Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"
Автор книги: София Баюн
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 20 страниц)
Розділ 10
Рентгенівські промені з космосу
Небо завжди і вдень, і вночі викликало багато запитань у людей, які ще здавна прагнули зрозуміти світ навколо, і це одна із причин, чому фізиків так причаровувала астрономія. «Що таке Сонце? — розмірковуємо ми. — Чому воно рухається?» І що таке Місяць, планети й зорі? Подумайте, скільки часу й знань знадобилося нашим предкам, щоб усвідомити, що планети відрізняються від зір, що вони обертаються навколо Сонця і за їхніми орбітами можна спостерігати, їх можна позначити на карті, пояснити й передбачити. Багато з найвизначніших учених XVI–XVII століть, зокрема Миколай Коперник, Галілео Галілей, Тихо Браге, Йоганн Кеплер, Ісаак Ньютон, звертали погляд до неба, намагаючись викрити ці нічні таємниці. Уявіть захват Галілея, коли він, спрямувавши телескоп на Юпітер, який здавався просто світловою цяткою, побачив навколо його орбіти чотири маленькі супутники. І водночас учені, напевно, дуже засмучувалися, що вони так мало знають про зорі, які щоночі з’являються на небі. Цікаво, що і давньогрецький учений Демокріт, і астроном XVI століття Джордано Бруно припускали, що зорі схожі на наше Сонце, але в них не було доказів, які підтвердили б цю гіпотезу. Що ж таке зорі? Як вони тримаються на небі? Яка до них відстань? Чому деякі з них яскравіші? Чому вони різних кольорів? І що це за широка смуга світла простягається через усе небо, яку видно в ясну ніч?
Історія астрономії та астрофізики стала пошуком відповідей на ці ті інші запитання, які виникали, щойно ми отримували деякі відповіді. Протягом останніх чотирьох століть можливості астрономів залежали, звісно, від потужності й чутливості їхніх телескопів. Винятком був лише Тихо Браге, який здійснив дуже детальні спостереження неозброєним оком, за допомогою найпростішого обладнання, що врешті привели Кеплера до трьох великих відкриттів, відомих як закони Кеплера.
Більшість цього часу в нас не було жодних телескопів, окрім оптичних. Розумію, що для неастронома це звучить вельми дивно. Коли ви чуєте про телескоп, то одразу уявляєте «трубку з лінзами й дзеркалами, через яку ви дивитеся», правильно? Хіба можуть бути якісь інакші телескопи? Коли в жовтні 2009 року президент Обама влаштовував ніч астрономії, на галявині біля Білого дому встановили багато телескопів, і геть усі були оптичними.
Але ще від 1930-х, коли Карл Янський відкрив радіохвилі з галактики Чумацький Шлях, астрономи прагнули розширити діапазон електромагнітного випромінювання, у якому вони спостерігають Всесвіт. Вони довго шукали (і знайшли) мікрохвильове випромінювання (короткі радіохвилі), інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання (частоти, вищі й нижчі за частоти видимого світла), рентгенівські та гамма-промені. Щоб виявити це випромінювання, ми створили безліч спеціальних телескопів — наприклад, рентгенівські й гамма-телескопи, — що дають змогу людству глибше й ширше побачити Всесвіт. Існують навіть підземні нейтринні телескопи, зокрема один такий, із цілком слушною назвою «Крижаний куб» (IceCube), зараз будують на Південному полюсі.
Останні сорок п’ять років, відколи я в астрофізиці, я працював у галузі рентгенівської астрономії: відкривав нові джерела рентгенівського випромінювання та досліджував різноманітні спостережувані явища. Як я вже казав, початок моєї кар’єри припав на п’янкі та захопливі перші роки існування цього напрямку, і наступні сорок років я був у гущі подій. Рентгенівська астрономія змінила моє життя і, що важливіше, саму астрономію. У цьому й наступних чотирьох розділах ви познайомитеся зі всесвітом рентгенівської астрономії з точки зору людини, яка жила й працювала в ньому всю свою наукову кар’єру. Почнімо з рентгенівських променів.
Що таке рентгенівські промені?
