Начались эксперименты, проводимые при помощи установленного на борту станции гамма-телескопа. В их задачу входит изучение интенсивности, углового распределения, и энергетического спектра первичного космического гамма-излучения. Бортинженер В. Н. Волков в соответствии с программой экспериментов произвел ориентацию станции, перевел ее в режим автоматической стабилизации, а командир экипажа Г. Г. Добровольский включил гамма-телескоп и в дальнейшем контролировал его работу» (из сообщения ТАСС от 11 июня 1971 года).
Для всего человечества, внимательно следившего за выдающимся полетом героического экипажа, это сообщение говорило еще об одном научном эксперименте, проводимом на первой долговременной орбитальной станции ««Салют». И лишь небольшая часть научной общественности понимала всю важность этого эксперимента, понимала, что в условиях длительного полета с экипажем существуют особенно благоприятные возможности для исследований в новой, быстроразвивающейся области астрофизики - гамма-астрономии.
О том, что такое гамма-астрономия, каковы ее цели, и надежды, какие приборы используются для регистрации космического гамма-излучения и, какие результаты получены к настоящему времени, будет рассказано в этой статье.
ПРИРОДА КОСМИЧЕСКОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
Гамма-излучение - самое коротковолновое, и самое энергичное в электромагнитном спектре. Со стороны больших длин волн оно примыкает к жесткому рентгеновскому излучению. Резкой границы между диапазонами нет. Условно считается, что кванты с энергией меньше 0,1 Мэв являются рентгеновскими, а больше - принадлежат к гамма-диапазону. С коротковолновой стороны диапазон гамма-излучения не ограничен. Максимальная энергия гамма-квантов, получаемых в настоящее время на ускорителях, составляет десятки миллиардов электрон-вольт. В космических лучах были зарегистрированы гамма-кванты с энергией, в тысячи раз большей. Следовательно, известный на сегодня диапазон гамма-излучения является самым протяженным среди других видов электромагнитного излучения.
Хотя электромагнитное излучение переходит непрерывно из одного диапазона в другой, природа излучения в различных диапазонах различна. Связано это с тем, что различные процессы, происходящие во Вселенной, имеют характерное для них электромагнитное излучение, лежащее в определенном диапазоне длин волн. Например, излучение молекул водорода, заполняющих межзвездное пространство, в основном лежит в области радиодиапазона, а излучение возбужденных атомов сильно нагретого тела (поверхность звезды) наиболее велико в инфракрасном и оптическом диапазонах.
Особую природу имеет, и гамма-излучение. В каких же процессах проявляется оно?
Общим для всех процессов генерации гамма-излучения является большое выделение энергии в элементарном акте взаимодействия частиц.
Вот некоторые из них:
- переход возбужденного ядра в нормальное состояние;
- движение заряженной частицы в магнитном поле (так называемое синхротронное излучение);
-торможение электрона в электрическом поле ядра;
- упругое столкновение электрона с фотоном (так называемый комптон-эффект);
- столкновения протонов и ядер космических лучей с атомами межзвездного газа - при этом рождаются нейтральные пи-мезоны, вскоре распадающиеся на гамма-кванты;
- аннигиляция частицы, и античастицы;
- движение частицы в сильном поле тяжести.
Такие явления, как тормозное и синхротронное излучение электронов, комптоновское рассеяние, и распад нейтральных пионов, хорошо изучены и теоретически, и экспериментально в лабораторных условиях. С высокой точностью они описываются теорией электромагнитных взаимодействий - квантовой электродинамикой, степень доверия к которой очень высока. Ее выводы и предсказания надежно подтверждены экспериментами, а точность теоретических расчетов зачастую превышает точность экспериментальных результатов. Это позволяет расшифровывать информацию, которую несет космическое гамма-излучение, распространяющееся прямолинейно, и практически не испытывающее поглощения в межзвездной и межгалактической среде.
