Вспыхивающие рентгеновские звёзды

13

Вспышивающие рентгеновские звезды

Доктор физико-mатематических наук
А. Д. ЧЕРНИН

В 1975 году группа советских астрономов сообщила о наблюдении коротких и мощных всплесков космического рентгеновского излучения. Вскоре американские учены обнаружили вспышки рентгеновского излучения в центре одного из звездных скоплений нашей Галактики. Так началась история исследования барстеров — вспышивающих рентгеновских звезд. Их название происходит от английского слова burst, что значит взрыв, вспышка. Сейчас известно более 30 таких звезд; 8 из них принадлежат звездным скоплением.

To, что звезды способны излучать не только видимый свет, но и рентгеновские лучи, выяснили в последние 15—20 лет, когда появились специальные рентгеновские телесоны, выносимые на высоких баллонах, ракетах, спутников за пределы земной атмосферы (которая не пропускает к нам космическое рентгеновское излучение). Космические источники испускают рентгеновские лучи в области длины волн от $10^{-8}$ до $10^{-10}$ м. Кваныты, соответствующие этому диапазону электромагнитных волн, имеют энергию от 0,1 до 30 кэВ или от $10^{-17}$ до $3 \cdot 10^{-15}$ Дж.

Барстеры — нейтронные звезды

Нарастиние блеска барстера*) проискодит за время от нескольких долей секунды до десяти секунды. Затем во время от нескольких секунды до нескольких минут блеск убивает до исходного уровня, и новая вспышка проискодит через несколько часов или несколько дней (рисунок 1). Некоторые барстеры иногда «выключаются» на недели и места,

*) Говоря о нарастинии блеска барстера, мы имеем в виду нарастиние мощности рентгеновского излучения, испускаемого барстером. И дальнейшее, говоря о невидимом для глаза рентгеновском излучении, мы будем пользоваться теми же привычными терминами, что и для видимого свет.

Рис. 1. Типичная зависимость светимости барстера от времени.

14

а затем снова «оживают», опять дают рентгеновские всышки. Почти всегда всышки барстеров происходят на фоне неисчезаюшей, хотя и несколько меняющейся со временем, рентгеновской светимости.

Расположение барстеров на небе и неxaотично, и неравномерно. Большинство их сосредоточено в направлении на центр Галактики, и их тем больше, чем близке к центру (рисунок 2). Это обстоятельство служит очень灵敏ным указанием на то, что барстеры принадлежат нашей Галактике. Более того, отсюда следует, что типное расстояние до барстера близко к расстоянию от нас до центра Галактики — это 10 кпс, или $3 \cdot 10^{20}$ м.

Сигналы, принимаемые рентгеновскими телесопами во время всышек разных барстеров, различаются по энергии приближительно в десять раз. Значания плотности потока энергии, то есть энергии, приходящей на единицу поверхности в единицу времени, лежат в пределах $F = (3 \cdot 10^{-11} \div 3 \cdot 10^{-12}) \text{ Дж}/(\text{м}^2 \cdot \text{с})$.

Знача расстояние до источника — $R = 3 \cdot 10^{20}$ м, можно найти его светимость, то есть полную энергию, излучаемую источником в единицу времени во все стороны:

$$L = 4\pi R^2 F = (3 \cdot 10^{30} \div 3 \cdot 10^{31}) \text{ Дж}/\text{с}.$$

Энергия, излучаемая барстером за время всышки, получается умножением светимости $L$ на дительность всышки $\Delta t$: (здесть для дительности всышки $\Delta t$ приято среднее значение 10 с).

