Небо XX века

Небо XX века

Это загадочное Солнце

В этот день на борту орбитальной станции не была выполнена заранее намеченная программа экспериментов. Больше того, космонавты к ней даже не приступали. А причиной этого была телефонограмма из Крымской астрофизической обсерватории АН СССР, от ее директора академика А. Северного. Он обратился к руководству полета с просьбой срочно провести внеплановые исследования из космоса с помощью орбитального солнечного телескопа.

— Что произошло там у вас? — спросил я у появившегося вскоре в Центре управления полетом главного конструктора телескопа А. Брунса.

— Не у нас, а у Солнца, — рассмеялся он.

И рассказал о том, что накануне буквально на глазах у сотрудников обсерватории вблизи центра солнечного диска появились яркие пятна. Потом они обросли темными «усами» — от одного пятна к другому. Ученые поняли: возникла активная область. В период спокойного Солнца такое явление случается крайне редко. Все говорило о том, что должна возникнуть вспышка. Откладывать эксперимент с телескопом на орбите никак было нельзя. Активная область смещалась к западу и через день могла скрыться за солнечным горизонтом.

Приехал в Центр управления полетом и сам академик А. Северный. Он сообщил, что интересующее их пятно находится в районе девяти с половиной часов на «циферблате» солнечного диска, ближе к краю.

— Действительно, очень похоже, что сейчас здесь что-то произойдет, — услышали мы вскоре из космоса голос В. Севастьянова. — Помню, такая же была картина, когда мы проводили наблюдения из обсерватории. Вижу черную точку в середине флоккулы. Беру прямо на нее. Есть!

В этот момент из Крымской обсерватории поступило сообщение: «Зафиксирована вспышка на Солнце, срочно передайте экипажу». Но космонавтам говорить об этом уже не было нужды. Они упредили наземных наблюдателей.

— Какие молодцы! — улыбается академик.

— Продолжаю работать, но куда-то пропала черная точка. Только что была, и уже нет, — волнуется В. Севастьянов.

— Сейчас найдет, — спокойно уверяет всех А. Северный.

Проходит минута, другая…

— Есть, нашел! Вижу активную область. Какая красота!..

Потом космонавты нацелили телескоп на протуберанец, выросший над солнечным диском, и снова раз за разом включали спектрограф.

Академик А. Северный удовлетворенно говорил тогда: «Мне неизвестно, чтобы спектры протуберанцев в ультрафиолетовой области были получены когда-либо и кем-либо до сих пор. За время работы первой и второй экспедиций на „Салюте-4“ в нашем распоряжении оказалось около двадцати таких спектров. Они позволили выявить очень интересные различия в излучениях активной и спокойной областей Солнца. Уверенная работа космонавтов с непростой астрофизической аппаратурой показала, что их подготовка в нашей обсерватории принесла свои плоды».

В Крымской астрофизической обсерватории я бывал не раз. Внешне она выглядит как марсианское поселение. Ухоженные ленточки дорожек по склонам холмов заканчиваются куполами из серебристого алюминия. Повсюду вместо привычных фонарей низенькие грибки, чтобы свет не мешал наблюдениям звездного неба. Вот и башенный солнечный телескоп, распахнувший на восток забрало своего купола. Подходишь к нему и думаешь: ну, чистый храм науки!

На вершине башни, конечно, не колокола, а зеркала с красивым названием — целостат. Зеркала эти ловят Солнце и с помощью моторов под чутким руководством фотоэлементов посылают его лучи строго вниз, на двадцатиметровую глубину, к другому зеркалу, фокусирующему изображение сияющего диска в не очень яркий полуметровый диск. Здесь Солнце совсем ручное, какое-то ненастоящее. Всего лишь круглое световое пятно, совсем неслепящий солнечный зайчик. Не верится, что на самом деле это раскаленный шар диаметром в полтора миллиона километров, шар, который светит и греет вот уже миллиарды лет с завидным постоянством.

Но здесь, в обсерватории, Солнце — объект исследования. И объект загадочный. Астрономы пристально вглядываются в наше светило многие столетия, однако оно не спешит расставаться со своими тайнами. Иногда Солнце сравнивают с кастрюлей, в которой что-то варится, но что именно, можно лишь догадываться по внешнему виду, да и то издали. А надо бы знать, ведь все у нас от Солнца. Не будь его, не было бы ни космонавтов, ни читателей — ничего бы не было.

Да и поведение нашего светила далеко не безразлично для нас в самом что ни на есть практическом смысле. Взять те же вспышки на Солнце. Когда они возникают, резко увеличиваются потоки ультрафиолетового и рентгеновского излучений, частиц разных энергий. Дойдя до Земли, они взаимодействуют с атмосферой планеты и вызывают множество геофизических явлений.

Одно из наиболее распространенных — ионосферные возмущения, которые оказывают заметное влияние на распространение радиоволн в диапазоне от нескольких килогерц до ста мегагерц. При этом нарушается радиосвязь, понижается радиолокационная «видимость».

