Вселенная в гамма-лучах

Как известно, на протяжении весьма длительного времени астрономия была чисто «оптической» наукой. Человек изучал на небе то, что он видел - сперва невооруженным глазом, а затем с помощью телескопов. С развитием радиотехники родилась радиоастрономия, значительно расширившая наши знания о Вселенной. Наконец, в последние годы в результате появления космических средств исследования возникла возможность изучения и других электромагнитных вестников Вселенной - инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений. Астрономия превратилась во всеволновую науку.

Одним из новых методов исследования космических объектов является рентгеновская астрономия. Несмотря на то, что этот метод сравнительно молод, в настоящее время Вселенную уже невозможно представить себе без тех данных, которые получены благодаря наблюдениям в рентгеновском диапазоне.

Пожалуй, еще более многообещающим источником космической информации являются гамма-излучения. Дело в том, что энергия гамма-квантов может в сотни тысяч и миллионы раз превосходить энергию фотонов видимого света. Для таких гамма-квантов Вселенная фактически прозрачна. Они распространяются практически прямолинейно, приходят к нам от весьма удаленных объектов и могут сообщить чрезвычайно ценные сведения о многих физических процессах, протекающих в космосе.

Особенно важную информацию гамма-кванты способны принести о необычных, экстремальных состояниях материи во Вселенной, а именно такие состояния интересуют современных астрофизиков в первую очередь. Так, например, гамма-излучение возникает при взаимодействии вещества и антивещества, а также там, где происходит рождение космических лучей - потоков частиц высоких энергий.

Главная трудность гамма-наблюдений Вселенной заключается в том, что хотя энергия космических гамма-квантов и очень велика, но число этих квантов в околоземном пространстве ничтожно мало. Современные гамма-телескопы даже от самых ярких гамма-источников регистрируют примерно один квант за несколько минут.

Значительные трудности возникают и вследствие того, что первичное космическое излучение приходится изучать на фоне многочисленных помех. Под действием заряженных частиц космических лучей, приходящих на Землю,- протонов и электронов, начинают ярко «светиться» в гамма-диапазоне и земная атмосфера, и конструкции космического аппарата, на борту которого установлена регистрирующая аппаратура.

Как же выглядит Вселенная в гамма-лучах? Представьте себе на минуту, что ваши глаза чувствительны не к видимому свету, а к гамма-квантам. Какая картина предстала бы перед нами? Взглянув на небо, мы не увидели бы ни Солнца, ни привычных созвездий, а Млечный Путь выглядел бы узкой светящейся полоской. Кстати, подобное распределение галактического гамма-излучения подтвердило предположение, высказанное в свое время известным советским физиком академиком В. Л. Гинзбургом о том, что космические лучи имеют в основном галактическое, а не внегалактическое происхождение.

В настоящее время с помощью гамма-телескопов, установленных на космических аппаратах, зарегистрировано несколько десятков источников космического гамма-излучения. Пока еще нельзя точно сказать, что они собой представляют, - звезды ли это или другие компактные объекты, или, может быть, протяженные образования. Есть основания предполагать, что гамма-излучение возникает при нестационарных, взрывных явлениях. К числу таких явлений относятся, например, вспышки сверхновых звезд. Однако при обследовании 88 известных остатков сверхновых было обнаружено только два источника гамма-излучения.

В то же время зарегистрированы внегалактические источники гамма-излучения, связанные с активными галактиками и квазарами, где происходят взрывные процессы, в десятки миллионов раз более мощные, чем вспышки сверхновых. Не исключена возможность, что современная астрономия стоит на пороге открытия принципиально нового класса космических объектов, физическая природа которых нам еще неизвестна.

Весьма интересный гамма-источник был обнаружен также в созвездии Змееносца. В этом месте находится плотное газо-пылевое облако, внутри которого расположена группа молодых горячих вспыхивающих звезд. Зарегистрировано гамма-излучение и от другой туманности - туманности Ориона, в которой есть молодые звезды и где по некоторым данным наблюдается расширение систем таких звезд - звездных ассоциаций.

Согласно современным представлениям, вспышки сверхновых являются одним из заключительных этапов в жизни звезд. Вспышечные же явления, по-видимому, характерны для ранних этапов развития этих небесных тел Складывается впечатление, что гамма-излучение и порождающий его процесс образования космических лучей связаны не с умиранием звезд, а скорее с их рождением.

Регистрация космического гамма-излучения высокой энергии, в принципе, позволяет обнаруживать объекты, которые являются генераторами космических лучей, т. е. решить задачу, давно являющуюся одной из важнейших в астрофизике. Дело в том, что при взаимодействии энергичных ядер, входящих в состав космических лучей, с межзвездной средой, окружающей их источник, - частицами газа или пыли, - должны рождаться особые элементарные частицы, так называемые пиноль-мезоны. Частицы эти недолговечны и распадаются на гамма-кванты, которые и могут быть зарегистрированы с помощью гамма-телескопов. При этом гамма-свечение тем ярче, чем больше плотность космического излучения. Таким образом, наблюдения в гамма-диапазоне позволяют не только определять, где расположен объект, порождающий космические лучи, но и оценивать его интенсивность.

Источниками гамма-квантов являются и нейтронные звезды - пульсары. В частности, самая яркая «звезда» в гамма-диапазоне - пульсар, расположенный в созвездии Парусов, невидимый для оптических телескопов. Другая «гамма-звезда» отождествлена со знаменитым пульсаром в Крабовидной туманности. Однако каких-либо непосредственных доказательств того, что в пульсарах рождаются энергичные ядра и таким образом именно пульсары являются источниками космических лучей, пока нет. Скорее всего гамма-свечение пульсаров порождается быстрыми электронами.

Несколько лет назад с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и высотных аэростатах, были обнаружены сильные вспышки космического гамма-излучения. Поражала их огромная мощность. Энергия, выделяемая во время вспышек их таинственными источниками, примерно в миллион раз превосходила энергию светового излучения Солнца.

Хотя физическая природа этих явлений остается все еще неясной, есть определенные основания предполагать, что они могут быть связаны с процессами, происходящими в двойных системах, в состав которых входят нейтронные звезды. Не исключено, что мощные всплески гамма-излучений возникают в результате падения вещества, выброшенного одной из звезд в двойной системе на нейтронную звезду.

Дальнейшее изучение космического гамма-излучения должно дать ответы на многие вопросы, имеющие фундаментальное значение для понимания строения космических объектов и происходящих во Вселенной физических процессов. В частности, то обстоятельство, что гамма-кванты распространяются прямолинейно, открывает возможность не только обнаруживать очень далекие источники гамма-излучения, но и определять направления, в которых они находятся.

А поскольку механизм возникновения гамма-излучения связан с воздействием «нетепловых» частиц достаточно высокой энергии, то это излучение несет с собой чрезвычайно ценную информацию о физических процессах, происходящих в таких районах Вселенной, где существует высокая концентрация нетепловых частиц.