30. Отдельные источники радиоизлучения и нетепловая эмиссия в оптической области

Одним из наиболее мощных источников радиоизлучения является так называемая Крабовидная туманность, находящаяся на месте вспышки Сверхновой 1054 г., наблюдавшейся в то время китайскими и японскими астрономами. Туманность представляет собой сетку волокон, расширяющихся со скоростью около 1000 ^км/_сек. плотность волокон - около 10³ частиц в 1 см³. По данным Р. Минковского (США), они излучают обычный для туманностей линейчатый спектр, в котором преобладают линии однократно ионизованных атомов (линии водорода относительно слабы), и хорошо заметны на снимках, полученных через светофильтр, пропускающий одну из сильных линий (рис. 28, вверху). Если же получить фотографию через фильтр, не пропускающий линий (внизу), то волокон почти не видно, но зато хорошо заметно аморфное свечение с непрерывным спектром в более внутренней части туманности.

Сначала были попытки объяснить аморфное свечение свободно-свободными переходами в ионизованном газе. Однако для этого приходилось предполагать, что масса туманности равна 15 массам Солнца, температура ее больше 150 000°, температура центральной звезды, поддерживающей газ в ионизованном состоянии - около 500 000°, а размеры ее приходилось считать близкими к размерам Земли. К тому же подобная картина не могла объяснить, почему туманность является мощным источником нетеплового радиоизлучения.

И, С. Шкловский сделал естественное предположение, что радиоизлучение Крабовидной туманности обусловлено релятивистскими электронами в магнитных полях. Для этого пришлось принять, что в Крабовидной туманности имеется поле с напряженностью около 3 *10-4 эрстед и что концентрация там релятивистских электронов с энергией 10⁸ - 10⁹эв в 10⁵ раз больше, чем в Галактике. Развивая эти представления, он пришел и к объяснению свечения аморфной части туманности. Как уже было сказано, релятивистский электрон излучает преимущественно в области спектра, определяемой его энергией и напряженностью поля. Если электрон с энергией 10⁹эв излучает сантиметровые радиоволны, то электрон с энергией 2 × 10¹¹эв в том же поле должен излучать уже в видимой части спектра. Таким образом, оптическое излучение Крабовидной туманности является продолжением ее радиоизлучения.

Рис. 28. Крабовидная туманность в лучах эмиссионных линий (волокнистая структура). Снято на 5 м рефлекторе

Рис. 28. Крабовидная туманность в непрерывном спектре (аморфная масса). Снято на 5 м рефлекторе

Эта гипотеза снимала все трудности, возникавшие ранее при объяснении оптического излучения. В частности, туманность может иметь сравнительно небольшую массу, и звезда не должна быть столь горячей, как считалось ранее. Правда, взамен появились другие нерешенные вопросы, в первую очередь вопрос о том, как образовались столь быстрые электроны. Было предложено несколько разных гипотез, но ни одна из них не может объяснить до конца всех данных наблюдений, поэтому мы не будем их сейчас рассматривать.

Для того чтобы окончательно убедиться в том, что именно релятивистские электроны образуют излучение аморфной массы, нужно было найти доказательство, основанное на прямых наблюдениях. И. М. Гордон (СССР) предложил измерить поляризацию Крабовидной туманности. Действительно, излучение, возникающее при неравномерном движении заряда, должно быть поляризовано так, что электрический вектор световых колебаний параллелен ускорению. Ускорение электрона, движущегося в магнитном поле по спирали, направлено к центру вращения, так что электрический вектор колебаний перпендикулярен направлению поля. Измерения поляризации были проведены В. А. Домбровским (СССР) и М. А. Вашакидзе (СССР), а затем более детально Я. Оортом и Т. Вальравеном (Голландия) и другими. Оказалось, что поляризация имеется, в среднем она равна 18% ¹, а если выделить отдельные небольшие участки, то поляризация в них почти полная. На рис. 29 приведены две фотографии Крабовидной туманности, полученные В. Бааде (CIIIA) на пятиметровом рефлекторе через поляроиды. Изменение вида туманности при повороте поляроида хорошо заметно и говорит о сильной поляризации. Интересно, что аморфная масса состоит как бы из нитей, тянущихся на довольно большие расстояния. Поляризация излучения нитей указывает, что они направлены вдоль силовых линий. По виду их можно судить о степени запутанности поля.

