Краб у сузір’ї Тельця

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 53

Крабоподібна туманність у рентгені (з космічного телескопа «Чандра»)

Крабоподібна туманність — один з найвідоміших небесних об’єктів. Величезна кількість найважливіших астрономічних відкриттів пов «язана з нею! На небі немає туманності, більш відомої і вивченої і в той же час більш загадкової. А історія її вивчення подібна до детективного роману.

Пам «ятник уяві

Павло Амнуель

Вперше цю туманність спостерігав у 1731 році англійський фізик і астроном-любитель Джон Бевіс. Він позначив туманність в атласі «Уранографія Британіка», який збирався видати. Але видавець збанкрутував і Бевіс помер, не дочекавшись публікації. Лише через півстоліття, 1786 року, карти Бевіса (без згадки його імені!) увійшли у виданий у Лондоні зоряний атлас. На той час туманність заново відкрив Шарль Мессьє, астроном при дворі короля Людовика XV.

Мессьє заніс туманність в каталог під першим номером і дав позначення M1. Вільям Гершель вважав, що це далеке зоряне скупчення, і будь у нього телескоп побільше, він розгледів би в туманній плямі окремі зірки. Такий телескоп був у лорда Росса, але і той не зміг побачити в туманності M1 жодної зірки. Однак Росс зробив дві важливі речі. По-перше, виявив, що туманність має дивну волокнисту структуру. По-друге, при ще більш уважному розгляді туманність здалася йому схожою на краба, і Росс назвав її Крабовидною. Під цією назвою туманність відома і сьогодні — пам’ятник уяві, здатній розгледіти все що завгодно в туманній плямі.

Перші загадки Крабовидної туманності

У 1892 році британський астроном Вільям Робертс вперше сфотографував Крабовидну туманність, а американський астроном Весто Слайфер у 1913 році отримав її перші спектрограми. На відміну від інших газових туманностей, спектр Краба виявився безперервним. На цьому тлі було видно роздвоєні лінії випромінювання. Безперервний спектр (з лініями поглинання) зазвичай мають зірки, але тут-то випромінювала туманність! Чому спектр виявився безперервним, а не лінійчастим?

Загадка випромінювання Краба проіснувала довго. Більш того, вона стала мало не нерозв’язною, коли в 1936 році було доведено, що Крабовидна туманність знаходиться на небі точно в тому місці, де в 1054 році спалахувала яскрава «зірка-гостя», яку можна було протягом декількох місяців бачити навіть при яскравому сонячному світлі.

Зараз такі яскраві спалахи називають надновими. Назву придумали в 1930-ті Вальтер Бааде і Фріц Цвіккі, які працювали в американських обсерваторіях. «Нехай, — сказали вони, — дуже яскраві нові зірки називаються надновими». Назва досить безглузда, тому-то, напевно, і прижилася. Так само, як Краб.

У роботі Бааде і Цвіккі, опублікованій 1934 року, було багато правильних ідей. Вони підійшли до проблеми наднових як теоретики, але використовували весь наявний в їх розпорядженні спостережний матеріал. Почали вони, однак, не з загадки наднових. Їх цікавила не менш актуальна в ті роки проблема походження космічних променів. Бааді і Цвіккі вперше пов’язали два явища і зробили висновок: космічні промені можуть генеруватися при спалахах наднових.

Друга ідея Бааде і Цвіккі була ще цікавіше і, якщо можна так висловитися, ще правильніше. Вони передбачили, що при спалахах наднових народжуються нейтронні зірки.

У 1934 році ще не було правильних ідей щодо того, як еволюціонують зірки. Нейтрон був відкритий всього двома роками раніше. Теорії ядерних перетворень практично не існувало. Ідея Бааде і Цвіккі виглядала фантастикою, хоча і науковою.

Південна зірка — залишок спалаху?