Англійською рентгенівські промені називають Х-променями, тому що спершу вони були «невідомі» (подібно до x у рівнянні), але це звичайнісінькі фотони — електромагнітне випромінювання, — що є частиною невидимого електромагнітного спектра і розташовані між ультрафіолетовим світлом і гамма-променями. Голландці та німці називають Х-промені рентгенівськими, на честь німецького фізика Вільгельма Рентгена, який відкрив їх у 1895 році. Ми розрізняємо їх, як і решту мешканців цього спектра, за трьома різними, але пов’язаними характеристиками: частотою (кількість циклів за секунду, вимірюється в герцах), довжиною хвилі (довжина окремої хвилі, вимірюється в метрах, у нашому випадку — у нанометрах) або рівнем енергії (вимірюється в електрон-вольтах, еВ, або кілоелектрон-вольтах, кеВ).
Ось кілька цифр для порівняння. Зелене світло має довжину хвилі приблизно 0,0000005 метра, або 500 нанометрів, і енергію приблизно 2,5 електрон-вольта. Фотон найслабкішого рентгенівського випромінювання має енергію близько 100 еВ, тобто в 40 разів більше, ніж у зеленого світла, а довжина хвилі приблизно 12 нанометрів. Максимальна енергія рентгенівських променів — орієнтовно 100 кеВ за довжини хвилі 0,012 нанометра. (У стоматологічних кабінетах використовують промені з енергією до 50 кеВ). На іншому кінці спектра електромагнітних хвиль — радіохвилі. У Сполучених Штатах радіопередачі транслюються в АМ-діапазоні, від 520 кілогерців (довжина хвилі — 577 метрів) до 1710 кілогерців (довжина хвилі — 175 метрів, приблизно як дві довжини футбольного поля). Їхня енергія в мільярд разів менша, ніж у зеленого світла, і в трильйон разів менше, ніж у рентгенівських променів.
У природі рентгенівські промені можуть виникати по-різному. Атоми більшості радіоактивних елементів випромінюють їх під час ядерного розпаду. При цьому електрони перестрибують з вищого енергетичного рівня на нижчий. Різниця в енергії може випромінюватися як рентгенівський фотон. Такі фотони мають дискретні величини енергії, тому що енергетичні рівні електронів квантовані. Іноді електрони, пролітаючи на великій швидкості повз ядро, змінюють напрямок і випускають частину своєї енергії у вигляді рентгенівських променів. Такий тип рентгенівського випромінювання, дуже поширений в астрономії та медичних рентгенівських апаратах, називають гальмівним випромінюванням. Краще зрозуміти виникнення гальмівного випромінювання допоможе це анімоване відео: cutt.ly/7tLyIr. Деякі медичні апарати можуть створювати й рентгенівське випромінювання дискретних енергій, але загалом переважає гальмівне випромінювання, яке дає неперервний рентгенівський спектр. Коли високоенергетичні електрони рухаються по спіралі навколо ліній магнітного поля, напрямок їхньої швидкості постійно змінюється, і тому вони також випромінюватимуть частину своєї енергії у вигляді рентгенівських променів. Це називають синхротронним, або магнітогальмівним, випромінюванням (те, що відбувається у Крабоподібній туманності, — про це трохи згодом).
Рентгенівські промені також виникають, коли щільна речовина нагрівається до дуже високих температур — мільйонів кельвінів. Це так зване випромінювання чорного тіла (див. розділ 14). Матерія розжарюється так сильно тільки в досить екстремальних випадках, таких як спалах наднової — потужний вибух, пов’язаний із загибеллю масивної зорі, — або коли газ із величезною швидкістю падає на чорну діру або нейтронну зорю (докладніше про це в розділі 13, обіцяю). Наприклад, Сонце, поверхня якого має температуру приблизно 6000 кельвінів, випромінює майже половину своєї енергії (46 відсотків) у вигляді видимого світла. Решта — це переважно інфрачервоне (49 відсотків) та ультрафіолетове (5 відсотків) випромінювання. Сонце й близько не таке гаряче, щоб випромінювати в рентгенівському діапазоні. Насправді воно випромінює певну кількість рентгенівських променів, природа яких не цілком зрозуміла, але їхня енергія становить лише одну мільйонну частку загальної енергії. Ваше тіло — джерело інфрачервоного випромінювання (див. розділ 9); його температура не достатньо висока для видимого світла.
