Історія астрономії та астрофізики стала пошуком відповідей на ці ті інші запитання, які виникали, щойно ми отримували деякі відповіді. Протягом останніх чотирьох століть можливості астрономів залежали, звісно, від потужності й чутливості їхніх телескопів. Винятком був лише Тихо Браге, який здійснив дуже детальні спостереження неозброєним оком, за допомогою найпростішого обладнання, що врешті привели Кеплера до трьох великих відкриттів, відомих як закони Кеплера.
Більшість цього часу в нас не було жодних телескопів, окрім оптичних. Розумію, що для неастронома це звучить вельми дивно. Коли ви чуєте про телескоп, то одразу уявляєте «трубку з лінзами й дзеркалами, через яку ви дивитеся», правильно? Хіба можуть бути якісь інакші телескопи? Коли в жовтні 2009 року президент Обама влаштовував ніч астрономії, на галявині біля Білого дому встановили багато телескопів, і геть усі були оптичними.
Але ще від 1930-х, коли Карл Янський відкрив радіохвилі з галактики Чумацький Шлях, астрономи прагнули розширити діапазон електромагнітного випромінювання, у якому вони спостерігають Всесвіт. Вони довго шукали (і знайшли) мікрохвильове випромінювання (короткі радіохвилі), інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання (частоти, вищі й нижчі за частоти видимого світла), рентгенівські та гамма-промені. Щоб виявити це випромінювання, ми створили безліч спеціальних телескопів — наприклад, рентгенівські й гамма-телескопи, — що дають змогу людству глибше й ширше побачити Всесвіт. Існують навіть підземні нейтринні телескопи, зокрема один такий, із цілком слушною назвою «Крижаний куб» (IceCube), зараз будують на Південному полюсі.
Останні сорок п’ять років, відколи я в астрофізиці, я працював у галузі рентгенівської астрономії: відкривав нові джерела рентгенівського випромінювання та досліджував різноманітні спостережувані явища. Як я вже казав, початок моєї кар’єри припав на п’янкі та захопливі перші роки існування цього напрямку, і наступні сорок років я був у гущі подій. Рентгенівська астрономія змінила моє життя і, що важливіше, саму астрономію. У цьому й наступних чотирьох розділах ви познайомитеся зі всесвітом рентгенівської астрономії з точки зору людини, яка жила й працювала в ньому всю свою наукову кар’єру. Почнімо з рентгенівських променів.
Що таке рентгенівські промені?
Англійською рентгенівські промені називають Х-променями, тому що спершу вони були «невідомі» (подібно до x у рівнянні), але це звичайнісінькі фотони — електромагнітне випромінювання, — що є частиною невидимого електромагнітного спектра і розташовані між ультрафіолетовим світлом і гамма-променями. Голландці та німці називають Х-промені рентгенівськими, на честь німецького фізика Вільгельма Рентгена, який відкрив їх у 1895 році. Ми розрізняємо їх, як і решту мешканців цього спектра, за трьома різними, але пов’язаними характеристиками: частотою (кількість циклів за секунду, вимірюється в герцах), довжиною хвилі (довжина окремої хвилі, вимірюється в метрах, у нашому випадку — у нанометрах) або рівнем енергії (вимірюється в електрон-вольтах, еВ, або кілоелектрон-вольтах, кеВ).
Ось кілька цифр для порівняння. Зелене світло має довжину хвилі приблизно 0,0000005 метра, або 500 нанометрів, і енергію приблизно 2,5 електрон-вольта. Фотон найслабкішого рентгенівського випромінювання має енергію близько 100 еВ, тобто в 40 разів більше, ніж у зеленого світла, а довжина хвилі приблизно 12 нанометрів. Максимальна енергія рентгенівських променів — орієнтовно 100 кеВ за довжини хвилі 0,012 нанометра. (У стоматологічних кабінетах використовують промені з енергією до 50 кеВ). На іншому кінці спектра електромагнітних хвиль — радіохвилі. У Сполучених Штатах радіопередачі транслюються в АМ-діапазоні, від 520 кілогерців (довжина хвилі — 577 метрів) до 1710 кілогерців (довжина хвилі — 175 метрів, приблизно як дві довжини футбольного поля). Їхня енергія в мільярд разів менша, ніж у зеленого світла, і в трильйон разів менше, ніж у рентгенівських променів.