Мощные солнечные вспышки и обусловленные ими магнитные бури, как стало ясно в последние годы, могут изменить и циркуляцию земной атмосферы, сказываться на живых организмах, непосредственно влиять на состояние людей. Статистика показывает, например, что в день появления сильной вспышки в полтора-два раза возрастает число обострений сердечно-сосудистых заболеваний.

Прежде такого рода явления казались загадочными, вызывали острые споры по поводу их реальности и возможных объяснений. Сейчас убедились, что здесь не обходится без влияния некоторых факторов внешней среды, которые резко изменяются в период развития вспышек на Солнце. Прежде всего это электромагнитное излучение Земли на крайне низких частотах — несколько герц и ниже. Подобный электромагнитный фон в приземном слое существует постоянно, но он значительно усиливается во время вспышек. И вот это низкочастотное поле способно оказать на живые организмы неблагоприятное воздействие. Вполне здоровые люди не ощущают обычно ничего неприятного — срабатывают компенсирующие физиологические реакции; а ослабленные болезнью, у которых нарушены приспособительные механизмы, могут испытывать серьезные последствия. Добавлю к этому: если земная магнитосфера и атмосфера надежно защищают людей от космических лучей, образующихся во время вспышек на Солнце, то для космонавтов, находящихся за пределами Земли, это может создавать сильную радиационную опасность.

Вот почему изучение солнечных вспышек, помимо теоретического, имеет большое практическое значение. Это обстоятельство привело к организации патрульной службы Солнца. Более сорока обсерваторий мира ежедневно и круглосуточно следят за поведением нашего строптивого светила. Ученые стремятся получить необходимые данные для уверенного прогноза солнечных вспышек и сопутствующих им геофизических эффектов. Как видите, в этой работе активно участвуют и космонавты.

Солнце — это энергия. Она настолько огромна, что невозможно охватить мысленно: каждый квадратный метр поверхности светила обладает мощностью примерно 100 тысяч киловатт. Целая электростанция на крошечном пятачке! Откуда же берется такая колоссальная энергия? В чем секрет ее неистощимости?

Ответа нет и по сей день. Какие только версии объяснений не перебрали ученые с той поры, как задались этим вопросом!

Вначале подумали, что Солнце и другие звезды просто горят, как дрова в печке. Быстро поняли — не может быть: слишком мал запас химической энергии, его не хватило бы и на миллион лет.

Потом обратились к обычным для механики способам восстановления энергии — таким, как разогрев за счет падения крупных метеоритов, астероидов или просто медленного сжатия небесных тел. Все равно концы с концами не сходились: в этих случаях Солнце не могло бы светить положенные миллиарды лет.

Наш атомный век выдвинул более правдоподобную версию: источник энергии нашего светила — термоядерные процессы. В недрах Солнца протекает реакция слияния двух ядер водорода в ядро гелия. При этом действительно выделяется огромная энергия. К тому же водорода на Солнце и звездах пока что предостаточно, его хватит очень надолго. В 30-х годах было подсчитано, что Солнце с неизменной интенсивностью может сиять по меньшей мере еще несколько миллиардов лет.

Давно уже осуществлены на земле взрывные термоядерные реакции. Ученые надеются, что в обозримом будущем удастся обуздать их и построить термоядерные электростанции. Между тем представление, что Солнце — это гигантский термоядерный «котел», по-прежнему остается всего-навсего гипотезой. Решающих доказательств, что это именно так, добыть не удалось. Больше того, и эта общепринятая, хотя и не доказанная, гипотеза пошатнулась с появлением новой «информации к размышлению». Что я имею в виду?

Во-первых, как известно, в ходе термоядерного синтеза обязаны возникать нейтрино — частицы, не обладающие ни зарядом, ни массой покоя. Однако эксперименты показали вполне определенно, что плотность потока солнечных нейтрино на самом деле много меньше, чем предсказывает теория.

Во-вторых, сейчас в космосе обнаружены объекты, излучающие столько энергии, что это не по силам и термоядерному синтезу. Таковы, например, невообразимо далекие от нас квазары.

И наконец, в-третьих. Если Солнце действительно питается «термоядом», оно должно быть неоднородным — состоять из плотного горячего ядра и сравнительно холодной рыхлой оболочки, которая, кстати, такой и предстает взору астрономов. Что же касается ядра, то недавно появились серьезные подозрения о существовании его у Солнца. И сомнения эти посеяли сотрудники академика А. Северного, которые в результате многолетних исследований пришли к заключению: Солнце сжимается и расширяется с периодом 160 минут и скоростью около двух метров в секунду, и поэтому у него скорее всего нет плотного ядра. Было обнаружено, что с такой же периодичностью меняется яркость нашего светила и напряженность его магнитного поля.

Как видите, вовсе не исключено, что в конце концов астрофизики с нынешней термоядерной моделью Солнца окажутся, так сказать, у разбитого корыта. И вновь перед ними встанет во весь рост извечная и главная загадка — откуда берется неисчерпаемая энергия излучения Солнца и других звезд? Пока наука взамен «термояда» ничего предложить не может. Вот почему ученые настойчиво ищут способ, как бы заглянуть в недра звезд.