Так, интенсивность, и энергия синхротронного излучения дают сведения о напряженности магнитных полей в космосе, интенсивность и энергия «пионных» гамма-квантов свидетельствуют о плотности межзвездного газа, и энергии космических про120
топов и т. д. Из характеристик космического гамма-излучения можно получить сведения о процессах, происходящих в далеких, и близких космических объектах, и, сопоставляя эти данные с результатами ис следовании в других энергетических диапазонах электромагнитного излучения, значительно расширить наше представление о Вселенной.
ГАММА-ТЕЛЕСКОПЫ, «СЛЕПЫЕ» И «ЗРЯЧИЕ»
РАДИОВОЛНЫ из космоса «ловят» с помощью радиоантенн, видимый свет - с помощью оптических телескопов. Гамма-кванты регистрируют с помощью приборов, подобных тем, которые используются в экспериментах на ускорителях для детектирования частиц высоких энергий.
По аналогии с оптическими телескопами все приборы, используемые для регистрации электромагнитного излучения, получили название телескопов - радиотелескоп, рентгеновский телескоп, гамма-телескоп, - хотя ни в одном из этих телескопов нет ни обычных линз, ни зеркал.
Прежде чем перейти к описанию гамма-телескопа, напомним, что существующие методы позволяют непосредственно регистрировать только заряженные частицы. Гамма-квант не имеет электрического заряда (эго, и позволяет ему двигаться прямолинейно в межзвездной, и межгалактической среде, где имеются значительные магнитные, а возможно, и электрические поля). Поэтому, прежде чем «поймать» гамма-квант, надо превратить его в заряженные частицы.
Вспомним, что электрон, и позитрон, аннигилируя, рождают гамма-квант. Возможен, оказывается, и обратный процесс в электрическом поле ядра достаточно энергичный гамма-квант превращается в электрон, и позитрон, отдавая им всю свою энергию, а те могут быть зарегистрированы обычными методами с помощью счетчиков заряженных частиц - сцинтилляционных, черенковских и т. д.
Исходя из этой физической картины, нетрудно теперь представить себе принципиальную схему гамма-телескопа. Прежде всего он должен содержать слой вещества (его называют конвертором), в котором гамма-кванты эффективно преобразуются в электроны, и позитроны. В качестве конвертора обычно используется пластина из тяжелого элемента - меди или свинца. В телескопе должны быть также счетчики, например, сцинтилляционные (для большей надежности их несколько), которые будут регистрировать электроны и позитроны (см. рисунок).
Необходим в гамма-телескопе еще один очень важный элемент. Это так называемый охранный (или антисовпадательный) счетчик, который выделяет электроны, и позитроны, возникающие от гамма-квантов, на фоне других заряженных космических частиц, проходящих через телескоп. Счетчиком антисовпадений, изготовленным в виде колпака, закрывают весь телескоп или по крайней мере конвертор. Когда гамма-квант или заряженная частица попадают в телескоп, они сначала проходят через счетчик антисовпадений. По тому, выдал этот счетчик сигнал или в нем сигнала не возникло, специальная электронная схема судит о том, была ли это заряженная космическая частица или гамма-квант. На это уходит время, меньшее миллионной доли секунды.
Из расчетов следует, что поток гамма-квантов на много порядков меньше потока заряженных частиц. Поэтому телескоп в основном «занимается» тем, что отбрасывает заряженные частицы, просеивая их через своеобразное сито, в котором застревают лишь гамма-кванты.
Прибор, работающий по описанной выше схеме, получил название «слепого» гамма-телескопа. Таким названием он обязан тому, что не может различить направление прилета каждого гамма-кванта, попадающего в телесный угол прибора. Чтобы придать ему такую способность, описанную схему телескопа дополняют искровой камерой. Яркие искры, возникающие вдоль траектории электрона и позитрона в искровой камере, легко могут быть сфотографированы, а уже по ним не представляет труда воспроизвести направление прихода гамма-кванта.