Таким же способом нахождение и фоновая, неисчезаюшая светимость барстера. Ее значание приближенно одинаково для всех барстеров: $L_0 \approx 10^{30} \text{ Дж}/\text{с}.$

Для понимания природы барстеров очень важно то обстоятельство, что во время всышки барстер светится так, как светилась бы поверхность тела, нагретою до температуры от десяти до тридцати миллионов градусов. Это установлено по виду спектра рентгеновского излучения барстера, то есть по характеразии излучаемой энергии от длины волны$^*$). Средняя энергия $\varepsilon$ излучаемого кванта связывана с температурой $T$ тела приближенным соответствием $\varepsilon \approx kT$, где $k = 1,4 \cdot 10^{-23} \text{ Дж}/\text{K}$ — постоянная Больцмана. При температуре $T = (1 \div 3) 10^7$ К значение $\varepsilon \approx (1 \div 4) 10^{-16}$ Дж действительное лежит в интервале энергии, характерных для рентгеновских лучей.

Согласно одному из законов термодинамики — закону Стефана — Больцмана, поверхность тела, нагретою до температуры $T$, излучает в единицу времени с единицы площади количество энергии, пропорциональночестве температуры тела: $W = \sigma T^4$. Коэффициент пропорциональности $\sigma = 5,7 \times 10^{-8} \text{ Дж}/(\text{m}^2 \cdot \text{с} \cdot \text{К})$ называют постоянной Стефана—Больцмана. Шар ридуса $r$ имеет площадь поверхности $4\pi r^2$; эта поверхность, если она нагрета до температуры $T$, создает светимость

$$L = \sigma T^4 \cdot 4\pi r^2.$$

С помощью этой формулы и на основании данных о температуре

$^*$) На различных участки спектра излучающего тела приходятся разные доли излучаемой энергии. Максимум энергии приходится на определенный интервал длины спектра. Чем выше температура тела, тем дальше смегается максимум в области малых длины волны. По тому, на какую длину волны приходится максимум излучаемой температуры, можно судить о температуре тела.

17

один за другим без какой-либо четкой периодичности, ознакомает, оценindo, что механизм вспышек не связан ни с собственным врашением нейтронной звезды вокруг оси, ни с ее периодическим орбитальным движением в двойной звездной системе. Иначе барстеры были бы таким же хорошо часами, как пульсары.

Причина вспышек — в тех превращениях, которые испытывает вещество, выпавшее на поверхности нейтронной звезды.

Захваченное барстером вещество звезды-компанона имеет общий звездный химический состав: (70—75)% водорода (по массе), около (25—30)% геля, приблизительно 1% более тяжелых элементов. При ударе о поверхности нейтронной звезды газ сжимается и разогревается до такой степени, что становится возможным термоядерные реакции превращения водорода в гелий — также же, как и в недрах Солнца и других «объичных» звезд.

Выделяющаяся в реакциях энергия добавляется к той энергии, которую сообщает поверхности звезды аккреции. Эта добавка, однako, не очень велика. Действительно, в ядерных превращениях — пусты даже до полного «сгорания», то есть превращения водорода в железо,— выделяется не больше чем 0,01 $c^2$ энергии на единицу массы вещества. Поэтому энергия, выделяемая в единицу времени при термоядерном горении аккретируемого вещества, не превышает величины 0,01 $c^2 j$. Сравнивая это с нашей оценкой кинетической энергии аккретируемого вещества, найдем, что термоядерные реакциидают приок энергии, который приближительно в тридцать раз меньше энергии аккреции.

Важнее здесь другие. В результате термоядерных реакций горения водорода на поверхности нейтронной звезды образуется слой геля. Оказывается, именно в слое геля и развиваются процессы, вызывающие вспышки.

Более 30 лет назад Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский, разработавая теория поздних стадий эволюции звезд, обнаружили, что при определенных условиях на звездах могут произойти термоядерные взрывы. В звезде, исчерпавшей ядерное горючее в своей центральной области, чаще всего имеются близкие к поверхности слоя, где вещество еще богато водородом, гелем и других легкими элементами. Представим себе ситуацию, когда температура в этих слоях веса высока, но все же не достаточно для протекания ядерных реакций. Пусть, далее, по какой-либо причине температура в одном из этих слоев повышается и оказывается вдруг выше критического предела, с которой становится возможным ядерное горение. Что будет произходить дальше?