Ближайшая к нам звезда — это Солнце. Но даже о нем ученые знают далеко не все. Вплоть до XIX века определенно известно было лишь одно: солнечные лучи несут тепло и свет, без которых на Земле жизнь невозможна. В прошлом веке обнаружили, что, кроме, так сказать, видимых световых лучей, Солнце испускает и невидимые — ультрафиолетовые. И уже в то время возникло «подозрение», что оно может излучать и более короткие, чем ультрафиолет, волны, которые просто не удается «поймать» на Земле. А не удается по той причине, что они полностью поглощаются атмосферой.

Через столетие в этом убедились окончательно.

Изучая солнечную корону, ученые обнаружили в ее спектре линии, которые нельзя было объяснить присутствием ни одного из известных на Земле химических элементов. Назревала сенсация, ведь получалось, что на Солнце открыт новый элемент. Иные восторженные представители науки так и решили, даже название ему придумали — короний. Увы, надежды открыть новый элемент развеялись как дым. Было доказано, что необычные линии в солнечном спектре принадлежат атомам… железа. Правда, не совсем обычным атомам, а потерявшим большую часть своих электронов. Как оказались они в таком состоянии? Какая сила сумела так «раздеть» атомы?

Ответы на эти вопросы были получены гораздо позже. Но уже тогда ученым стало ясно: «раздетые» атомы обязаны давать рентгеновское излучение. Однако удостовериться в этом можно лишь одним способом: вынести приборы за пределы атмосферы. Никакие другие, самые совершенные средства наземной астрономии здесь не в состоянии помочь.

И вот 3 ноября 1957 года второй советский искусственный спутник Земли взял с собой на орбиту приборы, регистрирующие рентгеновское излучение. Кстати, лишь три года спустя начались подобные эксперименты в США. Приборы не замедлили подтвердить: да, от Солнца исходят рентгеновы лучи. И сразу же обнаружилась удивительная вещь: излучение не было постоянным — оно пульсировало. Относительно спокойные периоды сменялись бурными, когда поток лучей возрастал в десятки раз. Столь буйный характер рентгеновского излучения Солнца предвещал, что потребуются исследования долгие и кропотливые. Так и произошло. Целых двадцать лет понадобилось, чтобы постепенно, по черточке, по штриху нарисовать рентгеновский «портрет» нашего светила.

Прежде всего выяснили, где именно на Солнце рождается рентгеновское излучение. Приборы, раз за разом «ощупывая» светило, обнаружили, что источники излучения располагаются не на его поверхности, а над ней — в короне. И даже не во всей короне, а в отдельных ее небольших областях, которые называли конденсациями. Они-то и оказались тесно связанными с солнечными вспышками — одновременно с ними возникают и исчезают. Теперь осталось ответить на вопрос: почему рентгеновское излучение появляется именно в конденсациях?

Тщательное изучение многих сотен спектрограмм принесло разгадку. Дело в том, что для конденсаций характерна очень высокая температура. Если на поверхности Солнца «всего лишь» 6 тысяч градусов, в короне уже «пожарче» — до одного миллиона, то в конденсациях температура достигает 3–5 миллионов градусов. Вот почему атомы, словно не выдержав чудовищной жары, «раздеваются», теряя свои электроны. Так установили природу солнечного рентгена: его порождает местный разогрев отдельных участков короны.

Ну и какое нам, казалось бы, дело до этого? Рентгеновское излучение до земной поверхности все равно не доходит. Может ли оно существенно повлиять на свойства окружающего нас мира?

Оказывается, может, и самым непосредственным образом. Наряду с ультрафиолетом рентгеновское излучение обеспечивает нам дальнюю радиосвязь. Обрушиваясь на атмосферу, оно разбивает ее атомы, срывая с них электроны и превращая в ионы. Так образуется ионосфера — «зеркало», отражающее радиоволны наземных радиостанций. Но это еще не все.

Рентгеновские лучи пагубно действуют на покрытие космических аппаратов, и с этим приходится считаться конструкторам. Белая краска, например, с течением времени темнеет. А это может нарушить температурный режим внутри спутника. Поэтому сейчас все покрытия для космических аппаратов проходят обязательную проверку на рентгеноустойчивость.

Вот вам конкретная польза от исследований, которые еще далеко не закончены.

Давно было замечено, что вспышка на Солнце неизменно сопровождается нарушением радиосвязи на всей освещенной части планеты. Долгое время было непонятно, как работает механизм этого явления. Все встало на свои места, когда удалось установить, что в том месте, где происходит вспышка, резко, в тысячу раз, увеличивается рентгеновское излучение. Оно-то и вызывает ионосферные возмущения, из-за которых нарушается радиосвязь на Земле.

Однако связать рентгеновское излучение со вспышками — это полдела. Надо было определить, где и отчего возникают вспышки, как они протекают? Для этих исследований в Физическом институте АН СССР имени П. Н. Лебедева придумали и построили специальную аппаратуру. С ее помощью ученые выяснили, что солнечное вещество при вспышке нагревается до 30–50 миллионов градусов. Эта чудовищная температура порождает резкий всплеск мощного, или, как говорят специалисты, жесткого, рентгеновского излучения. Энергия такого своеобразного взрыва, происходящего в солнечной атмосфере, эквивалентна миллиарду водородных бомб! Откуда же она берется на Солнце?