¹ (Это значит, что энергия света, выделяемого при определенном положении поляроида, на 18% больше, чем при перпендикулярном положении)

Рис. 29. Две фотографии Крабовидной туманности через поляроид 5 м (рефлектор). Видна струйчатая структура, сильно изменяющаяся при повороте поляроида

Рис. 29. Две фотографии Крабовидной туманности через поляроид 5 м (рефлектор). Видна струйчатая структура, сильно изменяющаяся при повороте поляроида

На основе таких фотографий была построена карта магнитных полей в туманности. Оказалось, что поле как бы выпячивается в промежутках между эмиссионными волокнами, массивные волокна сдерживают стремление поля к расширению (И. С. Шкловский). С. Б. Пикельнер отметил, что давление со стороны поля, а также со стороны космических лучей, удерживаемых полем, должно ускорять расширение Крабовидной туманности. Интересно, что небольшое ускорение в движении волокон было действительно обнаружено В. Бааде около 15 лет назад, но тогда оно было совершенно необъяснимо и поэтому не обратило на себя внимания. Исходя из величины ускорения и из оценок давления поля и космических лучей, С. Б. Пикельнер определил полную массу, включая и волокна и более разреженный газ в аморфной части. Она оказалась близкой к 0,1 массы Солнца.

В то же время масса волокон, оцененная Д. Остерброком (США) по отношению компонентов [О II], зависящему от плотности, составляет несколько сотых массы Солнца.

Ряд других источников нетеплового радиоизлучения в Галактике также был отождествлен (в значительной части И. С. Шкловским и П. П. Паренаго) со сверхновыми звездами. Для этих источников характерно наличие волокон, имеющих примерно тот же оптический спектр, что и волокна Крабовидной туманности, и образующих как бы расширяющуюся оболочку (рис. 30). Однако оптическое нетепловое излучение в этих туманностях не наблюдается, очевидно, там недостаточно количество очень быстрых релятивистских электронов. Давно известная система волокнистых туманностей в Лебеде (рис. 31) также является оболочкой сверхновой звезды, вспышка которой могла бы наблюдаться около 30 000 лет тому назад. В этих туманностях тоже обнаружено радиоизлучение.

Рис. 30. Туманность волокнистой структуры NGG 6888 - остаток сверхновой. Источник нетенлового радиоизлучения (Крымская обсерватория)

И С. Шкловский рассчитал, что за время расширения оболочки сверхновой релятивистские электроны, ответственные за ее радиоизлучение, потеряют лишь небольшую часть своей энергии и, следовательно, после рассеяния оболочки окажутся в межзвездном пространстве" Он подсчитал, исходя из количества электронов в одном источнике и из частоты вспышек сверхновых ¹, что последние могут быть ответственны за образование заметной части "радиоэлектронов" Галактики. Более того, сверхновые могут быть одним из источников космических лучей вообще, так как в них несомненно образуются не только релятивистские электроны, но также релятивистские протоны и другие частицы.

¹ (Мощные сверхновые появляются в Галактике в среднем раз в 50 лот)

Рис. 31а. Волокнистые туманности в Лебеде NGG 6960-6992 (Крымская обсерватория)

Как образуются и за счет каких источников энергий светятся волокна в оболочках сверхновых? Я. Оорт (Голландия) предположил, что волокна в Крабовидной туманности Могут возбуждаться ультрафиолетовым излучением аморфной массы - яркость непрерывного спектра падает с частотой не очень круто, и можно ожидать, что Она будет достаточно велика и за лаймановским пределом. Однако большинство оболочек не имеет заметного нетеплового излучения даже в видимой области, поэтому для них нужно искать другой механизм возбуждения.

