Рентгеновская астрономия

Рентге́новская астрономия

Раздел наблюдательной и теоретической астрофизики, исследующий источники космического рентгеновского излучения в области длин волн λ от 100 Å до 0,3 Å. 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 (См. Хромосферные вспышки) оно простирается вплоть до 10—20 Å. 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 Å. 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 (См. Сверхновые звёзды), 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 (См. Нейтронные звёзды). Рентгеновское излучение Крабовидной туманности (См. Крабовидная туманность) (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» (См. Чёрная дыра)). 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 (См. Квазары) 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 (См. Реликтовое излучение), 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 (См. Пропорциональный счётчик) и сцинтилляционные счётчики (См. Сцинтилляционный счётчик). 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 (λ > 10 Å) с разрешением до 5“. Для спектральных исследований (пока только солнечных) используются брэгговские кристаллические спектрометры.

Р. а. относится к быстро развивающимся разделам внеатмосферной астрономии (См. Внеатмосферная астрономия). 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.

Рис. 2. Изображение диска Солнца в рентгеновском диапазоне, полученное при помощи телескопа косого падения 8 июня 1968.

Рис. 1. Спектр Солнца в области 1—8 Å.

Рис. 3. Распределение известных рентгеновских источников на небе. Использована галактическая система координат, центр Галактики в середине рисунка.