И снова спутники и ракеты понесли в космос фотокамеры, спектрографы, поляриметры… В конце концов ученые убедились, что вспышка черпает энергию из магнитного поля Солнца. Когда оно перестраивается, то в плазме солнечной короны образуются мощные электрические токи, подобно тому как они возбуждаются в динамо-машине. Эти токи при определенных условиях нагревают солнечное вещество до немыслимо огромной температуры. Вот вам и вспышка. Иногда вспышку вызывает своего рода «разрыв» токовой цепи. Тогда в этом месте частицы плазмы разгоняются до колоссальных скоростей и вырываются в пространство. Между прочим, некоторые из них — протоны — могут быть опасными для космонавтов.

Исследования рентгеновского излучения позволили лучше понять природу вспышек на Солнце. И все же при этом завеса, скрывающая тайны нашего светила, лишь чуть-чуть приоткрылась. И надо планировать новые эксперименты, разрабатывать новые приборы, создавать новые теории.

Вот и получается, что свои самые смелые надежды на будущие фундаментальные открытия, на дальнейший прогресс астрономии и астрофизики ученые связывают с космонавтикой. Здесь уместно вспомнить одну истину: крупнейшие открытия в астрономии были сделаны не в результате поисков, предпринятых на основе предсказаний или догадок, а просто благодаря тому, что наблюдения стали вестись методами и средствами, резко отличавшимися от имевшихся до этого. Эта истина справедлива для всех этапов развития астрономии от телескопчика Галилея до советского шестиметрового телескопа-гиганта БТА и от него — до выхода в необъятные просторы космоса.

В поисках «черных дыр»

Об этом узнали сравнительно недавно, каких-нибудь двадцать лет назад. Оказалось, что если бы наши глаза могли видеть только рентгеновское излучение, то звездное небо над нами выглядело бы совсем иначе. Правда, рентгеновские лучи, испускаемые Солнцем, удалось обнаружить еще до рождения космонавтики, но о других источниках в звездном небе и не подозревали. На них наткнулись случайно.

В 1962 году американцы, решив проверить, не исходит ли от поверхности Луны рентгеновское излучение, запустили ракету, снабженную специальной аппаратурой. Вот тогда-то, обрабатывая результаты наблюдений, радиоастроном Джиаккони убедился, что приборы отметили мощный источник рентгеновского излучения. Он располагался в созвездии Скорпион. Ему дали обозначение Х-1 (икс-один). С помощью высотных ракет на карту звездного неба вскоре нанесли более 30 рентгеновских источников.

Несмотря на первые успехи, подобные наблюдения не устраивали ученых: слишком они были кратковременны — всего несколько минут. А ведь над планетой уже вовсю кружили спутники, способные выносить в космос рентгеновскую аппаратуру на месяцы и годы. Они-то и стали технической базой нового направления в изучении неба — рентгеновской астрономии. В начале 70-х годов на орбиту вышли первые два спутника, предназначенных для поиска и исследований источников рентгеновских лучей во вселенной, — американский «Ухуру» и советский «Космос-428».

К тому времени кое-что уже начало проясняться. Объекты, испускающие рентгеновские лучи, сумели связать с еле видимыми звездами, обладающими необычными свойствами. Это были компактные сгустки плазмы ничтожных, конечно по космическим меркам, размеров и масс, раскаленные до нескольких десятков миллионов градусов. При весьма скромной наружности эти объекты обладали колоссальной мощностью рентгеновского излучения, в несколько тысяч раз превышающей полную светимость Солнца.

Сама плазма, даже нагретая до столь высоких температур, не может долго давать такое интенсивное излучение. Всей ее тепловой энергии хватило бы лишь на доли секунды. A наиболее известные рентгеновские источники наблюдаются уже по нескольку лет, и все это время работают не иссякая. Значит, внутри плазменного сгустка есть еще что-то, какой-то невидимый генератор, постоянно питающий его своей энергией.

«На какой-то миг создалось впечатление, что таинственные нейтронные звезды — гордость теоретической мысли XX века — наконец-то обнаружены. Увы, природа и на этот раз оказалась намного сложнее и богаче», — писал известный астрофизик И. Шкловский.

Действительно, давно предсказанные нейтронные звезды искали уже не первый год. Эти крохотные, диаметром около десяти километров, останки полностью выгоревших звезд, сжавшиеся до чудовищной плотности, должны были хоть как-то заявить о себе. Этого с нетерпением ждали. Поэтому так охотно в рентгеновских источниках «узнавали» нейтронные звезды. И ведь, казалось бы, все сходилось. Но расчеты опровергли надежды: только что образовавшиеся нейтронные звезды должны были бы сразу остыть и перестать излучать. А эти лучились рентгеном. Снова, подобно сказочной Синей птице, нейтронные звезды, что называется, выскользнули из рук ученых. Рентгеновские источники по-прежнему оставались вещью в себе. Острая нужда в новых фактах становилась все более очевидной. И ждали их прежде всего из космоса.