Свечение волокнистых туманностей может, по мнению Я. Оорта, поддерживаться за счет быстрого движения оболочки. Если в газе движется какая-то масса со сверхзвуковой скоростью, то перед ней газ сжимается, причем область сжатия отделена от невозмущенного газа резкой границей, называемой фронтом ударной волны. Фронт движется со скоростью немного большей, чем скорость массы, оставляя за собой вновь сжатый газ. Быстрое сжатие приводит к сильному нагреву газа, что может быть причиной его свечения.

Свечение газа за фронтом ударной волны в применении к волокнистым туманностям в Лебеде было детально рассмотрено С. Б. Пикельнером. Он показал, что если в области, непосредственно прилегающей к фронту, температура очень высока (при скорости 100 ^км/_сек температура характеризующая дисперсию скоростей атомов и ионов, близка к 400 000°), то затем энергия быстро расходуется на ионизацию водорода. В результате уже на небольшом расстоянии от фронта температура опускается до 20 000° и ниже но зато водород в значительной степени ионизуется. Большинство других элементов (О, N, S) тоже ионизуется. В Тонком горячем слое, где водород еще в основном нейтрален, он возбуждается ударами электронов, что приводит к появлению водородных линий. Однако горячий слой так тонок, что его излучение все-таки незначительно. Основное излучение в линиях водорода и ионов образуется в то время, когда газ уже Значительно охладился (слой с температурой от 30 000 до 8 000° и ниже). Было подсчитано, сколько энергии в основных линиях излучают слои, находящиеся на разных расстояниях от фронта, и затем это излучение было просуммировано по всем слоям. При этом предполагалось, химический состав сжимаемого межзвездного газа тот же, что и в планетарных туманностях. В результате получились ожидаемые интенсивности линий, излучаемые ударной волной с данной скоростью. Такие расчеты были проведены для разных значений скорости волны.

Рис. 30. Туманность волокнистой структуры NGG 6888 - остаток сверхновой. Источник нетенлового радиоизлучения (Крымская обсерватория)

Толщина светящегося слоя равна, очевидно, расстоянию, на которое передвигается фронт относительно газа за то время, пока водород охладится и вновь перейдет в нейтральное состояние. Она оказалась равной нескольким сотым долям парсека, что примерно совпадает с толщиной волокон. Хотя при скорости волны около 150 ^км/_сек теоретические относительные интенсивности линий близки к наблюдаемым, которые были измерены С. Б. Пикельнером при помощи небулярного спектрографа, однако наблюдаемая абсолютная яркость волокон больше, чем можно ожидать, если волна распространяется в обычном межзвездном облаке. Кроме того, фронт волны представляет собой некоторую поверхность, и прилегающая к ней светящаяся область не будет похожа формой на наблюдаемые волокна. Чтобы объяснить большую яркость и волокнистую форму, была предложена гипотеза, основанная на том свойстве волн, что скорость распространения их фронта зависит от плотности газа впереди. Если плотность увеличивается, то скорость уменьшается. В результате плоский фронт, подойдя к уплотнению газа, деформируется, образуя как бы впадину, так как края его будут двигаться с прежней скоростью, а середина замедлится. Волна будет как бы сфокусирована, подобно тому как фокусируется световая волна, встречая линзу из материала, в котором скорость света меньше, чем в воздухе. Поскольку в данном случае "линза" имеет весьма неправильную форму, фронт не сойдется в точку, но отдельные участки его пересекутся. Область пересечения должна иметь форму волокна с толщиной порядка наблюдаемой. Абсолютная яркость его тоже будет больше, чем у одиночной волны, а теоретические относительные интенсивности линий при скорости волны около 100 ^км/_сек довольно близки к наблюдаемым. Наблюдения действительно показывают, что волокнистая сетка расширяется со скоростью порядка 100 ^км/_сек (по-видимому, скорость расширения сильно уменьшилась, так как энергия расходовалась на излучение), однако задачу далеко еще нельзя считать решенной, тем более, что и скорости разных волокон и их спектры различаются довольно сильно. Кроме того, имеются неясности и с точки зрения теории, особенно в вопросе о пересечении волн.

