Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 
Na saite
Astrometriya
Astronomicheskie instrumenty
Astronomicheskoe obrazovanie
Astrofizika
Istoriya astronomii
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
Lyubitel'skaya astronomiya
Planety i Solnechnaya sistema
Solnce

Rentgenovskaya astronomiya

1. Vvedenie
2. Mehanizmy generacii rentgenovskogo izlucheniya
3. Metody registracii kosmicheskogo rentgenovskogo izlucheniya
4. Rezul'taty astronomicheskih issledovanii v rentgenovskoi oblasti spektra

1. Vvedenie

Rentgenovskaya astronomiya issleduet kosmich. ob'ekty po ih rentgenovskomu izlucheniyu (RI) s energiei fotonov ot 0,1 do 100 keV, chto sootvetstvuet diapazonu dlin el.-magn. voln ot 100 do 0,1 \AA.

Atmosfera Zemli prepyatstvuet proniknoveniyu RI do zemnoi poverhnosti, pogloshaya rentgenovskie fotony na vysotah $\approx$ 100-30 km (do vysoty 30 km pronikayut fotny s energiei $\varepsilon$ >30 keV - t.n. zhestkii komponent RI, sm. Prozrachnost' zemnoi atmosfery). V svyazi s etim pervye dannye o RI Solnca byli polucheny pri pomoshi apparatury, podnyatoi na vysotnyh raketah (50-e gg. 20 v.). Osobennosti solnechnogo RI udalos' ob'yasnit' na osnove teorii goryachei solnechnoi korony s temp-roi ok. 106 K. RI Solnca sostoit iz nepreryvnogo izlucheniya goryachei koronal'noi plazmy (vodorodno-gelievoi), a takzhe iz lineichatogo izlucheniya vysokoionizovannyh tyazhelyh ionov, vplot' do vodorodopodobnyh ionov Fe XXVI. Osobenno bogatyi spektr linii RI voznikaet pri vspyshkah na Solnce, kogda temp-ra v nebol'shoi oblasti povyshaetsya do 107 K.

Obshii potok RI Solnca ne prevyshaet 10-6-10-7 ot solnechnoi postoyannoi [1,38h106 erg/(sm2 s)] i na granice zemnoi atmosfery priblizhenno raven 0,1 erg/(sm2 s). Rentgen. svetimost' Solnca sostavlyaet, sledovatel'no, 1026-1027 erg/s.

Na rannem etape razvitiya kosmich. issledovanii istochniki RI, po moshnosti podobnye Solncu, no nahodyashiesya dalee nesk. parsek, ne mogli byt' obnaruzheny. Po etoi prichine poiski RI ot blizhaishih zvezd i dryu dalekih kosmich. ob'ektov voobshe ne provodilis' vplot' do 1962 g., kogda gruppa amer. issledovatelei (pod rukovodstvom B. Rossi, R. Dzhakkoni) sluchaino obnaruzhila s rakety sil'nyi istochnik RI v sozvezdii Skorpiona pri popytke nablyudat' rentg. flyuorescentnoe izluchenie poverhnosti Luny, povergaemoi bombardirovke kosmicheskimi luchami. V etom zhe eksperimente bylo takzhe otkryto RI fona neba, veroyatno, ne svyazannoe s diskretnymi istochnikami i dostatochno izotropnoe.