Телескоп с трековой искровой камерон * впервые в мире был испытан на спутнике «Космос-264» Искровые треки частиц фотографировались, а экспонированная пленка возвращалась на Землю. Применение искровых камер в гамма-телескопах позволило улучшить их угловое разрешение более чем в десять раз, сделав их более «зрячими»
Есть, однако, возможность исследовать гамма-излучение с поверхности Земли. Гамма-квант очень большой энергии, измеряемой тысячами миллиардов электрон-вольт (такая энергия не может быть достигнута пока даже на самых больших современных ускорителях), вызывает в верхних слоях атмосферы лавины из менее энергичных электронов. Их черенковское излучение достигает поверхности Земли, и может быть зарегистрировано оптическим рефлектором. Этот способ регистрации гамма-квантов был предложен советскими физиками А. Е. Чудаковым и Г.Т. Зацепиным. Сейчас этот способ широко используется для поиска отдельных - дискретных - источников высокоэнергичных гамма-квантов. Совсем недавно именно таким методом сотрудники Крымской астрофизической обсерватории зарегистрировали поток гамма-квантов сверхвысокой энергии из созвездия Лебедя.
Этой же группой был обнаружен, и второй источник такого же типа, расположенный в созвездии Кассиопеи.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Высотный аэростат, стартуя с Земли, уносит гамма-телескоп в верхние слои атмосферы. По мере подъема поток гамма-квантов постепенно растет. На высоте 12 - 15 км над уровнем моря он достигает наибольшего значения, а затем начинает падать. И как бы высоко ни поднимались аэростаты (на сегодняшний день рекордная высота полета равна 45 км), поток гамма-квантов продолжает падать. Это вполне объяснимо всюду в атмосфере, от уровня моря до максимальной высоты, прибор регистрирует вторичные гамма-кванты, возникающие при взаимодействии космических частиц с атмосферой. На большой высоте атмосфера очень разрежена, столкновения первичных космических протонов с атомами газов, входящих в состав воздуха, происходят редко. И все-таки вторичных гамма-квантов намного больше, чем космических, иначе поток гамма-квантов не продолжал бы уменьшаться с высотой.
Точные расчеты позволили сделать вывод, что поток космических гамма-квантов с энергией более 100 Мэв в десятки тысяч раз слабее потока заряженных космических частиц, и порождаемых ими вторичных гамма-квантов.
Казалось бы, столь высокий фон исключает всякую возможность наблюдений. Но этот вывод относится только к изотропной части космического гамма-излучения. Излучение же отдельных дискретных источников можно увидеть на равномерном фоне, если гамма-телескоп обладает достаточно хорошим угловым разрешением. И действительно, с помощью «зрячих» гамма-телескопов, установленных на высотных аэростатах, было обнаружено несколько дискретных источников гамма-квантов, находящихся вблизи плоскости Галактики (см. карту в предыдущем номере журнала), хотя поток от них в тысячу раз слабее фонового.
Так был, например, обнаружен поток гамма-квантов от пульсара, находящегося в центре Крабовидной туманности.
Итак, аэростатная гамма-астрономия специализируется в исследовании дискретных источников - космических объектов, в которых активно происходят перечисленные в первой главе процессы генерации гамма-квантов. Это, по всей видимости, те объекты, в которых рождаются космические лучи оболочки от взрыва сверхновых звезд, нейтронные звезды (или пульсары) - в нашей Галактике, и галактики с активными ядрами и квазары - в Метагалактике.
Исследовать диффузные потоки космического гамма-излучения помогли искусственные спутники Земли. По существу, они-то, и стали основной базой проведения гамма-астрономических исследований.
Первым и очень важным результатом спутниковой гамма-астрономии было открытие галактического гамма-излучения с энергией более 100 Мэв. Американские исследователи обнаружили его с помощью прибора, установленного на борту спутника OSO-3 (орбитальная солнечная обсерватория). Несмотря на то, что в этой работе использовался «слепой», и малоэффективным телескоп, было надежно установлено поток квантов возрастает, как только в угол зрения телескопа попадает полоса Млечного Пути. Прибор работал на спутнике в течение 16 месяцев и, скомпенсировав за счет такой длительной работы свою малую эффективность, набрал необходимый статистический материал. В результате было не только открыто галактическое гамма-излучение, но и получено его распределение по галактическим координатам - долготе, и широте.
