядерного синтеза могут идти и далее
вплоть до железа, выделяя при этом энергию, необходимую для сдерживания гравитационного сжатия. Когда все термоядерное топливо сгорает и давление гравитационного сжатия сдерживать уже нечем, происходит гравитационный коллапс -быстрое сжатие звезды, при котором ее радиус уменьшается в сотни и тысячи раз. В зависимости от своей начальной массы звезда может превратиться в белый карлик,
© Человеков И.В.
23
нейтронную звезду (ее гравитационное сжатие будет остановлено давлением вырожденных фер-мионов - электронов или нейтронов) или в черную дыру, которая звездой в привычном для нас смысле уже не является.
Нейтронные звезды с их необычными свойствами представляют огромный интерес для астрофизиков. Их масса близка к массе Солнца, но радиус составляет лишь около 10 км (для сравнения: радиус Солнца - 7 • 105 км). Таким образом, плотность вещества нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра. Земля, сжатая до такой плотности, уменьшилась бы до размера спичечного ко-
робка. Гравитационное поле на поверхности такой звезды оказывается в сотни миллиардов раз сильнее, чем на поверхности Земли. Чтобы исследовать процессы,происходящие вблизи поверхности нейтронных звезд, необходима уникальная лаборатория, которую нельзя создать на Земле. В ней можно исследовать, например, эффекты теории относительности, поведение вещества в условиях высоких плотностей материи и энергии.
В соответствии с современными представлениями, большинство ярких компактных источников рентгеновского излучения в нашей Галактике -это двойные системы, со-
Так, по представлению художника, может выглядеть двойная система Лебедь Х-1. В этой системе вещество с голубого гиганта (слева) аккрецирует на черную дыру, и образуется аккреционный диск. Рисунок М. Корнмес-сера. ЕвА/ЕОР.
стоящие из нормальной звезды и компактного объекта - нейтронной звезды или черной дыры. Во многих из этих систем происходит процесс аккреции - перетекание вещества с обычной звезды на компактный объект. В результате вокруг компактного объекта возникает аккреционный диск. Если компактным объек-
Вероятно, так выглядит двойная система, в которой крохотная, но очень плотная нейтронная звезда (слева) перетягивает вещество с гигантской звезды-компаньона, образуя вокруг себя аккреционный диск. Рисунок. NASA.
том в системе является нейтронная звезда со слабым магнитным полем (менее 109 Гс; например, пульсары обладают сильным полем - 1012 Гс и более), то аккрецируемое вещество скапливается на ее поверхности и формирует пласт, температура и плотность в основании которого достаточны для термоядерной детонации вещества. При определенных условиях термо-
ядерное горение становится неустойчивым, что приводит к взрывному выделению энергии, которое мы наблюдаем в виде рентгеновского всплеска I рода. Светимость системы в спокойном состоянии, составляющая 10361037 эрг/с в момент такого всплеска, может возрастать на два-три порядка и даже достигать критического (эддингтоновского) уровня. Давление излучения, возникающего при выпадении вещества на поверхность нейтронной звезды, в этом случае сможет компенсировать давление, оказываемое на аккреци-руемое вещество силой притяжения к нейтронной звезде. В рентгеновском диапазоне наблюдаются солнечные вспышки, космические гамма-всплески
и активность источников повторных всплесков (магнетаров). Регистрируются также отдельные события, связанные с нестационарностью аккреции в двойных системах, относящиеся к всплескам II рода. Они возникают в маломассивных рентгеновских двойных и в массивных системах с аккрецией из неоднородного звездного ветра звезды-спутника. По сравнению с ними рентгеновские всплески I рода и их источники представляют особый интерес для исследования в связи с их очень специфичными свойствами. Они несут информацию о процессах, происходящих у самой поверхности нейтронной звезды в условиях действия сверхсильных гравитационного поля и дав-
- кодирующая маска ^М-Х - кодирующая маска Оитический монитор (ОМС)
Звездные датчики
Спектрометр (SPI)
ЭВМ и электроника обеспечения работы приборов
Детектор телескопа
IBIS_
Детектор рентгеновского телескопа JEM-Xl
ЭВМ и электроника обеспечения работы приборов
Панель детектора
Авионика системы -ориентации
-Батареи
Топливные баки
Блок управления энергоснабжением
Реактивное колесо наведения КА
Датчики ориентации
Служебный модуль.