Ris. 1. Zavisimost' effektivnogo secheniya
ionizacii atomov mezhzvezdnoi sredy
(usrednenogo himicheskogo sostava) ot
dliny volny ionizuyushego izlucheniya.
Mezhzvezdnaya sreda s normal'nym him. obiliem osn. elementov sravnitel'no prozrachna dlya RI s $\lambda<$100 \AA. V rentgen. oblasti spektra (v otlichie ot gamma-oblasti) pogloshenie svyazano s fotoionizaciei atomov tyazhelyh elementov (C, N, O, Mg, Si, Fe i dr.) v osn. s K-urovnya energii. Effektivnost' poglosheniya harakterizuyut t.n. secheniem processa ionizacii
$\sigma_\nu=7\cdot 10^{-18} N_K Z^4 \left( {13,56\over {h\nu}} \right)^3$ (sm2) ,
gde $\nu$ - chastota pogloshennogo kvanta, $h\nu=\varepsilon$ - ego energiya, vyrazhennaya v eV; NK - chislo elektronov na urovne energii K, ravnoe 1 dlya vodorodopodobnyh ionov i 2 dlya vseh ostal'nyh atomov i ionov; Z - zaryad yadra atoma. Sechenie prakticheski ravno nulyu dlya energii nizhe poroga fotoionizacii s K-urovnya. Na risunke 1 priveden grafik zavisimosti $\sigma_\nu$ ot $\lambda$ (ili $\varepsilon$), a takzhe zavisimosti dliny svobodnogo probega ot energii fotona v mezhzvezdnoi srede dlya sr. koncentracii neitral'nogo mezhzvezdnogo gaza, ravnoi 0,1 atoma vodoroda v 1 sm3 pri normal'nom obilii geliya, ugleroda i dr. elementov. Na grafike pokazany skachki poglosheniya s K-urovnya dlya osn. elementov vplot' do Fe. Yasno, chto RI s $\lambda<$10 \AA mozhet nablyudat'sya dazhe dlya istochnikov v galaktich. ploskosti, gde v osnovnom sosredotochen mezhzvezdnyi vodorod, esli neveliko pogloshenie v samom istochnike.

Do konca 70-h gg. issledovaniya kosmich. RI provodilis' pri pomoshi raket (na vysotah h=500 km) i vysotnyh ballonov ($h\approx 30-40$ km). Vremya nablyudenii v odnom polete sostavlyalo do 10 min dlya raket i nesk. chasov dlya ballonov. S vyvedenie na orbitu ISZ s rentgen. teleskopami na bortu vozmozhnosti R.a. chrezvychaino rasshirilis'.

2. Mehanizmy generacii rentgenovskogo izlucheniya

Po dannym s ISZ byli detal'no izucheny astrofizich. mehanizmy generacii RI.

a) Pri tormozhenii (izmenenii skorosti) svobodnyh elektronov v rezul'tate ih blizkogo proleta ot zaryazhennyh yader generiruetsya shirokii spektr el.-magn. izlucheniya s energiei fotonov vplot' do ishodnoi energii elektrona (sm. Tormoznoe izluchenie).

T.k. veroyatnost' kulonovskogo vzaimodeistviya svobodnogo elektrona s yadrom velika, to etot mehanizm yavl. odnim iz glavnyh istochnikov generacii zhestkih fotonov v UF- i rentgen. oblastyah (vplot' do energii 0,1 MeV), a takzhe vazhneishim mehanizmom poter' energii elektronami. Esli fotony rozhdayutsya v ravnovesnoi plazme s makvellovskim raspredeleniem chastic po skorostyam, to nablyudaetsya teplovoe izluchenie, k-roe dlya bol'shoi opticheskoi tolshi ($\tau>1$) yavl. plankovskim izlucheniem absolyutno chernogo tela (sm. Planka zakon izlucheniya). S rostom T, soglasno zakonu Vina, maksimum izlucheniya sdvigaetsya v korotkovolnovuyu storonu, dostigaya rentgen. diapazona pri T >106 K. Pri etom polnaya intensivnost' teplovogo izlucheniya rezko vozrastaet (I ~ T4). Zvezda s temp-roi T ~ 106 K pri tom zhe radiuse, chto i Solnce, izluchala by energii v 109 raz bol'she, chem Solnce, a pri T=107 K ee svetimost' prevysila by 100 raz svetimost' vseh zvezd Galaktiki. Ochevidno, chto takih teplovyh istochnikov ne sushestvuetyu Dlya opticheski tonkoi plazmy ($\tau\ll 1$) intensivnost' izlucheniya (otnesennaya k edinichnomu intervalu chastot) voobshe ne zavisit ot dliny volny $\lambda$, t.e. spektr yavl. ploskim do teh por, poka $\tau(\lambda$) ne stanet poryadka 1 i intensivnost' ne sravnyaetsya s plankovskoi.