Приборы «Ухуру» и «Космоса-428» работали в различных диапазонах длин волн. Американский аппарат предназначался для поисков «мягкого» рентгена, советский — «жесткого». Спутники неплохо дополняли друг друга. После полета «Ухуру» число известных рентгеновских источников перевалило за сотню. Но главное было не в этом. Исследователи обнаружили строго периодические изменения потоков излучения некоторых из них. Был определен и период этих вариаций — обычно он не превышал нескольких суток.

Нечто подобное было знакомо астрономам. Так могли вести себя лишь две вращающиеся вокруг общего центра звезды, из которых одна периодически затмевала другую. Во время заходов рентгеновский поток ослаблялся, а затем восстанавливался до прежнего уровня. Новые наблюдения подтвердили гипотезу. Несколько источников совпало с наблюдаемыми в телескопы двойными звездами. Теперь уже можно было не только уточнить их массу и размеры, но и попробовать разобраться в их природе.

А с орбит приходили все более удивительные новости. Были обнаружены рентгеновские пульсары. К этому термину тогда еще не успели привыкнуть. Пульсарами назвали только что открытые удивительные источники радиоизлучения, регулярно испускающие очень короткие импульсы. Ко времени открытия их рентгеновских двойников уже было доказано, что именно радиопульсары — это и есть «живые» нейтронные звезды, предсказанные теоретически. Ясны были и причины особого характера их излучения: равномерно вращаясь с огромной скоростью, звезда при каждом обороте как бы «освещает» Землю своими радиолучами. И вот теперь — пульсары рентгеновские! К тому же оказалось, что и некоторые, так сказать, «настоящие» пульсары большую часть энергии излучают все же не в радио-, а именно в рентгеновском диапазоне. Просто раньше этого не замечали.

Откуда же черпают рентгеновские источники колоссальную энергию излучения? Основным условием превращения нормальной звезды в нейтронную считается полное затухание в ней ядерной реакции. Поэтому ядерная энергия исключается. Тогда, может быть, это кинетическая энергия быстро вращающегося массивного тела? Действительно, она у нейтронных звезд велика. Но и ее хватает лишь ненадолго.

Большинство нейтронных звезд существует не поодиночке, а в паре с огромной, различимой в телескоп звездой. В их взаимодействии, как полагают теоретики, и скрыт источник могучей силы космического рентгена. Звездный дуэт связан не только невидимыми узами. С поверхности оптической звезды к ее небольшой, но массивной и сверхплотной соседке, обладающей к тому же сильным магнитным полем, постоянно тянется струя газа. Она образует вокруг нейтронной звезды плоский газовый диск. У магнитных полюсов нейтронного шара вещество диска выпадает на его поверхность, а приобретенная при этом газом энергия превращается в рентгеновское излучение. Учитывая огромную силу притяжения нейтронной звезды, а следовательно, и скорость падающего на нее вещества, нетрудно представить, какая колоссальная энергия при этом выделяется. Предложенный механизм, называемый аккрецией, хорошо объяснил многие особенности рентгеновских источников.

Теория компактных рентгеновских источников в двойных системах получила экспериментальное подтверждение. С борта спутника «Коперник» удалось проследить за выходом рентгеновского пульсара в созвездии Геркулеса из полосы затемнения его оптической звездой. Все событие длилось несколько десятков секунд. Так быстро вынырнуть из тени мог только объект, размеры которого не превышают пять тысяч километров. Объем окружающего нейтронную звезду газового диска неплохо соответствует этой величине.

Свой сюрприз преподнес и «Космос-428». Его аппаратура не только обнаружила в небе новые источники невидимого глазом излучения, но и открыла совсем неизвестное ранее явление — рентгеновские вспышки. «Космос-428» засек их сразу же, в первый день работы на орбите. Всего за полдня он зарегистрировал около двадцати всплесков, каждый из которых длился не более секунды, а мощность излучения при этом возрастала в десятки раз. Так вслед за квазарами, пульсарами, космическими мазерами и прочими астрономическими новинками в небесных каталогах появились барстеры — источники рентгеновских вспышек.

Их тоже ученые связывают с двойными системами. На одной из двух звезд — оптической — время от времени могут происходить взрывы, аналогичные солнечным вспышкам и сопровождаемые выбросами больших масс вещества. При этом продукты взрыва падают на поверхность звезды-соседки и вызывают всплески рентгеновского излучения.

Правда, самые мощные вспышки трудно было объяснить таким образом. Слишком велика выстреливаемая из них энергия. Она лишь в несколько тысяч раз уступает полному излучению сотен миллиардов звезд, из которых состоит наша Галактика. Вот почему в местах возникновения таких вспышек принялись искать новые необычные объекты. Поиски эти вновь привели исследователей к нейтронным звездам. Однако нельзя было сбрасывать со счетов и других потенциальных кандидатов.

