Рентгеновский фон
Рентгеновское излучение — вестник экстремальных физических процессов, а летающие рентгеновские телескопы предлагают виды на бурные области космоса, от окрестностей черных дыр до нагретого до миллионов градусов газа в галактических скоплениях. Такие объекты вместе создают бледное рентгеновское свечение в небе, которое называется рентгеновским фоном.
Прогресс в астрономии часто связан с открытием новых диапазонов наблюдения. Галилей смотрел в телескоп, а радиоастрономы открыли новые явления, в том числе и черные дыры, при помощи радиоприемников, настроенных на космические сигналы. На другом конце электромагнитного спектра — рентгеновские лучи. Через десятилетия после рождения радиоастрономии появилась рентгеновская астрономия.
Рентгеновские лучи формируются в экстремальных областях космоса — чрезвычайно горячих или пронизанных магнитными полями. Они очень интересны астрономически — от скоплений галактик до нейтронных звезд. Тем не менее, рентгеновские лучи уловить телескопом затруднительно, поскольку в их фотонах очень много энергии. Как мы знаем из их медицинского применения, рентгеновские лучи проходят сквозь почти любую толщу мягких тканей человеческого тела. Если направить их на зеркало, они не отражаются, а входят в него, как пуля в стену. Поэтому рефлекторные телескопы для фокусировки рентгеновских лучей бесполезны. Не сработают и стеклянные линзы. Управлять рентгеновскими лучами можно, лишь отражая их от зеркала под маленьким скользящим углом, тогда они отскакивают, как пинг-понговый шарик, и их удается сфокусировать. Таким образом, рентгеновские лучи можно согнать воедино посредством нескольких специальных изогнутых отклоняющих зеркал, поверхность которых часто покрывают золотом, чтобы максимизировать отражательную способность.
Космическое рентгеновское излучение
Рентгеновские лучи из космоса поглощает и наша атмосфера. Поэтому, чтобы увидеть Вселенную в рентгеновских лучах, астрономам пришлось ждать эры спутников. В 1962 году американский астроном итальянского происхождения Риккардо Джаккони с коллегами запустил в космос детектор и увидел первый источник рентгеновского излучения помимо Солнца — нейтронную звезду Скорпион X-1. Через год они запустили первый фокусирующий рентгеновский телескоп (по случайному совпадению примерно такого же размера, как телескоп Галилея 1610 года). Астрономы произвели приблизительные наблюдения солнечных пятен и сделали снимок Луны в рентгеновских лучах.
Изображение Луны оказалось неожиданным. Сама Луна была частично освещена, темная с одной стороны и светлая с другой, как и можно было ожидать от ее фазы и солнечного света, отраженного от ее поверхности. Но небо позади нее не было темным — оно тоже светилось. Поймать рентгеновские лучи так непросто, что эти изображения строятся из отдельных фотонов, и фоновое небо показало больше фотонов, чем темная сторона Луны, заслоняющая его. Джаккони открыл рентгеновский фон.
Рентгеновский фон
Хотя оба возникают на космических расстояниях, рентгеновский фон отличается от микроволнового. Первый происходит в основном от многих отдельных звезд и галактик и слит воедино — так же, как Млечный Путь состоит из многих звезд, но для невооруженного глаза выглядит как равномерная полоса. А микроволновый фон космоса — реликтовое излучение Большого взрыва, которое пронизывает космос и не связано с конкретными галактиками. Выяснение, откуда идут эти рентгеновские лучи, потребовало десятилетий работы и несколько дальнейших миссий. Последние измерения происходят из космической обсерватории «Чандра» (НАСА), которой хватает остроты зрения на рентгеновский фон.
На сегодня астрономы раскрыли более 80% источников объединенного рентгеновского фона; есть подозрение, что остальные 20% имеют то же происхождение, но источники пока найти не удалось. Через сорок лет после Джаккони было обнаружено более 100 000 источников рентгеновского излучения, самый удаленный — в 13 миллиардах световых лет от Земли.