b) Rentgen. fotony mogut voznikat' pri dvizhenii bystryh elektrnov v magn. pole. Pri napryazhennosti polya H ~ 10-4-10-3 E rentgen. fotony ispuskayutsya elektronami s energiei >1013 eV. Pri stepennom spektre energii elektronov generirovat'sya budet takzhe stepennoi spektr RI.

v) Pri rasseyanii fotonov malyh energii (vidimogo, radio- ili IK-diapazonov) na relyativistskih elektronah chast' energii elektrona peredaetsya fotonu, v rezcl'tate chego mogut voznikat' fotony rentgen. diapazona (sm. Komptonovskoe rasseyanie).

Sr. plotnost' energii voznikayushego rentgen. izlucheniya pri etom ravna (4/3)wp(E/me c2)2, gde E - energiya elektronov, wp - plotnost' energii nizkochastotnyh fotonov, sootvetstvuyushaya temp-re Tp. Napr., dlya Tp=150 K (IK-izluchenie s $\lambda_{maks}=20$ mkm) elektrony s energiei 100 MeV budut generirovat' rentgen. fotony s $\varepsilon$=2 keV.

Komptonovskoe rasseyanie mozhet privodit' k generacii zhestkogo RI v istochnikah, v k-ryh odnovremenno rozhdaetsya bol'shoi potok IK-izlucheniya i proisohdit uskorenie elektronov do vysokih energii. Analogichnyi mehanizm mozhet davat' fotony RI pri rasseyanii relyativistskih elektronov vysokih energii na fotonah reliktovogo submillimetrovogo izlucheniya (sm. Mikrovolnovoe fonovoe izluchenie). Elektrony s energiei 500 MeV mogut pri etom ispuskat' fotony so sr. energiei 1 keV.

g) Lineichatoe RI voznikaet pri perehodah elektronov tyazhelyh atomov ili ionov na nizhnie urovni energii. Napr., perehod elektrona v atome kisloroda na vnutr. K-uroven' daet foton s $\varepsilon$=0,5 keV, analogichnyi perehod v atome zheleza - foton s $\varepsilon$=6,4 keV. Imenno takie processy v ionah privodyat k generacii bogatogo lineichatogo spektra solnechnoi korony i mezhzvezdnogo gaza v obolochkah ostatkov vspyshek sverhnovyh.

Lineichatyi rentgen. spektr mozhet takzhe voznikat' v sluchae svobodnyh elektronov, urovni energii k-ryh kvantovyny v sil'nom magn. pole, kogda elektrony dvizhutsya v napravlenii, perpendikulyarnom polyu (urovni Landau). Energiya mozhet prinimat' pri etom sleduyushie znacheniya:
$e=h\nu=h\nu_B (n+1/2+m_S)$ ,
gde $\nu_B=eB/(2\pi m_e c)$ - ciklotronnaya chastota; B - indukciya magn. polya; n=0,1,2,...; $m_S$ - proekciya spina elektrona na napravlenie magn. polya ($m_S=\pm 1/2$). Pervoi garmonike sootvetstvuyut perehody na uroven' s mS=1/2, n=1, vtoroi - mS=1/2, n=2 i t.d. Esli goryachaya plazma v magn. pole dostatochno effektivno nagrevaetsya (v tesnyh dvoinyh sistemah, napr., za schet vydelyayusheisya pri akkrecii gravitacionnoi energii), to takaya plazma mozhet byt' stacionarnym istochnikom ciklotronnogo izlucheniya. Elektronnaya ciklotronnaya liniya (giroliniya) obnaruzhena, po-vidimomu, v korotkovolnovoi chasti ($\varepsilon$=58 keV) rentgen. spektra istochnika Her X-1. Stol' vysokoi energii fotonov s uchetom ih "pokrasneniya" v gravitac. pole neitronnoi zvezdy s massoi $1 {\mathfrak M}_\odot$ i radiusom 10 km (sm. Krasnoe smeshenie) sootvetstvuet velichina magn. polya na poverhnosti zvezdy $B\approx 6\cdot 10^{12}$ Gs. Giroliniya proyavlyaetsya osobenno sil'no , esli vypolnyaetsya uslovie $kT_e \gg h\nu_B$ , gde Te - temp-ra elektronnoi sostavlyayushei plazmy.