Особый интерес представляет величина потока гамма-квантов, проходящих по направлению от центра Галактики. Он оказался почти в пять раз больше предполагаемого. И здесь приходится пожалеть о том, что телескоп был «слепым». Как раз в этом районе обнаружен ряд дискретных источников гамма-квантов, суммарное излучение которых, возможно, и создало столь большой поток, но «разрешить» их гамма-телескоп на OSO-З не мог. Из-за этого возникают определенные трудности, когда приходится согласовывать результаты исследований района центра Галактики, полученные «аэростатной», и «спутниковой» астрономией. Затрагивает это и трактовку галактического гамма-излучения. Наибольшая его часть происходит, по-видимому, от ядерного взаимодействия космических протонов с межзвездным газом. Это позволяет оценить поток высокоэнергичных космических лучей, и плотность межзвездного водорода в разных участках Галактики. Раньше плотность галактического газа можно было оценивать лишь по радиоастрономическим данным.
Важным направлением спутниковой гамма-астрономии стало исследование изотропного диффузного «фона» - излучения всего метагалактического пространства. Следует заметить, что оно служит главным источником информации о метагалактических космических лучах. Измерения, проведенные на советских спутниках «Протон», «Космос-135, 163, 208, 264» и на американских - «Эксплорер-11», «OSO-З», и «ERS-18», показали, что изотропное гамма-излучение очень слабо. Это значит, что интенсивность протонов космических лучей в межгалактическом пространстве невелика. Она оказалась по крайней мере в 100 раз меньше, чем в нашей Галактике. Из аналогичных данных об изотропном рентгеновском излучении был сделан вывод о том, что и плотность электронов в Метагалактике значительно (почти в 104 раз) меньше галактической. Так результаты рентгеновской, и гамма-астрономии позволили узнать много нового об областях Вселенной, расположенных за миллионы световых лет от нас.
Исследования изотропного гамма-излучения дали возможность провести еще одну интересную оценку - количества антивещества во Вселенной. При аннигиляции протонов с антипротонами и ядер с антиядрами возникают гамма-кванты с энергией, большей 50 Мэв. Интенсивность потока таких гамма-квантов позволяет заключить если во Вселенной антивещество всюду равномерно «перемешано» с веществом, его примесь не превышает стотысячной доли процента. Таким образом, Вселенная резко несимметрична она состоит в подавляющем большинстве из ядер, протонов, и электронов, а частицы антивещества (антиядра, антипротоны, позитроны) встречаются в ней, как редкие и мимолетные гости. Так гамма-астрономия позволяет глубже понять большой, и сложный мир, в котором мы живем.
Интересный результат получили американские исследователи с помощью прибора, установленного на спутнике «ERS-18» Часть орбиты спутника проходила на больших расстояниях от Земли, вне ее магнитного поля; благодаря этому удалось избежать фона, связанного с частицами, дрейфующими в земной магнитосфере, а также с частицами, рассеянными в околоземном пространстве. Все это позволило измерить поток космического гамма-излучения в интервале энергий 1 - 6 Мэв, данных по которому к тому времени не было. Результат оказался неожиданным наблюдения показали, что энергетический спектр гамма-излучения по мере возрастания энергии квантов спадает гораздо положе, чем предсказывалось по теоретическим оценкам. Это указывало на регистрацию некоторого избыточного потока.
Но любой новый поток гамма-излучения связан с, какими-то процессами в космическом пространстве. Что это за процессы? Откуда берется избыток?
Американский теоретик Ф. Стеккер высказал гипотезу, согласно которой избыток, ответственный за непредвиденное поведение спектра, составляют «старые» гамма-кванты, возникшие еще в эпоху формирования галактик и космических лучей, и дожившие до нашего времени. По своей природе они являются обычными «пионными» гамма-квантами (см. стр. 122), но из-за расширения Вселенной их энергия снизилась.