У природі рентгенівські промені можуть виникати по-різному. Атоми більшості радіоактивних елементів випромінюють їх під час ядерного розпаду. При цьому електрони перестрибують з вищого енергетичного рівня на нижчий. Різниця в енергії може випромінюватися як рентгенівський фотон. Такі фотони мають дискретні величини енергії, тому що енергетичні рівні електронів квантовані. Іноді електрони, пролітаючи на великій швидкості повз ядро, змінюють напрямок і випускають частину своєї енергії у вигляді рентгенівських променів. Такий тип рентгенівського випромінювання, дуже поширений в астрономії та медичних рентгенівських апаратах, називають гальмівним випромінюванням. Краще зрозуміти виникнення гальмівного випромінювання допоможе це анімоване відео: cutt.ly/7tLyIr. Деякі медичні апарати можуть створювати й рентгенівське випромінювання дискретних енергій, але загалом переважає гальмівне випромінювання, яке дає неперервний рентгенівський спектр. Коли високоенергетичні електрони рухаються по спіралі навколо ліній магнітного поля, напрямок їхньої швидкості постійно змінюється, і тому вони також випромінюватимуть частину своєї енергії у вигляді рентгенівських променів. Це називають синхротронним, або магнітогальмівним, випромінюванням (те, що відбувається у Крабоподібній туманності, — про це трохи згодом).
Рентгенівські промені також виникають, коли щільна речовина нагрівається до дуже високих температур — мільйонів кельвінів. Це так зване випромінювання чорного тіла (див. розділ 14). Матерія розжарюється так сильно тільки в досить екстремальних випадках, таких як спалах наднової — потужний вибух, пов’язаний із загибеллю масивної зорі, — або коли газ із величезною швидкістю падає на чорну діру або нейтронну зорю (докладніше про це в розділі 13, обіцяю). Наприклад, Сонце, поверхня якого має температуру приблизно 6000 кельвінів, випромінює майже половину своєї енергії (46 відсотків) у вигляді видимого світла. Решта — це переважно інфрачервоне (49 відсотків) та ультрафіолетове (5 відсотків) випромінювання. Сонце й близько не таке гаряче, щоб випромінювати в рентгенівському діапазоні. Насправді воно випромінює певну кількість рентгенівських променів, природа яких не цілком зрозуміла, але їхня енергія становить лише одну мільйонну частку загальної енергії. Ваше тіло — джерело інфрачервоного випромінювання (див. розділ 9); його температура не достатньо висока для видимого світла.
Рентгенівські промені мають дуже цікаву (і корисну) особливість — деякі речовини (наприклад, кістки) поглинають їх більше, ніж інші (скажімо, м’які тканини), що пояснює світлі й темні ділянки на рентгенівському знімку ваших зубів або руки. Якщо ви колись робили рентген, то на вас одягали свинцевий фартух для захисту решти тіла, тому що вплив рентгенівського випромінювання може збільшити ризик онкологічних захворювань. Загалом пречудово, що наша атмосфера ефективно поглинає рентгенівське випромінювання. На рівні моря приблизно 99 відсотків м’якого (з енергією 1 кеВ) рентгенівського випромінювання поглинається лише одним сантиметром повітря. Щоб поглинути 99 відсотків променів з енергією 5 кеВ, потрібно приблизно 80 сантиметрів повітря. Жорстке рентгенівське випромінювання, 25 кеВ, майже повністю поглинається шаром повітря у 80 метрів.
Народження рентгенівської астрономії
Тепер ви розумієте, чому тоді, у 1959 році, коли Бруно Россі вирішив пошукати рентгенівські промені з відкритого космосу, він запропонував запустити ракету, що зможе вийти за межі атмосфери. Але сама ідея пошуку рентгенівських променів була схожа на якесь божевілля. Тоді не було жодних обґрунтованих причин вважати, що в космосі є рентгенівське випромінювання поза межами Сонячної системи. Але це не був би Россі, якби він не зумів переконати свого колишнього студента Мартіна Енніса, який працював у компанії American Science and Engineering (AS&E), і дослідника зі своєї групи Ріккардо Джакконі, що за це варто взятися.
Джакконі зі своїм колишнім колегою Френком Паоліні розробили спеціальні трубки Гейгера‒Мюллера, що виявляли рентгенівське випромінювання й кріпилися в носовій частині ракети. Власне, вони встановили три такі трубки в одну ракету. Вони назвали їх детекторами великої площі, але «великий» тоді означало завбільшки із кредитну картку. Згодом хлопці з AS&E взялися за пошуки фінансування цього експерименту, але NASA їм відмовило.