Рентгенівські промені мають дуже цікаву (і корисну) особливість — деякі речовини (наприклад, кістки) поглинають їх більше, ніж інші (скажімо, м’які тканини), що пояснює світлі й темні ділянки на рентгенівському знімку ваших зубів або руки. Якщо ви колись робили рентген, то на вас одягали свинцевий фартух для захисту решти тіла, тому що вплив рентгенівського випромінювання може збільшити ризик онкологічних захворювань. Загалом пречудово, що наша атмосфера ефективно поглинає рентгенівське випромінювання. На рівні моря приблизно 99 відсотків м’якого (з енергією 1 кеВ) рентгенівського випромінювання поглинається лише одним сантиметром повітря. Щоб поглинути 99 відсотків променів з енергією 5 кеВ, потрібно приблизно 80 сантиметрів повітря. Жорстке рентгенівське випромінювання, 25 кеВ, майже повністю поглинається шаром повітря у 80 метрів.
Народження рентгенівської астрономії
Тепер ви розумієте, чому тоді, у 1959 році, коли Бруно Россі вирішив пошукати рентгенівські промені з відкритого космосу, він запропонував запустити ракету, що зможе вийти за межі атмосфери. Але сама ідея пошуку рентгенівських променів була схожа на якесь божевілля. Тоді не було жодних обґрунтованих причин вважати, що в космосі є рентгенівське випромінювання поза межами Сонячної системи. Але це не був би Россі, якби він не зумів переконати свого колишнього студента Мартіна Енніса, який працював у компанії American Science and Engineering (AS&E), і дослідника зі своєї групи Ріккардо Джакконі, що за це варто взятися.
Джакконі зі своїм колишнім колегою Френком Паоліні розробили спеціальні трубки Гейгера‒Мюллера, що виявляли рентгенівське випромінювання й кріпилися в носовій частині ракети. Власне, вони встановили три такі трубки в одну ракету. Вони назвали їх детекторами великої площі, але «великий» тоді означало завбільшки із кредитну картку. Згодом хлопці з AS&E взялися за пошуки фінансування цього експерименту, але NASA їм відмовило.
Тоді Джакконі змінив проект, додавши в нього як об’єкт дослідження Місяць, і цього разу подав його на розгляд Дослідницькій лабораторії Військово-повітряних сил у Кембриджі. Головний аргумент, який висувався: рентгенівські промені від Сонця мають викликати так зване флуоресцентне випромінювання з поверхні Місяця і це може полегшити її хімічний аналіз. Також вони очікували виявити гальмівне випромінювання з поверхні Місяця, викликане впливом електронів, наявних у сонячному вітрі. Оскільки Місяць перебуває близько, можливо, вдасться виявити рентгенівські промені. Варто зазначити, це був дуже розумний крок, адже AS&E вже заручилася підтримкою Військово-повітряних сил стосовно кількох інших проектів (деякі з них засекречені), і, можливо, вона знала, що Дослідницьку лабораторію зацікавить дослідження Місяця. Хай там як, а цього разу проект схвалили.
І нарешті, після двох невдалих спроб у 1960 і 1961 роках, за хвилину до півночі 18 червня 1962 року відбувся запуск, що мав на меті зафіксувати рентгенівські промені від Місяця і знайти джерела такого випромінювання за межами Сонячної системи. Ракета провела лише шість хвилин на позначці 80 кілометрів, де трубки Гейгера‒Мюллера без атмосферних перешкод зафіксували рентгенівське випромінювання в діапазоні 1,5–6 кеВ. Так учені за допомогою ракет здійснювали в ті часи спостереження в космосі. Вони відправляли ракети за межі атмосфери, де вони за п’ять-шість хвилин оглядали небо, а потім поверталися назад.
Найбільше дивує те, що дослідники одразу виявили рентгенівське випромінювання, щоправда, воно йшло не від Місяця, а звідкілясь за межами Сонячної системи.