Свойства ударных волн в межзвездном газе рассматривал С. А. Каплан (СССР). Обычные волны, например в воздухе при умеренных скоростях, не сопровождаются излучением, так как энергия недостаточна для возбуждения атомов. Поэтому газ, нагретый при сжатии, остывает сравнительно медленно, его давление остается высоким и сжатие даже в сильной волне ограничено. Например, сильная волна в одноатомном газе может сжать его максимум в четыре раза. В случае же межзвездного газа температура определяется процессами поглощения и излучения, после кратковременного повышения при прохождении волны она быстро возвращается к своему первоначальному значению. В остывающем газе давление падает, и он будет продолжать сжиматься. Таким образом, ударная волна в межзвездном газе может увеличить плотность не в четыре раза, а в сотни раз. Соответственно увеличится и напряженность магнитного поля, которое было' в газе до сжатия. Эти результаты могут иметь интересные космогонические следствия, так как выше уже упоминалось, что вопрос о сжатии газа до больших плотностей есть один из центральных в проблеме образования звезд.

Рис. 31б. Часть туманности NGC 6960-6992 в большем масштабе (5 м рефлектор)

Возвратимся теперь к нетепловому излучению с непрерывным спектром в оптической области. Оказалось, что кроме Крабовидной туманности имеются и другие объекты с таким излучением. На Солнце временами появляются небольшие, быстро изменяющиеся образования, излучающие яркие линии водорода и некоторые другие. Они называются хромосферными вспышками. Самые яркие вспышки излучают не только линейчатый, но и непрерывный спектр. Кроме того, во время сильных вспышек регистрируется усиление космических лучей с малой энергией, появляется рентгеновское излучение, ионизующее некоторые слои земной атмосферы, что приводит к нарушениям коротковолновой радиосвязи, и т. п. Последние два факта говорят о том, что вспышка характеризуется появлением релятивистских частиц - протонов и электронов (рентгеновские лучи образуются при столкновениях быстрых электронов с ядрами). Основываясь на этом, И. М. Гордон, еще до объяснения свечения аморфной части Крабовидной туманности, высказал гипотезу, что излучение вспышки в непрерывном спектре производится релятивистскими электронами, движущимися в магнитном поле . Спектроскопические исследования вспышек, проводившиеся А. Б. Северным (СССР) в последние годы, установили нетепловой характер их излучения, возможно связанного с релятивистскими электронами.

Что касается происхождения вспышек, то А. Б. Северный, основываясь на наблюдениях вспышек и на одновременных измерениях магнитного поля вокруг них, предложил следующую гипотезу. При определенных условиях в газе могут образоваться нейтральные линии поля, где напряженность равна нулю, а по обе стороны их имеет разный знак. Магнитные силы должны сжать газ к этой линии. В результате быстрого сжатия образуется ударная волна, нагревающая газ до высокой температуры, что может быть причиной основных явлений, связанных со вспышками. В связи с этим большой интерес представляют опыты с электрическими разрядами большой силы, проводившиеся группой физиков под руководством Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича (СССР), а также в некоторых других странах. При сильном разряде газ ионизуется и сжимается магнитными силами. Образуется ударная волна, сходящаяся к оси трубки и отражающаяся обратно. У оси получается очень высокая температура. После сжатия образуются быстрые электроны, происхождение которых еще до конца неясно, но оно может быть связано с такими же процессами, которые происходят во вспышках.