«Сначала это казалось новым типом незримого света. Это явно было что-то новое, что-то невиданное» Вильгельм Конрад Рентген, из интервью для журнала «Макклюр», 8 ноября 1895 г.
Вильгельм Рентген (1845-1923)
Вильгельм Рентген родился в области Нижний Рейн (в то время — территория Германии) и ребенком переехал в Нидерланды. Учился физике в Утрехте и Цюрихе и работал во многих университетах, а затем стал профессором в университете Вюрцбурга, позднее — Мюнхена. Рентген занимался физикой высоких температур и электромагнетизмом, но прославился открытием Х-лучей в 1895 году. Пропуская электричество через разреженный газ, он увидел, что покрытый солью бария экран светится в эксперименте, проводимом в полной темноте. Эти новые лучи проходили сквозь многие материалы, в том числе и руку жены ученого, помещенную перед фотографической пластинкой.
Рентген назвал их икс-лучами, поскольку их источник был неизвестен. Позже было доказано, что это электромагнитные волны — такие же, как свет, только с большей частототой.
Суровая физика
Рентгеновские лучи исходят от целого ряда астрономических объектов. Лучи формируются в газе, разогретом до миллионов градусов, что наблюдается в областях с сильными магнитными полями, экстремальной гравитацией или при взрывах. Среди крупнейших объектов — скопления галактик; горячий газ, заполняющий их, распространяется на миллионы световых лет и содержит, вероятно, достаточно материи, чтобы хватило на сотни триллионов звезд. Черные дыры испускают рентгеновские лучи: квазары и активные галактики — очень яркие источники, их видно через всю Вселенную. По сути, присутствие точечного источника рентгеновских лучей в центре галактики выдает там черную дыру.
Благодаря спутнику «Чандра» астрономы добавили рентгеновские изображения к обзорам галактик на разных длинах волн, включая Hubble Deep Field и части других небесных обзоров. Применяя распознание по рентгеновскому излучению, ученые смогли определить множество черных дыр во Вселенной за миллиарды лет. Такие обзоры подсказывают, что активные галактики с аккрецирующими черными дырами были более распространены в прошлом и что со времен расцвета черных дыр их активность уменьшилась. Эта закономерность — как и вероятность, что в прошлом звезды формировались быстрее, — может означать, что в молодой Вселенной столкновения галактик были обычным делом.
Звезды некоторых видов сияют и в рентгеновских лучах. Взрывающиеся звезды и сверхновые выдают энергетическую эмиссию; то же наблюдается и у схлопнувшихся звезд — раздавленных собственным тяготением: при горении их ядер они преобразуются в плотные тела — например, нейтронные звезды и белые карлики. В предельном случае звезда сжимается напрямую в черную дыру — рентгеновские лучи были обнаружены всего лишь в 90 километрах от горизонта событий звездной черной дыры.
Поскольку молодые звезды горячее, они сильнее излучают в рентгеновском диапазоне, чем наше Солнце. Но Солнце тоже испускает рентгеновские лучи — внешними слоями, особенно короной, очень горячей и пронизанной сильными магнитными полями. Рентгеновские изображения полезны в исследованиях турбулентности и вспышек звезд, а также перемен в поведении звезд по мере их старения. Одни из мощнейших рентгеновских источников в нашей Галактике — близкие бинарные системы, то есть пары звезд, где одна или обе — схлопнувшиеся звезды. Сжатая звезда часто всасывает газ от другой звезды, и пара делается очень активной системой.
Космическая обсерватория «Чандра»
Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» (НАСА) была запущена в космос в 1999 году. Рикошетящие фотоны рентгеновских лучей телескоп улавливает зеркалами, которые больше похожи на бочки, чем на вогнутые зеркала оптических телескопов. Четыре пары зеркал отполированы так гладко, что их поверхности выверены до нескольких атомов (такова была бы гладкость Земли, если бы самая высокая гора была высотой 2 метра). Затем рентгеновские лучи направляют на четыре инструмента, которые измеряют их количество, энергию, направление и время прибытия.