Хотя результаты других работ, в частности измерения, проведенные с помощью спутников «Космос-135» и «Космос.163», не согласуются с выводами американской группы, сама идея «космологического» потока гамма-излучения, по-видимому, верна, и представляет несомненную ценность. Космологические реликтовые гамма-кванты несут на себе отпечаток той эпохи, когда они родились, и регистрация их потока дала бы ценнейшие сведения о развитии Вселенной. Поэтому поиск «космологического» потока активно продолжается.
Наконец, спутниковая гамма-астрономия позволила сделать еще одно важное открытие. Группа исследователей Московского инженерно-физического института под руководством профессора В. Г. Кириллова-Угрюмова обнаружила первый внегалактический источник гамма-квантов. Он совпал с радио источником ЗС120. За этим кодовым обозначением скрывается галактика с активным ядром, и резко переменным оптическим и радио излучением. Во время полета спутника «Космос-251», с которого велись наблюдения, галактика ЗС120 переживала одну из «ярких» страниц своей истории - ее излучение в радиодиапазоне достигло максимального значения. Возможно, именно поэтому она стала видна, и в гамма-лучах. Подобное поведение переменных радиогалактик было предсказано советским астрофизиком И. С. Шкловским. Несмотря на то, что источник гамма-излучения находится от нас на расстоянии 300 миллионов световых лет, поток гамма-квантов от него больше, чем от Солнца.
Мы уже обращали внимание на то, что различные космические объекты излучают в разных диапазонах. Достаточно хорошим примером является наше Солнце - самая яркая для нас звезда в оптическом диапазоне. В радиодиапазоне наряду с Солнцем имеются еще несколько таких же ярких звезд, а ведь эти источники отстоят от нас на тысячи световых лет! В рентгеновском диапазоне Солнце светит гораздо слабее, становясь заметнее лишь во время вспышек. В гамма-диапазоне Солнце совсем не видно. Часто в названии космического объекта указывают, в, каком диапазоне он главным образом «светит». Так говорят об оптических галактиках, радиогалактиках; сегодня известны и рентгеновские галактики. Источник ЗС120 следует назвать гамма-галактикой.
Совсем недавно американские ученые, проводившие исследование на высотном аэростате, открыли еще одну гамма-галактику. Ею оказалась радиогалактика PKS 1514-24, которая, по словам авторов работы, переменна в радио, и оптическом диапазонах, как, и «русский источник», отождествленный с 3020. Создается впечатление, что в астрофизике появляется новый класс объектов - очень активных, резко переменных, с большой мощностью излучения в гамма-диапазоне.
Каковы же перспективы дальнейших исследований по гамма-астрономии? Как уже говорилось, потоки космических гамма-квантов очень малы, а источники, как следует из результатов проведенных работ, возможно, переменные. Чтобы их обнаружить, необходимо проводить измерения в течение длительного времени (дни, месяцы). В соответствии с прогнозами, основанными на оптических, и радионаблюдениях, придется просматривать определенные участки небесной сферы. Это потребует постоянного управления, и контроля за работой гамма-телескопов. Надо, следовательно, создавать длительно работающие гамма-обсерватории, обладающие не только совершенной аппаратурой наблюдения, но, и прецизионной системой наведения, и слежения. Удобным местом для такой обсерватории была бы Луна, лишенная атмосферы. Опыт длительной работы советского «Лунохода-1» показывает, что создание такой обсерватории на Луне вполне возможно. Другим, еще более перспективным решением проблемы будет, несомненно, долговременная орбитальная станция, управляемая космонавтами. И первые результаты эксперимента с гамма-телескопом на борту станции «Салют» подтвердили правильность этого пути.
1972_11_13_04.jpg
Как возникает космическое рентгеновское и гамма-излучение?