Аппаратура обработки данных связи_
Солнечные батареи
Расположение научных приборов и систем на международной астрофизической орбитальной обсерватории "Интеграл". Рисунок. ESA.
ления, сверхвысоких температур и релятивистских скоростей. Получение информации о таких всплесках, наряду с регистрацией когерентных пульсаций, служит одним из важнейших и самых надежных критериев идентификации природы компактного объекта (нейтронной звезды) в рентгеновских двойных системах. Часто всплески наблюдаются от слабых рентгеновских или транзи-ентных источников во время их низкого состояния. Поток постоянного рентгеновского излучения от них находится ниже уровня уверенной регистрации современными широкоугольными рентгеновскими приборами. Такие источники могут быть обнаружены лишь во время всплесков, когда их рентгеновская светимость на короткое время возрастает в десятки и сотни раз. Барстеры (источники рентгеновских всплесков I рода) иногда открывают случайно во время длительных наблюдений или обзоров,проводимых сверхчувствительными зеркальными рентгеновскими телескопами. Однако распознать их природу в этом случае намного сложнее.
ГАММА-ОБСЕРВАТОРИЯ "ИНТЕГРАЛ"
Мы расскажем о поиске новых рентгеновских бар-стеров по данным телескопа IBIS космической обсерватории "Интеграл". Международная астрофизическая гамма-обсерватория "Интеграл" ("INTEGRAL" - (INTErnational
Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) была выведена 17 октября 2002 г. на высокоапогейную орбиту (высота 152 490 км и период обращения 66 ч 19 мин), на которой работает до сих пор. Столь вытянутая орбита и большая высота перигея позволяют проводить практически непрерывные наблюдения со спутника (85% времени) в условиях постоянного фона вне радиационных поясов Земли. Эта обсерватория предназначена для решения задач ядерной астрофизики и исследования широкополосных спектров черных дыр и нейтронных звезд в рентгеновском и гамма-диапазоне. Помимо прочих научных приборов она оснащена двумя уникальными широкоугольными телескопами. Напомним, что в состав научной аппаратуры обсерватории входят рентгеновский и гамма-телескоп IBIS (диапазон 15 кэВ-10 МэВ), гамма-спектрометр SPI (20 кэВ-8 МэВ), рентгеновский телескоп JEM-X (3-35 кэВ) и оптический монитор ОМС (500-850 нм). Телескоп IBIS обладает полем зрения около 1000 квадратных градусов, угловым разрешением в несколько минут дуги и позволяет за несколько часов наблюдений достигать чувствительности порядка 1 мКраб (единица измерения постоянного потока излучения от Кра-бовидной туманности принята за 1 Краб). Значительная часть времени посвящена непрерывным наблюдениям области галактического центра и га-
лактической плоскости, где сосредоточена основная масса старых звезд Галактики, поэтому "Интеграл" как нельзя лучше подходит для решения подобной поисковой задачи.
Телескоп IBIS космической обсерватории "Интеграл" предназначен для наблюдения всех известных классов источников гамма-излучения от самых компактных галактических до внегалактических объектов. Прибор обладает широкими возможностями в построении изображений участков неба, попадающих в его поле зрения, а также высокой спектральной чувствительностью как в узких линиях, так и в континууме.
IBIS представляет собой детектор гамма-лучей, который при помощи кодирующей маски может строить изображения участков неба в поле зрения прибора с высоким разрешением. Кодирующая маска сделана из прозрачных и матовых элементов, расположенных в определенной последовательности. За кодирующей маской находятся два слоя различных работающих одновременно детекторов. Детекторы IBIS содержат большое число маленьких полностью независимых чувствительных элементов. Верхний слой ISGRI состоит из 128 х 128 твердотельных полупроводниковых кадмиево-теллури-евых (CdTe) детекторов, нижний PICsIT - из сцин-тилляционных кристаллов цезий-йод (Csl). В случае использования обоих слоев определяются трехмер-
IV) 00
Mrk 421 Mrk231
NGC 4151 Coma NGC 5549
P_- SÖ A'i r-й Шъ гж
S50716+7,4 Abel1225^ -Mrk501W ^ " V
3C 273 3C279
Cas A
Perseus
• •Xl * M31 ;l
Cygnus
'fm
t ^
ScoX-1
X4"
-V. field
E«29A> ^ ^
arj
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.