Очевидно, научится ядерные реакции с выделением теплла. Но будет ли температура слоя оставаться достагоно высокой? Повысистия ли она или понизится? Это зависит от соответствии между темперами выделения теплла в ядерных реакциях и темперамотов теплла из слоя наружу. Если теплло уходит из слоя очень быстро, почти мгновенно, то ясно, что, едва начавшись, ядерные реакции тут же и затухнут, так как температура слоя сразу понизится и становится критической.

Иной результат следует ожидать в случае, если теплло, выделяемое при ядерных реакциях, не успевает быстро покидать слой, так что происходит дальнейшее его температуры. С повышением температуры ядерные реакции протекают все эффективнее, быстро растет выделение теплла, и в результате температура слоя продолжает нарастать. Но тогда ядерные реакции почти утесъются, приок теплла повышается и т. д. Можно сказать, что процесс ядерного энерговыделения развивается в этом случаелавиновбазно, поддерживая иускоряя сам себя. А это — взрыв. В случае ядерного энерговыделения звезды этот процесс развивается потому, что скорость ядерных реакций очень быстро витлена к температуре: чем выше температура, тем эффективнее ядерные реакции, тем быстро выделяется теплло.

Об этом явлении вспомнили сразу же, как только были открыты барстеры; астроономы разных стран были

19

Рис. 3. Схема рентгеновского пульсара (аккреция в магнитном поле, излучение горячих пятен). 1 — силовые линии магнитного поля; 2 — ось врачиния нейтронной звезды; 3 — магнитная ось звезды; 4 — частцы висества, падающие к магнитным полюсам; 5 — горячие пятна у полюсов.

Рис. 4. Схема барстра (аккреция, нагрев и излучение со всей поверхности).

ну звезд. Все 124 известных шаровых скопления Галактики содержат чуть больше Sta миллионов звезд, что составляет одну тысячную полного числа звезд Галактики. Отсюда видно, что барстра определяно предпочтают возникать среди звезд шаровых скоплений. Причину этого предпочтения еще предстоит понять. Почему нейтронная звезда проявляет себя в одних случаях как барстра, а в других — как пульсар?

Или иначе: почему барстер не пульсирует, а пульсар не вспыхивает?

Полягают, что рентгеновские пульсары тоже входят в тестиые двойные системы с переtekанием вещества и аккрецией. Возможно, в этом случае значительное роль играют магнитные поля. Магнитное поле нейтронной звезды, если оно достаточно сильное (в $10^{12}$ раз сильнее среднего магнитного поля Солнца, равного $10^{-4}$ Тл), способно изменять характер аккреции — вещество направляется полем преимущественно к магнитным полюсам звезды. Из-за этого нагрев оказывается неравномерным: у полюсов температура значительное выше, чем на всей остальной поверхности звезды. Горячие пятна у полюсов и создают главным образом, излучение (вспомним, что светимость сильно зависит от температуры, она пропорциональна ее четырёхстепи). Если звезда быстро вращается и при этом магнитная ось наклонена к ее оси вращения (рисунок 3), то возникает эффект маяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдаемого, и излучение представляется прерывистым, пульсирующим.

Магнитное поле барстра, верятно, слабее, чем у пульсара; оно не влияет на аккрецию, которая проискдает более или менее равномерно по всем направлениям, так что все поверхности нейтронной звезды прогревается одинаково и одинаково излучает (рисунок 4). Тогда вращение звезды, которое и здесь может быть быстрым, не проявится в излучении. Если так, то становится понятным, почему барстер не пульсирует. Но почему на пульсар не проискдает всышки? Предполагают, что магнитное поле, управляющее аккрецией, способно каким-то образом предотвращать термодержные всышки на поверхности нейтронной звезды.

Эти догадки и гипотезы еще предстоит проверить дальнейшим теоретическими расчетами и астроономическими наблюдениями.