…В ясную ночь в созвездии Геркулеса можно увидеть в бинокль крохотное туманное пятнышко. Сильный телескоп совершенно меняет картину: это уже не одна мерцающая точка, а целое их скопление. Как будто вспыхнул фейерверк, рассыпался искрами и вдруг почему-то остановился, застыл и неподвижно повис в пространстве.

В этом необычном рое собраны сотни тысяч звезд, из которых мы видим лишь самые яркие. Сгущаясь к центру шара, они сливаются воедино, испуская сплошное сияние. Таких шаровых скоплений в галактике насчитывается немногим более двухсот. Примерно столько же, сколько открыто и рентгеновских источников. Случайное ли совпадение? А не из этих ли шаровых скоплений доносятся к нам отголоски рентгеновских бурь?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было сравнивать местоположение звездных «фейерверков» и источников вспышек. Определение небесных координат замеченных со спутников объектов потребовало долгих и кропотливых расчетов. Но зато теперь тождество некоторых галактических рентгеновских источников с шаровыми звездными скоплениями не вызывает сомнений.

Интересно, что наиболее мощные вспышки наблюдаются именно в шаровых скоплениях. Колоссальные масштабы звездной активности уже никого не удивляют. И все же существует предел энергии, непрерывно излучая которую звезды еще остаются самими собой. Считалось, что за этой гранью звезду ждет гибель. Так вот, светимость рентгеновских вспышек в шаровых скоплениях в десятки, а иногда и в сотни раз превышает этот предел!

Излучаемая звездой энергия обычно тесно связана с ее массой. Генерировать рентгеновские всплески такой мощности, какие наблюдаются в скоплениях, могут только объекты огромной массы, в десятки и сотни раз превышающей солнечную. Как тут было не вспомнить о «черных дырах»?

Теоретики подсказали: «черные дыры», входящие в состав двойных звездных систем, могут сигнализировать о себе рентгеновским излучением. И причина его возникновения должна быть та же — аккреция газа. Правда, механизм в этом случае несколько другой. Оседающие в «дыру» внутренние части газового диска должны нагреться и потому стать источниками рентгена.

Рентгеновскую активность шаровых скоплений пытались объяснить наличием в них двойных систем с «обычными» нейтронными звездами, или «черными дырами». Однако слишком большая энергия возникающих там вспышек породила и другие гипотезы. Одну из них, весьма оригинальную, предложили американские астрофизики.

Переходом в нейтронную звезду заканчивают «жизнь» лишь те светила, масса которых не превышает двух с половиной — трех солнечных. Более крупные звезды чаще всего постигает участь «черной дыры». По мнению авторов гипотезы, наиболее «густые» — центральные — части некоторых шаровых скоплений тоже могут превращаться в сверхтяжелые «черные дыры». Их масса уже в сотни, а то и в тысячу раз превышает солнечную. Естественно, для рождения гигантских вспышек в них должно падать немыслимо огромное количество газа. Ну и что же? Ведь все скопления буквально купаются в межзвездном газе! Конечно, это не то, что «густая» струя в двойной системе, но зато и запасы межзвездного газа практически неограниченны. В его аккреции на сверхмассивные «черные дыры» и видят многие ученые причину грандиозных всплесков.

Здесь уместно вспомнить о сделанном еще раньше, в 1972 году, предположении И. Шкловского о том, что «в процессе эволюции звезд выброшенный ими газ должен стекать в самые центральные области сфероидальных галактик». Этот процесс, по мнению ученого, и приводит в конечном итоге к образованию в таких галактиках сверхмассивных «черных дыр».

Проанализировав 80 известных шаровых скоплений, американские ученые выделили из них 11 наиболее подозрительных. Оказалось, что в некоторых из этих скоплений «Космос-428» действительно зарегистрировал мощные рентгеновские всплески. Похоже, что сверхмассивные «черные дыры» и вправду существуют не только на кончике пера теоретиков.

В великом множестве рассыпанных по небу звезд есть звезды рождающиеся и умирающие. Рентгеновская астрономия поведала нам о последнем, может быть, самом бурном, этапе их развития. Благодаря ей мы узнали о мощнейших космических взрывах, о газе с температурой в десятки и сотни миллионов градусов, о возможности совершенно необычного сверхплотного состояния вещества в «черных дырах».

Рентгеновская астрономия, рожденная космическим веком, переживает свое детство. Но именно в этой области приоткрываются тайны фундаментальных краеугольных истин мироздания. А это не только абстрактные понятия. Проникая в глубины вселенной, в мир далеких звезд, человек получает новые знания. И многие открытия нередко находят свое продолжение в лабораториях, становятся источником новых прикладных разработок.

Секреты странной звезды

Погожим декабрьским днем 1973 года с Байконура стартовал космический корабль «Союз-13». Даже внешне он заметно отличался от своих предшественников. На его орбитальном отсеке красовался настоящий астрономический купол. В нем размещалась обсерватория «Орион-2». Ради нее, собственно говоря, и отправился на орбиту «Союз-13». Точнее, ради того, чтобы получить ультрафиолетовые спектральные снимки слабых звезд с помощью широкопольного менискового телескопа с объективной призмой обсерватории «Орион-2». Так гласило сообщение ТАСС.