И. М. Гордон привел доводы, говорящие о том, что излучение сверхновых звезд также имеет нетепловой характер. Ранее предполагалось, что при вспышке звезда вздувается, увеличиваясь в диаметре в десятки тысяч раз. Однако это представление, как оказалось, встречает существенные возражения, среди которых отметим следующие два: 1) скорость вздувания мощных сверхновых (определяемая по кривой нарастания блеска) должна быть раз в десять больше, чем наблюдаемая впоследствии скорость расширения оболочек, равная примерно 1000 ^км/_сек; 2) если звезда столь велика, то плотность газа в ее атмосфере должна быть низка, а тогда будет мал коэффициент поглощения. Чтобы атмосфера [была непрозрачной (мы видим усиление блеска в непрерывном спектре), ее масса должна быть в несколько раз больше массы Солнца. Но это, во-первых, противоречит оценке массы Крабовидной туманности, а во-вторых, такая большая масса до вспышки практически вся принадлежала недрам звезды и должна была иметь температуру порядка миллиона градусов. Между тем, атмосфера сверхновой ни в коем случае не может иметь такую температуру, это привело бы к абсурдным следствиям.

Чтобы избежать этих и некоторых других противоречий, И. М. Гордон считает, что при вспышке появляется большое количество релятивистских "светящихся" электронов, заключенных в оболочке, расширяющейся со скоростью около 1000 ^км/_сек. После вспышки тоже происходит выброс материи и релятивистских электронов, которые могут в дальнейшем быть причиной радиоизлучения остатков сверхновых ¹. Далее были приведены аргументы, показывающие, что и в обычных новых звездах нетепловая эмиссия играет, по-видимому, существенную роль. Один из таких аргументов относится к Новой Геркулеса 1934 г., которая оказалась двойной звездой. Радиус орбиты спутника, по предварительным данным, равен 2 100 000 км. В то же время, если объяснять увеличение блеска простым расширением звезды, то приходится принять, что радиус Новой был в десять раз больше, так что спутник должен был быть глубоко внутри звезды во время вспышки, что по ряду причин невозможно.

¹ (Электрон, который в сильном поле звезды излучает в видимой части спектра, в слабом поле оболочки будет излучать радиоволны)

Оптическое излучение релятивистских электронов проявляется не только в сравнительно скромных хромосферных вспышках и в грандиозных вспышках сверхновых. Как независимо друг от друга указали В. А. Амбарцумян и И. М. Гордон, нетепловое излучение ответственно, по-видимому, за внезапные усиления яркости, наблюдаемые у красных звезд-карликов с яркими линиями в спектре (звезды типа UV Кита). Во время таких вспышек блеск звезды меньше чем за минуту увеличивается (в синих лучах) в десятки раз, что нельзя объяснить повышением температуры. Увеличение яркости в синей части спектра, наблюдаемое у упоминавшихся выше звезд типа Т Тельца с линиями излучения в спектре, также обусловлено, по их мнению, нетепловой эмиссией.

В. А. Амбарцумян связывает нетепловую эмиссию с выбросом некоторой части внутризвездного вещества, являющегося носителем источника энергии звезды. Таким образом, он полагает, что выделение энергии в поверхностных слоях, наблюдаемое в виде нетеплового излучения, имеет ту же природу, что и поддерживающий свечение звезды процесс, происходящий в ее недрах.

Этим процессом в данной гипотезе не могут быть обычно принимаемые ядерные реакции, так как они эффективны только при очень высоких температурах и давлениях. В. А. Амбарцумян гипотетически полагает, что источником энергии может быть нечто вроде радиоактивного распада дозвездного вещества неизвестной природы, скорость которого не зависит от физических условий. Он не считает, что эмиссия образуется обязательно релятивистскими электронами в магнитных полях, хотя и не отрицает этой возможности. Недавно представление о релятивистских электронах получило сильное подтверждение. К. Хунгер (ФРГ) и Г. Крон (США) измерили поляризацию одной из звезд типа Т Тельца во время вспышки. Оказалось, что в фиолетовых лучах, где в основном появляется нетепловое излучение, поляризация превышает 30%.