Для наглядности обратимся сначала к широко известной картине - линейчатому спектру излучения, какого-либо химического элемента. Каждая линия здесь соответствует переходу электрона внешней орбиты с одного возбужденного уровня на другой, более низкий; при этом излучается порция света строго определенной частоты. Переходы электронов, принадлежащих внутренним орбитам, сопровождаются более коротковолновым - рентгеновским излучением. Какие же причины могут вызвать возбуждение около ядерных электронов? Упомянем, например, тепловой механизм имеющиеся в плазме при высокой температуре свободные электроны, пролетая вблизи атомов, ионизируют их, то есть отрывают внешние электроны, и возбуждают оставшиеся, расположенные ближе к ядру, и еще связанные с ним.
Многочисленные ядерные процессы, протекающие в недрах звезд, и в космическом пространстве, сопровождаются переходами ядер в сильно возбужденные состояния. Возвращаясь в нормальное состояние, такие ядра излучают еще более коротковолновые по сравнению с рентгеновскими гамма-кванты с энергией до нескольких миллионов электрон-вольт (1).
Другой источник рентгеновского, и гамма-излучения - высокоэнергичные космические частицы. Такие частицы есть всюду в космическом пространстве. При движении в магнитном поле траектория заряженной частицы искривляется. Всякое ускорение заряженной частицы, в том числе, и центростремительное, приводит к излучению электромагнитных квантов. Их энергия тем больше, чем больше магнитное поле, и энергия излучающих частиц. Если она составляет десятки, и сотни миллиардов электронвольт, рождаются гамма-кванты, если несколько меньше - рентгеновские фотоны. Этот вид излучения, свойственный в основном электронам, получил название магнитотормозного, или синхротронного (2), так, как впервые был обнаружен при ускорении электронов в кольцевых ускорителях - синхротронах.
Высокоэнергичные электроны могут образовывать рентгеновские, и гамма-кванты, и в других присущих им процессах - при торможении в электрических полях ядер (3), и при комптоновском рассеянии (4). В последнем случае происходит упругое столкновение электрона с фотоном, при котором заметная часть энергии электрона пере дается фотону, и тот превращается в квант излучения более высокой частоты, принадлежащий рентгеновскому или гамма-диапазону, опять-таки судя по тому, насколько высока энергия «снаряда» «Заготовками» для квантов высокочастотного излучения в космическом пространстве служат фотоны светового, и теплового излучения звезд, и в еще большем количестве - фотоны изотропного теплового излучения всей Вселенной, так называемого реликтового излучения, открытого в 1964 году (см. «Наука, и жизнь» № 3, 1968, статья академика В. Гинзбурга). Гамма-кванты образуются также при столкновениях протонов, и ядер космических лучей с межзвездным газом (5). При этом возникают новые, короткоживущие частицы - пи-мезоны, - как заряженные, так, и нейтральные. Нейтральные пионы через очень короткое время после своего рождения распадаются на два гамма-кванта высокой энергии, энергетический спектр которых всегда, независимо от происхождения, имеет максимум при энергии 70 Мэв. Правда, если гамма-кванты образовались от распада пионов на раннем этапе развития Вселенной, то из-за ее расширения максимум «пионного» спектра сместится в сторону меньших энергий, так, что по величине смещения можно определить время возникновения гамма-излучения.
Если где-либо во Вселенной имеется область, заполненная антивеществом, то на границе этой области будет происходить соприкосновение антивещества с веществом. В результате процесса, получившего название аннигиляции, масса, и энергия взаимодействующих частицы, и античастицы полностью превращаются в высокоэнергичные гамма-кванты. Так, при аннигиляции позитрона, и электрона образуются гамма-кванты с характерной энергией 0,511 Мэв (аннигиляционная линия). Более сложным образом аннигилируют антипротоны, и антиядра с обычными протонами, и ядрами они превращаются в облако пионов, каонов, и других короткоживущих частиц; образуются при этом, и нейтральные пионы, которые после распада дают «пионные» гамма-кванты со всеми их характерными особенностями.
Совсем недавно академик Я. Б. Зельдович предложил еще один механизм образования космических гамма-квантов. Если во Вселенной имеются космические образования с большим гравитационным потенциалом, то при падении (аккреции) на такой объект частица, например, протон, приобретает энергию, достаточную для рождения пионов. Поверхность такого тела, следовательно, будет испускать гамма-кванты.