3. Metody registracii kosmicheskogo rentgenovskogo izlucheniya

Detektorami RI sluzhat pribory dvuh tipov: dlya fotonov s e<20-30 keV - detektory, rabotayushie s ispol'zovaniem fotoeffekta v gaze ili s poverhnosti tverdogo tela; dlya fotonov s e ot 30 keV do 10 MeV - scintillyacionnye detektory. Pribory pervogo tipa yavl. proporcional'nymi gazonapolnennymi schetchikami, amplituda impul'sa na vyhode k-ryh proporcional'na (v nek-rom diapazone dlin voln) energii padayushego fotona. Effektivnost' takogo detektora (otnoshenie chisla zaregistrirovannyh fotonov k obshemu ih chislu) opredelyaetsya secheniem poglosheniya (fotoionizacii) gazanapolnitelya i koeff. propuskaniya okna schetchika. Proporcional'nye schetchiki napolnyayut obychno inertnym gazom (Ar, Xe) pri davlenii ok. 1 atm, a v kachestve elektrootricat. gaza, rol' k-rogo sostoit v prekrashenii razyada, ispol'zuyut metan ili uglekislyi gaz (v kolichestve <10%). V rezhime proporcional'nosti usilenie v schetchike ~103-104.

Ris. 2. a - propuskanie okon rentgenovskih schetchikov:
1 - mailar (lavsan), 2 - polipropilen, 3 - formvar.
Tolshina materiala okolo 10 mkm; b - effektivnost'
proporcional'nogo rentgenovskogo schetchika s oknami iz
maiolara (lavsana) 1 i berilliya (6 mkm) 2 i 3,
napolnennogo argonom (2 - dlya berillievoi plenki s
9,1 mg/sm2, 3 - s 25 mg/sm2, K - krai poglosheniya v serebre).
Dlya okon proporcional'nyh schetchikov ispol'zuyutsya tonkie fol'gi legkih metallov (Be, Al) tolshinoi 10-100 mkm, organich. plenki tolshinoi 1-10 mkm ili dazhe ton'she. Razreshenie ($\lambda/\Delta\lambda=\varepsilon/\Delta \varepsilon$) proporcional'nogo schetchika v diapazone znachenii e ot 0,1 do 20 keV obratno proporcional'no kornyu kvadratnomu iz energii fotona $\varepsilon$, chto sostavlyaet ok. 5 pri $\varepsilon\approx 5,5$ keV, t.e. dlya $\lambda\approx 2,3$ \AA razreshayutsya linii (po kriteriyu Releya), rasstoyanie mezhdu k-rymi sostavlyaet 0,45 \AA . S uvelicheniem dliny volny do 10 \AA eta velichina vozrastaet do 4 \AA. Na ris. 2 privedena tipichnaya krivaya effektivnosti proporcional'nogo schetchika s oknom iz Be i napolnennogo Ar.

Ris. 3. Princip deistviya modulyacionnogo
(kachayushegosya) kollimatora, sostoyashego iz dvuh
parallel'nyh ryadov tonkih nitei. Nizhnyaya krivaya -
propuskanie kollimatora v zavisimosti ot ugla
naklona k potoku parallel'nyh luchei ot tochechnogo
istochnika. Nomera maksimumov sootvet