Рентгеновская астрономия

Рентгеновская астрономия, раздел наблюдательной и теоретической астрофизики, исследующий источники космического рентгеновского излучения в области длин волн l от 100 до 0,3 . В шкале энергий фотонов этот диапазон соответствует 0,1—30 кэв, однако обе границы определены довольно условно. Для проведения астрономических наблюдений в этой области длин волн аппаратура поднимается за пределы земной атмосферы с помощью ракет или искусственных спутников Земли, так как рентгеновские лучи сильно поглощаются в атмосфере. Жёсткое рентгеновское излучение можно наблюдать с высот около 40 км с высотных аэростатов.

В космических условиях рентгеновское излучение может генерироваться горячей плазмой с температурой, превышающей 106 К в оптически тонкой или толстой среде, релятивистскими электронами в магнитных полях (синхротронное излучение), а также электронами космических лучей при их взаимодействии с фотонами низкой энергии (например, оптическими). Последний механизм носит название обратного Комптона эффекта.

Рентгеновское излучение Солнца впервые было обнаружено 5 августа 1948 в США с ракеты, хотя существование такого излучения предсказывалось и ранее на основании геофизических данных об ионосфере Земли. К середине 70-х гг. 20 в. солнечное рентгеновское излучение детально исследовано во всей области спектра. При отсутствии хромосферных вспышек оно простирается вплоть до 10—20 . Наличие на диске Солнца активных областей приводит к появлению жёсткого рентгеновского и даже гамма-излучения (рис. 1). В основном непрерывный спектр имеет тепловой характер с температурой от 106 и до 2×107 К, однако в начале развития вспышки наблюдается и нетепловая компонента. Рентгеновское излучение генерируется в пределах солнечной короны, а также в хромосфере и в переходной, чрезвычайно узкой по высоте области солнечной атмосферы. Обнаружено также и гамма-излучение вспышек, включая линейчатое. В рентгеновском спектре присутствуют линии многократно ионизованных элементов: Fe, Ni, Mn, Ar, Co и др. В основном наблюдаются спектры водородоподобных атомов, имеющих только один оставшийся электрон. С помощью оптики косого падения получены и фотографии солнечного диска в мягкой рентгеновской области спектра (рис. 2). Обнаружена поляризация рентгеновского излучения при вспышках.

Дискретные источники рентгеновского космического излучения были случайно открыты в 1962 при поиске рентгеновского флуоресцентного излучения Луны под действием космических лучей. К 1975 зарегистрировано более 150 источников. Большая их часть концентрируется к плоскости Галактики, что свидетельствует об их немногочисленности (по различным оценкам, в Галактике всего 103—104 таких источников) и преимущественном расположении в галактическом диске (рис. 3).

Поток от наиболее яркого источника в созвездии Скорпиона (Sco Х-1) равен 20 квантам/(см2×сек) в области спектра 2—8 . Наиболее слабые из зарегистрированных к 1975 источников имеют поток 10-3 кванта/(см2×сек) в той же области спектра. Лишь небольшая часть (около 10) из галактических источников отождествлена с оптически исследованными объектами. К ним относятся остатки сверхновых звёзд, причём в этом случае наблюдается как синхротронное излучение от протяжённой туманности, так и тепловое излучение от расширяющейся газовой оболочки и нагретого до температуры 106 К межзвёздного газа. Иногда наблюдается излучение остатка сверхновой звезды, вероятнее всего, являющегося нейтронной звездой. Рентгеновское излучение Крабовидной туманности (Tau Х-1) (второго по яркости источника) с потоком 2 кванта/(см2×сек) имеет пульсирующую компоненту с периодом 0,033 сек, совпадающим с периодом оптического и радиоизлучения пульсара. Обнаружены рентгеновские источники, входящие в двойные звёздные системы (Her Х-1, Cyg Х-1, Cyg Х-3, Cir Х-1, Cen Х-3 и др.), что позволило детально исследовать их физические параметры. Один из таких источников (Cyg Х-1), вероятно, является объектом, возникшим в результате гравитационного коллапса ("чёрной дырой"). Механизм рентгеновского свечения таких источников — истечение газа с поверхности нормального гиганта на нейтронную звезду или чёрную дыру — так называемая дисковая аккреция. Основная масса рентгеновских источников пока не отождествлена с наблюдаемыми в оптическом диапазоне объектами. Около 30 источников отождествлены с внегалактическими объектами. Это, в частности, —ближайшие галактики (Магеллановы Облака и Большая туманность Андромеды), скопления галактик, радиогалактики Дева-А (М87) и Центавр-А (NGC 5128), квазар ЗС 273, а также сейфертовские галактики.

Помимо дискретных источников рентгеновского излучения, наблюдается изотропный рентгеновский фон, спектр которого в области от 1 до 1000 кэв в первом приближении аппроксимируется степенным законом. Изотропный фон, по-видимому, имеет внегалактическое происхождение, однако механизм его излучения до сих пор не ясен. Среди вероятных гипотез рассматриваются: обратный комптон-эффект межгалактических электронов на инфракрасных фотонах активных галактик и на субмиллиметровых квантах фонового реликтового излучения, наложение излучения многих неразрешимых далёких внегалактических источников, тепловое излучение горячего межгалактического газа, а также различные комбинации этих механизмов.

В качестве детекторов излучения рентгеновского диапазона используются специальные фотоматериалы (для исследований Солнца), Гейгера — Мюллера счётчики, газонаполненные пропорциональные счётчики и сцинтилляционные счётчики. Все типы детекторов обеспечивают спектральное разрешение от 1 до 20 в зависимости от энергии регистрируемого излучения. Площадь пропорциональных счётчиков, с помощью которых получены основные результаты, достигает 1000 см2. Для коллимации (ограничения поля зрения) применяются сотовые или щелевые коллиматоры, набранные из тонких гофрированных пластин стали с предельным угловым разрешением около нескольких угловых минут, модуляционные коллиматоры, представляющие собой два (или более) ряда параллельно натянутых металлических нитей (предельное разрешение около 20“) и, наконец, зеркала косого падения гиперболического и параболического сечения с углом падения более 88° (т. е. почти по касательной к плоскости зеркала). Такие зеркала пригодны для получения рентгеновского изображения в мягкой области спектра (l > 10 ) с разрешением до 5“. Для спектральных исследований (пока только солнечных) используются брэгговские кристаллические спектрометры.

Р. а. относится к быстро развивающимся разделам внеатмосферной астрономии. Она имеет широкие перспективы, связанные с планируемыми запусками ракет или ИСЗ с большими счётчиковыми и зеркальными телескопами площадью 104—105 см2.

Лит.: Озерной Л. М., Прилуцкий О. Ф., Розенталь И. Л., Астрофизика высоких энергий, М., 1973; Уикс Т., Астрофизика высоких энергий, пер. с англ., М., 1972; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике. Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?, 2 изд., М., 1974; Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1962

В. Г. Курт.