Поки Бааде і Цвіккі досліджували Крабовидну туманність, американський астроном Рудольф Мінковський вивчав дві слабенькі зірочки, які здавна спостерігалися на тлі M1. Одна з зірочок, як він сподівався, могла бути шуканим об’єктом — «огарком» зірки, що спалахнула. Мінковський з’ясував, що південна зірка рухається зі швидкістю понад 100 км/с. Що змусило зірку летіти з такою швидкістю?

Ще більш дивним виявився спектр південної зірки. Ліній у ньому не було зовсім! Ніяких: ні поглинання, ні випромінювання. Проте Мінковський дійшов висновку: туманність гріється південною зіркою. Він помилився.

На помилку вказав у 1948 році радіоастроном Джон Болтон. Він виявив на небі чотири яскравих джерела радіовипромінювання. Один з них був розташований у сузір’ї Тельця. Рік потому Болтон уточнив координати джерела і оголосив, що вони в точності збігаються з положенням Крабовидної туманності. Виявилося, що Крабовидна туманність випромінює в радіодієстоні занадто багато, набагато більше, ніж в оптиці. Отже, південна зірка не нагріває туманність? Отже, її радіовипромінювання має іншу природу?

Чому випромінює туманність?

Вирішив це протиріччя 1953 року радянський астрофізик Йосип Шкловський, припустивши, що в Крабовидній туманності випромінює не газ, а електрони, що рухаються в магнітному полі з майже світловими швидкостями. Таке випромінювання називається синхротронним. Ультрарелятивістські електрони, «заплутавшись» у магнітному полі Крабовидної туманності, випромінюють у всіх діапазонах довжин хвиль і у всіх напрямках. Ідея була проста і пояснювала спостережні дані так природно, що проти неї і заперечувати не стали.

Ніхто не повертався в ті роки до загадки південної зірки. Адже зірка стала ще загадковішою, ніж була! Якщо випромінювання Крабовидної туманності синхротронне, то нагрівати газ в туманності не потрібно, і значить, немає необхідності припускати, що в туманності знаходиться гаряча зірка. А розмір південної зірки Мінковський вирахував саме в припущенні, що зірка дуже гаряча. Все розсипалося…

Електрони великої енергії могли залишитися в туманності і з часів спалаху. Про це писав ще Цвіккі, коли пояснював походження космічних променів. Але це припущення спростував 1956 року радянський астрофізик Соломон Пікельнер. Електрони, відповідальні за радіовипромінювання Крабовидної туманності, втрачають енергію не дуже швидко, вони дійсно могли залишитися після спалаху і дожити до наших днів. Але електрони, відповідальні за оптичне випромінювання, за сто років повинні були розгубити весь запас енергії! Спалах стався дев’ять століть тому. Електрони, випромінювання від яких доходить в наш час, не могли виникнути при спалаху — вони з’явилися в туманності значно пізніше. У Крабовидній туманності повинна бути «гармата», яка безперервно стріляє швидкими електронами. Де ж ця гармата? Одне з двох: або електрони прискорюються в самій туманності, або джерелом їх є південна зірка.

Мозаїчне зображення, отримане космічним телескопом «Хаббл»

Рентгенівське вікно

У 1962 році ракети серії Aerobee вперше підняли на висоту ста кілометрів детектори рентгенівського випромінювання. У першому ж польоті було виявлено потужне джерело космічного рентгенівського випромінювання в сузір’ї Скорпіона, а під час другого польоту відкрили ще одне джерело, і розташоване воно було в напрямку на Крабовидну туманність.

Але що ж випромінювало: вся туманність або знаменита південна зірка? Прилади того часу не мали хорошої роздільної здатності, з їх допомогою неможливо було отримати зображення туманності в рентгенівському діапазоні і виділити випромінювання південної зірки.

