«Ухуру» став початком революції, що триває й досі. Подумайте, які можливості дає супутник: спостереження 365 днів на рік, 24 години на добу, без жодних атмосферних перешкод! «Ухуру» міг здійснювати такі спостереження, про які ми півтора десятка років тому могли лише мріяти. Трохи більше ніж за два роки супутник обстежив небо за допомогою лічильників, здатних уловлювати джерела, в 500 разів слабкіші за Крабоподібну туманність і в 10 000 разів — за Скорпіон Х-1. Він виявив 339 джерел (ми до того відкрили лише кілька десятків) і дозволив скласти першу повну карту неба в рентгенівському спектрі.
Нарешті звільнивши нас від пут атмосфери, орбітальні обсерваторії геть змінили наше уявлення про Всесвіт, бо ми навчилися бачити глибокий космос з усіма його дивовижними об’єктами в усіх частинах електромагнітного спектра. Космічний телескоп «Габбл» розширив наші уявлення про оптичний всесвіт, тоді як низка рентгенівських обсерваторій — про всесвіт у рентгенівських променях. А зараз гамма-обсерваторії досліджують всесвіт на ще вищих енергетичних рівнях.
У 1971 році «Ухуру» виявив пульсації джерела Кентавр Х-3 (у сузір’ї Кентавра) з періодом 4,84 секунди. У межах одного дня супутник спостерігав, як інтенсивність рентгенівського випромінювання змінилася в 10 разів приблизно за годину. Період пульсацій спершу скоротився, а потім зріс приблизно на 0,02 і 0,04 відсотка, і кожна зміна періоду відбувалася приблизно за годину. Усе це було надзвичайно захопливо, але водночас неабияк спантеличувало. Пульсації не могли виникати через обертання нейтронної зорі; їхній період стабільний. Жоден з відомих пульсарів не міг за годину змінити період обертання на 0,04 відсотка.
Пазл було складено, коли пізніше група, яка аналізувала дані з «Ухуру», виявила, що Кентавр Х-3 — це подвійна зоря з періодом обертання 2,09 дня. Пульсації з періодом 4,84 секунди — наслідок обертання нейтронної зорі, на яку відбувається акреція. Докази були незаперечними. По-перше, дослідники чітко побачили повторювані затемнення (кожні 2,09 дня), коли нейтронна зоря ховалася за зорею-донором, яка блокувала рентгенівські промені. І по-друге, їм вдалося виміряти зміну періоду пульсації внаслідок ефекту Доплера. Коли нейтронна зоря наближається до нас, період пульсації трохи коротший, а коли віддаляється — трохи довший. Ці неймовірні результати було опубліковано в березні 1972 року. Вони стали логічним поясненням незрозумілих явищ, описаних у звіті 1971 року. Це точно повторювало модель, яку Шкловський запропонував для джерела Скорпіон Х-1: подвійна система, що складається із зорі-донора й акреціювальної нейтронної зорі.
Пізніше того самого року група Джакконі виявила ще одне джерело з пульсаціями і затемненнями — Геркулес Х-1. Ще одна рентгенівська подвійна система з нейтронною зорею!
Це були просто приголомшливі відкриття, які докорінно змінили рентгенівську астрономію і визначили напрямок досліджень на кілька наступних десятиліть. Рентгенівські подвійні зорі дуже рідкісні: можливо, лише одна зі ста мільйонів подвійних зір у нашій Галактиці є рентгенівською подвійною. А проте зараз ми знаємо, що наша Галактика налічує кілька сотень рентгенівських подвійних зір. У більшості випадків компактний об’єкт (акретор) — білий карлик або нейтронна зоря, але також відомі принаймні два десятки систем, у яких акретором є чорна діра.
Пам’ятаєте змінність густини потоку випромінювання з періодом 2,3 хвилини, які виявила моя група в 1970 році (до запуску «Ухуру»)? Тоді ми не мали жодного уявлення, що означають ці зміни. Що ж, тепер нам відомо, що GX 1+4 — це рентгенівська подвійна система з періодом обертання майже 304 дні, а акреціювальна нейтронна зоря обертається з періодом приблизно 2,3 хвилини.
Як улаштовані рентгенівські подвійні зорі
Коли нейтронна зоря утворює пару із зорею-донором потрібного розміру, розташованою на потрібній відстані, вона може влаштувати яскраве видовище. Десь далеко у Всесвіті зорі, про існування яких сер Ньютон навіть не здогадувався, виконують прекрасний танець, нерозривно переплетений із законами класичної механіки, які зрозумілі будь-якому студенту-природничнику.