В результате восьмисуточного пребывания обсерватории за пределами Земли и успешной работы космонавтов П. Климука и В. Лебедева были получены спектрограммы многих тысяч звезд. Самые слабые из них достигали 13-й величины. Для сравнения можно сказать, что они слабее звезд ковша Большой Медведицы в 10 тысяч раз. Этот предел и сегодня, спустя восемь лет, остается непревзойденным. Не случайно НАСА в своем официальном докладе, опубликованном в 1977 году, расценила вывод на орбиту «Ориона-2» как «поворотный этап в советской космической астрономии».

Надо сказать, что сама обсерватория «Орион-2», как, впрочем, и ее предшественница «Орион», которая работала в космосе на борту орбитальной научной станции «Салют», была задумана и разработана в Гарнийской лаборатории космической астрономии АН Армянской ССР. Конструкция ее весьма интересна с инженерной точки зрения. Все оптические системы телескопа, включая зеркала, были выполнены из плавленого кварца. Диаметр входного отверстия составлял 240 миллиметров, фокусное расстояние — один метр, основной рабочий диапазон — 2000–3000 ангстрем (ангстрем — это одна десятимиллиардная доля метра).

Любопытно, что создатели «Ориона-2» не устояли перед искушением проделать эксперимент, убедительно продемонстрировавший тот выигрыш, который дает астрофизике вывод телескопа за пределы атмосферы. На Земле с помощью «Ориона-2» они зафиксировали спектр хорошо им известной звезды. А позднее, уже в полете, космонавты по их просьбе сфотографировали спектр другой, но сходной по блеску звезды. Стоило положить оба снимка рядом, как отпадали всякие сомнения даже у людей, далеких от астрономии. «Земной» спектр резко обрывается на длине волны ультрафиолетового излучения 3200 ангстрем, тогда как «космический» простирается вплоть до 2000 ангстрем. Как говорится, куда уж нагляднее.

Обильный урожай, снятый космонавтами со звездной нивы лишь в одном полете, привел в восторг астрофизиков Гарнийской лаборатории. Они довольно быстро разобрались в этом богатстве наблюдений и представили миру первые результаты работы астрономов с «Союзом-13». Даже простое перечисление наиболее существенных открытий, которые удалось при этом сделать, заняло бы не одну страницу. Ограничусь несколькими примерами.

С помощью «Ориона-2» были открыты мощные хромосферы у считающихся холодными звезд. Хромосфера — слой горячего газа, окутывающий звезду. До того знали только об одной хромосфере, той, что у Солнца. Обнаружили новые горячие звезды очень низкой светимости и совершенно непонятной природы. Впервые получили ультрафиолетовую спектрограмму планетарной туманности. Это гигантских размеров газовое образование с очень горячей звездой в центре. И хотя в руках астрофизиков оказалась всего-навсего одна спектрограмма, она позволила выявить три новых для планетарных туманностей элемента — магний, алюминий и титан. Скажете, не так уж и много? Не торопитесь с выводами. За предшествовавшие пятьдесят лет изучения планетарных туманностей обнаружено было всего шестнадцать элементов, а за последнюю четверть века — ни одного.

Примеры такого рода можно продолжать и дальше. Но, думаю, дело не в этом. Главное в том, что «Орион-2» не только и не столько решил какие-то астрофизические проблемы, сколько поставил новые. Порой это бывает похоже на увлекательный детектив. Судите сами.

Уже во время первых просмотров спектральных снимков «Ориона-2», доставленных с орбиты, внимание астрономов привлекла одна сравнительно слабая звезда, не отмеченная ни в одном из каталогов. Решили ее условно обозначить № 1. Располагается она недалеко от Капеллы. Коротковолновая граница спектра незнакомки упиралась в отметку около 2500 ангстрем. Значит, температура ее излучения высока. Проверили, действительно, оказалось не менее 20 тысяч градусов. А если учесть влияние межзвездного поглощения, то и того больше — свыше 50 тысяч градусов. Но тогда, по заключению астрономов, выходило, что она в 100 раз слабее обычной звезды той же температуры.

«Долго мы сидели над этой записью — мой учитель, вдохновитель и убежденный поборник всех наших начинаний в области внеатмосферной астрономии академик В. Амбарцумян и я, — рассказывал доктор физико-математических наук Г. Гурзадян, директор Гарнийской лаборатории. — Но расшифровать ее, разгадать природу этой звезды так и не смогли. Остановились лишь на предположении, что она, возможно, белый карлик. Но чтобы убедиться в этом, нужно хотя бы иметь ее спектрограмму, снятую в наземных условиях. Пишу письмо известному американскому астрофизику, крупнейшему знатоку звездных спектров Хербигу с просьбой изыскать возможность получения щелевой спектрограммы этой звезды с высоким разрешением на телескопе с трехметровым зеркалом Ликской обсерватории».