К. Бем (ФРГ) рассмотрел спектральные особенности эмиссии звезд типа Т Тельца и пришел к выводу, что она представляет собой, по-видимому, слившиеся эмиссионные линии водорода (высшие члены серии Бальмера). И. М. Гордон показал, что этот эффект может быть вызван излучением релятивистских электронов, идущим из более глубоких слоев звезды. Ультрафиолетовая часть этого излучения ионизует водород, а инфракрасная заставляет атомы совершать вынужденные переходы между верхними уровнями, вследствие чего линии усиливаются и становятся более широкими, так что образуется сплошная полоса эмиссии вблизи бальмеровского предела. Поляризация этой эмиссии является следствием поляризации излучения релятивистских электронов, поскольку при вынужденном излучении ориентация электрического вектора сохраняется.

Интересными объектами с непрерывным спектром являются так называемые кометообразные туманности. Это небольшие образования, имеющие форму кометы, причем в "голове" ее часто помещается нестационарная звезда типа Т Тельца. Многие из кометообразных туманностей заметно меняют свою яркость со временем. В. А. Амбарцумян рассмотрел характер свечения этих туманностей и пришел к выводу, что по крайней мере часть излучения их имеет нетепловую природу, как и в нестационарных звездах. Это излучение иногда переменно со временем, причем оно не совпадает с характером переменности звезд, так что его в некоторых случаях нельзя считать просто отраженным светом. Недавно Э. А. Дибай (СССР) обратил внимание на то, что большинство кометообразных туманностей направлено в сторону горячей звезды, так что их можно считать близкими к "слоновым хоботам", образовавшимся в зонах Н II и оставшихся после того, как эти зоны расширились и перестали быть видимыми. Наличие звезды Т Тельца в голове связано, по его мнению, с тем, что в плотной части "хобота" условия, как уже говорилось, благоприятны для образования звезд из газа. Образовавшаяся звезда освещает туманность, объясняя, по крайней мере в большинстве случаев, ее свечение в непрерывном спектре.

Нетепловое излучение с непрерывным спектром происходит, по-видимому, и в гораздо более грандиозных явлениях, чем оболочки сверхновых. В центральной области одной из наиболее мощных радиогалактик (в созвездии Девы) уже давно было известно образование, состоящее как бы из нескольких конденсаций (рис. 32). Спектр их непрерывный без линий излучения и поглощения, так что он не обусловлен ни газом, ни звездами. Если это излучение образуется релятивистскими электронами, то полная их энергия, как рассчитал И. С. Шкловский, в 108 раз превышает полную энергию, выделяющуюся при вспышке сверхновой. Более медленные электроны ответственны за интенсивное радиоизлучение этой галактики. Недавно В. Бааде обнаружил поляризацию в этих конденсациях, что подтверждает гипотезу о природе их излучения. Можно добавить, что В. А. Амбарцумян нашел на фотографиях неба несколько галактик или образований, сравнимых с галактиками по размерам, которые имеют голубой цвет. Он считает, что это обусловлено нетепловым характером излучения этих объектов, хотя это могут быть горячие звезды и области Н II (λ 3727).

Рис. 32. Центральная часть радиогалактики в Деве (5 м рефлектор)

Уже из настоящего очень беглого обзора явлений нетепловой эмиссии видно, как велика роль процессов, связанных с образованием релятивистских электронов и с их излучением в магнитных полях. Эти процессы весьма различны по масштабам - от явлений в активных образованиях на Солнце до радиогалактик и светящихся образований в них. В настоящее время, когда исследование по существу еще только начинается и многое остается неясным, трудно предвидеть, какие изменения в наших представлениях произойдут даже через несколько лет. Однако исключительное значение и принципиальная важность указанного круга идей для астрофизики представляются совершенно очевидными.