Рентгенівські промені з відкритого космосу? Звідки? Ніхто не міг пояснити це відкриття. До цього польоту ми знали лише про одну зорю, яка випромінює рентгенівські промені, — Сонце. І якби воно було розташоване, скажімо, за 10 світлових років від нас, що за астрономічними мірками майже поруч, то обладнання на ракеті з того історичного запуску мало б бути в мільйон разів чутливішим, щоб виявити його випромінювання. Про це знали всі. Тому хоч би де було це джерело, воно мало випускати принаймні в мільйон разів більше рентгенівських променів, ніж Сонце, — а це можливо, тільки якщо воно дуже близько. Тоді ще не чули про астрономічні об’єкти, які генерують (принаймні) в мільйон чи мільярд разів більше рентгенівських променів, ніж Сонце. І не існувало науки, щоб описати подібний об’єкт. Інакше кажучи, це мало бути абсолютно нове небесне явище.
У ніч з 18 на 19 червня 1962 року народилася нова наука — рентгенівська астрономія.
Астрофізики почали запускати в космос багато оснащених датчиками ракет, щоб визначити, де розташоване джерело і чи є крім нього щось ще. Оскільки виміряти точно розташування небесних об’єктів неможливо, в астрономії існує таке поняття, як «квадрат похибки». Це уявний квадрат, приклеєний до небесного склепіння, сторони якого вимірюються в градусах, кутових мінутах або кутових секундах. Квадрат роблять досить великим, щоб об’єкт потрапив усередину з імовірністю 90 відсотків. Астрономи неабияк переймаються «квадратами похибки», і зрозуміло чому: що менший квадрат, то точніша позиція об’єкта. Особливо це важливо для рентгенівської астрономії, бо менший квадрат означає вищу ймовірність знайти видимий відповідник джерела випромінювання. Тому квадрат дуже малого розміру — це величезний успіх.
Професор Енді Лоуренс з Единбурзького університету веде астрономічний блог під назвою The e-Astronomer, де він пригадав, як писав дисертацію та вдивлявся в сотні нанесених координат джерел рентгенівського випромінювання. «Якось мені наснилося, що я квадрат похибки й не можу знайти джерела рентгенівських променів, яке має бути в мені. Я прокинувся пройнятий холодним потом». Ви зрозуміли чому.
Квадрат похибки для джерела рентгенівських променів, яке відкрили Ріккардо Джакконі, Герб Ґурскі, Франк Паоліні та Бруно Россі, був приблизно 10 градусів · 10 градусів, або 100 квадратних градусів. Майте на увазі, діаметр Сонця — півградуса. Джерело було розташоване десь у межах квадрата, площа якого в 500 разів більша за Сонце! У цей квадрат входили частини сузір’їв Скорпіона і Косинця, а ще він торкався межі сузір’я Жертовника. Тому астрономи не змогли визначити, в якому із сузір’їв розташоване джерело.
У квітні 1963 року група Герберта Фрідмана в Науково-дослідницькій лабораторії Військово-морських сил у Вашингтоні суттєво уточнила розташування джерела. Вони з’ясували, що воно перебуває в сузір’ї Скорпіона. Саме тому джерело отримало назву Скорпіон X-1: літера «Х» означає «Х-промені», а цифра 1 указує на те, що це перше джерело рентгенівського випромінювання, відкрите в сузір’ї Скорпіона. До речі, про один цікавий факт ніколи не згадують: Скорпіон X-1 лежить приблизно за 25 градусів від центра квадрата похибки, вказаного у звіті Джакконі й колег, який ознаменував народження рентгенівської астрономії. Коли астрономи відкрили нові джерела в сузір’ї Лебедя, вони отримали назви Лебідь X-1, Лебідь X-2 тощо. Першим джерелом, відкритим у сузір’ї Геркулеса, став Геркулес X-1, у сузір’ї Центавра — Центавр X-1. Протягом наступних трьох років за допомогою ракет було виявлено з десяток нових джерел, але ніхто не мав жодного уявлення, що це за джерела і чому вони утворюють рентгенівські промені в такій кількості, що їх змогли виявити за тисячі світлових років. Єдиним важливим винятком було джерело Телець X-1, розташоване в сузір’ї Тельця.