Американский коллега откликнулся на просьбу Г. Гурзадяна. Нужные спектрограммы были получены. Их анализ показал, что звезда № 1 не может быть белым карликом. Догадка, казавшаяся наиболее вероятной, не подтвердилась. Но тогда что же она такое, звезда № 1? Да и звезда ли это? И вообще, достаточно ли оснований считать, что объект № 1 находится в галактике? Уже и такие вопросы стали задавать себе ученые. Даже решились на предположение, что это квазар. (Так называют квазизвездные источники — недавно наиболее сенсационные объекты вселенной.) Ведь в телескопы квазары выглядят как слабенькие звездочки. На самом же деле светимость каждой из них больше, чем целой галактики, состоящей из ста миллиардов звезд. Просто квазары находятся от нас на удалениях, исчисляемых миллиардами световых лет, где-то на самом краю видимой в телескопы части вселенной. Удивительно, что интенсивность блеска квазаров меняется в течение месяцев и даже дней. Это означает, что они — одиночные массивные объекты, а не скопления миллиардов звезд, которые не могли бы мерцать все одновременно.

Откуда же берется энергия для столь мощного излучения? Выдвигались самые фантастичные гипотезы. В последнее время астрофизики склоняются к тому, что «топливо», питающее квазары, — гравитационная энергия. Мы привыкли к мысли, что ядерная энергия самая мощная. А может быть, это заблуждение, ограниченность нашего мышления, рожденная шоком ядерных взрывов? Почему бы не допустить, что во вселенной гравитационная энергия играет гораздо большую роль, чем мы ей отводим сейчас?

Однако если предположить, что звезда № 1 квазар, то он очень непохож на своих, так сказать, собратьев. Его светимость гораздо слабее, значит, он должен находиться недалеко от нас. Короче говоря, получается какой-то карликовый квазар, о которых до истории со звездой № 1 астрономы ничего подобного и в мыслях не держали. Как знать, может быть, и зря. Почему бы не поискать карликовые квазары вблизи нас? Их же нельзя обнаружить там, где нашли обычные квазары!

События вокруг объекта № 1 принимают детективный характер, и развязка пока не предвидится. Но она непременно произойдет. Правда, для этого потребуются новые «Орионы», новые, еще более совершенные и мощные космические обсерватории.

История с двумя фотонами

Природа познаваема, и наука последовательно снимает покровы с ее заветных тайн. Пока мы не знаем биографии вселенной до нынешнего момента, не знаем, что ждет ее в необозримом будущем. Может быть, она разбежится, а может, снова сожмется в точку. И возможно, ответы на многие из вопросов, касающихся судеб мироздания, принесет физика элементарных частиц — наука, изучающая микромир. Ничего здесь парадоксального нет. Главная задача и физики элементарных частиц, и астрофизики — понять, как устроена окружающая нас природа. Вот почему исследования микромира и мегамира сейчас порой тесно смыкаются. Наглядный тому пример — история с двумя фотонами, о которой я хочу рассказать.

Всюду, начиная от пламени обыкновенной спички и кончая звездами и Солнцем, каждый, образно говоря, переход электрона с более высокой орбиты вокруг ядра на более низкую сопровождается испусканием одного, и только одного, фотона. Такова природа этого явления, известного нам со школьной скамьи.

Однако еще в конце 20-х годов немецкий физик-теоретик М. Гепперт-Майер, опираясь на только что появившийся тогда теоретический аппарат квантовой механики, показал чисто математическим путем, что переходы атома из одного состояния в другое могут вызвать появление одновременно двух фотонов. При этом сумма энергий обоих должна быть постоянной и равной разности энергии исходного и конечного энергетических уровней атома.

В начале 40-х годов ученые сочли очевидным, что двухфотонное излучение вполне реально при одном из переходов атома водорода. Правда, вероятность такого события в миллион раз меньше, чем обычного однофотонного перехода. Дело в том, что для появления двухфотонного излучения необходимы условия, при которых ничего не должно помешать возбужденному атому «прожить» в особом, метастабильном состоянии положенное время — около десятой доли секунды. А помешать здесь способны случайные столкновения с другими атомами или фотонами.

Выход ясен: нужна сильно разреженная среда, в которой одновременно чрезвычайно мала и плотность излучения. По расчетам выходило, что даже предельно малые концентрации вещества при этом должны быть в миллион раз меньше тех, что достигаются в самых совершенных вакуумных камерах на Земле. Вот почему в течение полувека в физических лабораториях так и не сумели получить экспериментального доказательства одного из фундаментальных предсказаний квантовой механики.

Между тем необходимые для двухфотонного излучения условия существуют в планетарных туманностях. Именно к ним в последние 20–30 лет обращали свои взоры физики и астрофизики в надежде обнаружить неуловимое излучение. И что вы думаете? Именно там они его нашли. На полученной в космосе с помощью «Ориона-2» спектрограмме одной из планетарных туманностей наконец-то отыскались явные признаки двухфотонного излучения водорода. Тщательная проверка, проведенная разными способами, полностью подтвердила этот вывод.

Итак, пока увенчалась успехом лишь одна попытка. Но Рубикон перейден. Внеатмосферная астрономия, которой космонавтика дала жизнь, уверенно шагает в грядущее. И ей суждено раскрыть самые сокровенные тайны вселенной.