Щоб було зрозуміліше, почнімо зі спорідненого прикладу. Земля й Місяць утворюють подвійну систему. Якщо з’єднати центр Землі із центром Місяця, на цій лінії буде точка, де сила притягання, спрямована до Місяця, рівна, але протилежно спрямована до сили притягання до Землі. Якби ви там опинилися, рівнодійна сил, які діють на вас, дорівнювала б нулю. З одного боку від цієї точки ви почали б падати на Землю, а з другого — на Місяць. У цієї точки є назва — внутрішня точка Лагранжа. Звісно, вона розташована ближче до Місяця, тому що його маса приблизно у 80 разів менша, ніж маса Землі.
А тепер повернімося до рентгенівських подвійних систем, до яких входить акреціювальна нейтронна зоря та значно більша зоря-донор. Якщо ці зорі розташовані дуже близько одна до одної, внутрішня точка Лагранжа може лежати нижче поверхні зорі-донора. Тоді на частину речовини зорі-донора діятиме сила притягання до нейтронної зорі, яка перевищує силу тяжіння самої зорі, спрямовану до її центра. У результаті речовина — розжарений газ — перетікатиме із зорі-донора на нейтронну зорю.
Оскільки зорі обертаються навколо спільного центра мас, речовина не може падати прямо на нейтронну зорю. Перш ніж досягти поверхні, розжарений газ потрапляє на орбіту навколо нейтронної зорі, утворюючи диск, що обертається. Його називають акреційним диском. Частині газу із внутрішніх шарів диска зрештою вдається впасти на поверхню нейтронної зорі.
Далі до гри долучається цікаве фізичне явище, з яким ви вже ознайомилися в іншому контексті. Оскільки газ дуже гарячий, він іонізований, тобто складається з позитивно заряджених протонів і негативно заряджених електронів. А нейтронні зорі мають дуже потужне магнітне поле, тому заряджені частинки рухаються вздовж його магнітних ліній, і більшість плазми врешті-решт потрапляє на магнітні полюси зорі, як полярне сяйво на Землі. Поверхня нейтронної зорі біля магнітних полюсів (де в неї врізається речовина) розжарюється до мільйонів кельвінів та випромінює рентгенівські промені. А через те що магнітні полюси зазвичай не збігаються із полюсами осі обертання (див. розділ 12), ми спостерігаємо рентгенівський потік на Землі, тільки коли розжарена пляма повернута в наш бік. Нейтронна зоря обертається, тому з’являється ефект пульсації.
У будь-якій рентгенівській подвійній системі навколо компактного об’єкта — нейтронної зорі, білого карлика або, як у випадку з Лебідь Х-1, чорної діри — обертається акреційний диск. Акреційні диски — одні з найдивовижніших утворень у Всесвіті, але майже ніхто, крім астрономів-професіоналів, про них ніколи не чув.
Акреційні диски було виявлено навколо всіх рентгенівських подвійних систем із чорної дірою. Їх мають навіть надмасивні чорні діри в центрі багатьох галактик, хоча, судячи з усього, це, мабуть, не стосується чорної діри в центрі нашої Галактики.
Дослідження акреційних дисків стало окремою галуззю сучасної астрофізики. Ви можете побачити їхні дивовижні зображення, ввівши в пошуковик гугла словосполучення «X-ray binaries». Ми ще багато чого не знаємо про акреційні диски. Найбільше нас бентежить те, що ми досі не цілком розуміємо, як речовина з акреційного диска потрапляє на компактний об’єкт. Крім того, до кінця не з’ясовано природу непостійності в акреційних дисках, яка викликає змінність потоку речовини на компактний об’єкт і змінність світності рентгенівського випромінювання. Також дуже мало відомо про радіострумені, наявні в кількох рентгенівських подвійних системах.
Зоря-донор може передавати нейтронній зорі до 1018 грамів речовини за секунду. Здається, наче це багато, але навіть такими темпами на те, щоб передати кількість матерії, що становить масу Землі, знадобиться 200 років. Речовина з диска перетікає на зорю-акретор під владою її потужного гравітаційного поля, що розганяє її до неймовірних швидкостей — від третини до половини швидкості світла. Гравітаційна потенціальна енергія, яку вивільняє речовина, перетворюється на кінетичну (орієнтовно 5 · 1030 ватів) і розжарює стрімкий потік газу до мільйонів градусів.