Ідеться про один із найнезвичайніших об’єктів на небі — Крабоподібну туманність. Якщо ви не чули про неї, раджу подивитися її знімок у вклейці — підозрюю, ви одразу її впізнаєте. В інтернеті також можна знайти багато її знімків. Це дивовижний об’єкт, що перебуває на відстані 6000 світлових років від нас, — залишки після спалаху наднової зорі 1054 року, який зафіксували китайські астрономи (цілком можливо, що про це йдеться і в піктограмах корінних американців — зайдіть сюди: cutt.ly/DwrxEsi). Вони розповідають про надзвичайно яскраву зорю, що зненацька з’явилася в сузір’ї Тельця майже нізвідки. (Щодо точної дати єдиної думки немає, хоча багато хто стверджує, що це сталося 4 липня). Тоді це було найяскравіше після Місяця небесне світило. Кілька тижнів його було видно навіть удень і ще два роки можна було спостерігати вночі.
Потім зоря потьмяніла, і вчені, схоже, забули про неї аж до XVIII століття, коли її незалежно один від одного виявили одразу два астрономи, Джон Бевіс і Шарль Мессьє. На той час залишки від спалаху наднової перетворилися на туманність. Мессьє склав важливий астрономічний каталог, у якому були комети, туманності й зоряні скупчення, і Крабоподібна туманність стала першим об’єктом у ньому — М-1. У 1939 році Ніколас Мейолл з Лікської обсерваторії (у Північній Каліфорнії) визначив, що М-1 — це залишки від спалаху наднової 1054 року. Хоч після спалаху минула вже тисяча років, а в Крабоподібній туманності досі відбуваються такі дивовижні речі, що деякі астрономи присвячують її дослідженню всю свою кар’єру.
Група Герберта Фрідмана з’ясувала, що 7 липня 1964 року Місяць проходитиме просто перед Крабоподібною туманністю і затулить її. Астрономи називають це явище «покриттям»: Місяць перекрив Крабоподібну туманність. Фрідман не тільки хотів підтвердити, що Крабоподібна туманність є джерелом рентгенівського випромінювання, а й сподівався продемонструвати дещо навіть важливіше.
У ті часи астрономи знову зацікавилися одним типом зоряних об’єктів, чиє існування вперше припустили в 1930-ті, але які досі ніхто не виявив, — нейтронними зорями. Існувала гіпотеза, що ці дивні об’єкти, про які я розповім докладніше в розділі 12, є одним з кінцевих етапів життя зорі. Можливо, вони народжуються під час спалаху наднової і складаються здебільшого з нейтронів. Якщо вони існують, то їхня густина така щільна, що нейтронна зоря з масою Сонця матиме радіус 10 кілометрів — можете собі таке уявити? У 1934 році (через два роки після відкриття нейтронів) Вальтер Бааде і Фріц Цвіккі вигадали термін «наднова» та висловили припущення, що нейтронні зорі утворюються внаслідок спалаху наднової. Фрідман припустив, що саме така нейтронна зоря може бути джерелом рентгенівського випромінювання в Крабоподібній туманності. Якщо це так, рентгенівське випромінювання, яке він спостерігав, має раптово зникнути, коли перед ним проходитиме Місяць.
Він вирішив запустити кілька ракет одну за одною саме в той момент, коли Місяць перекриватиме Крабоподібну туманність. Знаючи точну траєкторію Місяця, астрономи могли відправити лічильники в конкретно визначеному напрямку і «побачити» послаблення рентгенівського випромінювання, коли Крабоподібна туманність зникне. Їхні детектори й справді зафіксували затухання, і це спостереження стало першим випадком остаточної оптичної ідентифікації джерела рентгенівського випромінювання. Це був надзвичайно важливий результат, тому що, знайшовши видимий відповідник одного із цих загадкових і потужних джерел випромінювання, ми сподівалися незабаром відкрити, які процеси за ними стоять.
Проте Фрідман був розчарований. Рентгенівські промені не різко вимикалися, а зникали поступово, і це вказувало на те, що їхнім джерелом була вся туманність, а не окремий невеликий об’єкт. Тобто він не знайшов нейтронної зорі. Утім у Крабоподібній туманності таки є дуже особлива нейтронна зоря, і вона випромінює рентгенівські промені. Ця зоря обертається навколо своєї осі приблизно 30 разів за секунду! Якщо хочете потішитися, зайдіть на сайт Космічної рентгенівської обсерваторії «Чандра» (chandra.harvard.edu) й відкрийте зображення Крабоподібної туманності. Гарантую, вони приголомшливі. Але сорок п’ять років тому ми не мали орбітальних рентгенівських телескопів, що передають зображення із космосу, тому нам доводилося бути набагато винахідливішими. (Після того як у 1967 році Джоселін Белл відкрила радіопульсари, у 1968 році група Фрідмана нарешті виявила пульсацію рентгенівських променів — із частотою приблизно 30 разів за секунду — нейтронної зорі у Крабоподібній туманності).
Поки Фрідман спостерігав за покриттям Крабоподібної туманності, мій (майбутній) друг із МТІ Джордж Кларк готувався в Техасі до нічного запуску висотних повітряних куль, щоб знайти високоенергетичне рентгенівське випромінювання від джерела Скорпіон X-1. Але почувши про результати Фрідмана — новини поширювалися доволі швидко навіть без інтернету, — він цілком змінив плани й переніс запуск на день, щоб пошукати промені від Крабоподібної туманності з енергією понад 15 кеВ. І він також їх знайшов!
Важко передати словами, наскільки захопливою була ця робота. Розпочиналася нова ера наукових досліджень. Було відчуття, наче ми піднімаємо завісу, що приховувала від нас дивовижні таємниці Всесвіту. Насправді, піднявши детектори на таку висоту, вийшовши в космос, у найвищі шари атмосфери, куди проникають рентгенівські промені, бо їх не поглинає повітря, ми скинули з наших очей фільтри, які заважали нам бачити всю нашу історію. Ми працювали в цілком новому діапазоні спектра.
В історії астрономії таке ставалося часто. Щоразу, коли ми дізнавалися про нові або інші типи променів, які випускають небесні об’єкти, нам доводилося переглядати свої уявлення про зорі, їхній життєвий цикл (як вони народжуються, як живуть і чому помирають), про утворення й еволюцію зоряних скупчень, галактики й навіть скупчення галактик. Наприклад, радіоастрономія розповіла, що центри галактик можуть викидати струмені завдовжки сотні й тисячі світлових років. Радіоастрономи відкрили пульсари, квазари й радіогалактики. Також ми завдячуємо їм відкриттям реліктового космічного випромінювання, що кардинально змінило наше уявлення про ранній Всесвіт. Гамма-астрономія виявила кілька надзвичайно потужних і (на щастя) віддалених вибухів, відомих як гамма-спалахи, які випромінюють післясвітіння у вигляді рентгенівських променів і видимого світла аж до радіохвиль.
Ми знали, що відкриття рентгенівських променів у космосі змінить наше розуміння Всесвіту. Ми тільки не здогадувалися, як саме. З нашим новим обладнанням ми всюди знаходили щось нове. Мабуть, це не дивно. Коли оптичні астрономи почали отримувати дані з космічного телескопа «Габбл», вони були схвильовані, сповнені шанобливого страху і — можливо, це не так очевидно — прагнули отримати більше. Але вони, по суті, просто розширили межі використання кількасотрічного інструмента у сфері, що існує вже тисячоліття. Працюючи в рентгенівській астрономії, ми брали участь у зародженні цілого наукового напрямку. Хто знав, куди це нас приведе і що нам вдасться відкрити? Ми точно не відали.
Мені дуже пощастило, що Бруно Россі в січні 1966 року запросив мене в МТІ, саме в часи перших успіхів рентгенівської астрономії, і що я одразу долучився до групи Джорджа Кларка. Джордж був надзвичайно розумним фізиком, справляв дуже сильне враження як людина, і ми з ним стали друзями на все життя. Навіть зараз мені важко в це повірити — чудовий друг і нова робота, і все це я отримав за один місяць.