Ідею перевірки запропонував Йосип Шкловський, 7 липня 1964 року мала відбутися досить рідкісна подія — затемнення Крабовидної туманності Місяцем. Якщо рентгенівським джерелом є не туманність, а зірка, то Місяць закриє її миттєво, і рентгенівське випромінювання зникне. Якщо ж випромінює вся туманність, то джерело почне слабшати поступово, у міру того, як Місяць буде наповзати на туманність. Повне затемнення триватиме 12 хвилин, потім джерело з’явиться знову.

У момент включення приладу на Aerobee швидкість рахунку фотонів становила 300 імпульсів на секунду, плавно зменшувалася, і дві хвилини потому джерело зникло. Стало ясно: випромінює не південна зірка, а туманність!

З новою силою дало про себе знати старе протиріччя. У туманності обов’язково повинен бути інжектор релятивістських електронів. А в ній не виявили поки нічого, крім південної зірки! Крабоподібна туманність щосекундно випромінює в усіх діапазонах електромагнітних хвиль у тисячі разів більше, ніж Сонце. У нейтронній зірці (якщо, як припускали Бааде і Цвіккі, південна зірка — нейтронна) не могло бути таких потужних джерел енергії. Звідки їм взятися в мертвій і гостилій кулі?

Варіант рішення запропонував у 1964 році радянський астрофізик Микола Кардашев. Зірка, спалах якої призвів до явища «зірки-гості», володіла магнітним полем і оберталася навколо осі. У 1054 році вона вибухнула. Оболонка розлетілася, а ядро стало нейтронною зіркою. Оболонка забрала з собою і силові лінії магнітного поля. Нейтронна зірка швидко обертається, і силові лінії намотуються на неї, як на барабан. Магнітне поле, що проходить крізь туманність, стає подібним спіралі, гілки якої скручуються все тугіше. Збільшується магнітне поле, зростає і магнітний тиск. А тиск магнітного поля розштовхує плазму в туманності, змушує її розширюватися все швидше.

Однак і рішення Кардашева не пояснювало, звідки в туманності ультрарелятивістські електрони, відповідальні за випромінювання. Не з нейтронної ж зірки! У 1964 році все ще існувало найсильніше і нічим не поколеблене упередження: нейтронна зірка — мертве тіло.

Пульсар у Крабовидній туманності

У 1968 році британський радіоастроном Ентоні Х’юіш і його аспірантка Джоселін Белл відкрили перший ^{радіопульсар1}, який виявився нейтронною зіркою. Але якщо, як стверджували Бааде і Цвіккі, південна зірка в Крабі — нейтронна, то і вона, по ідеї, могла бути пульсаром!

Знімок невеликої області, що демонструє нестійкість Релея — Тейлора (зростання малих відхилень параметрів від рівноважних значень) у складній волокнистій структурі

Через рік австралійські радіоастрономи відкрили в Крабовидній туманності пульсуючий радіоісточник, координати якого точно збіглися з положенням південної зірки. Відкриття було очікуваним, але, тим не менш, стало сенсацією. У пульсара в Крабовидній туманності виявився рекордно малий період повторення імпульсів — всього 33 мілісекунди.

Взимку 1968 року всім стало очевидно, що нейтронні зірки нарешті виявлені. Більш того, блискуче підтвердилася ідея Бааде і Цвіккі про те, що утворюються нейтронні зірки при спалахах наднових, в процесі катастрофічного колапсу.

Але виникло природне питання: якщо радіовипромінювання південної зірки так сильно пульсує, чому цього не відбувається ні з оптичним, ні з рентгенівським випромінюванням?

Може, і відбувається, сказали спостерігачі, ми про це не думали. Дійсно, нікому в голову не приходило шукати швидкі пульсації у оптичної зірки і тим більше у рентгенівського джерела. Нових ракетних стартів не знадобилося. Група американських вчених, очолювана Едвіном Болдтом, заново обробила результати польоту ракети в березні 1968 року з урахуванням того, що зміна рентгенівського джерела може бути швидкою. І змінність знайшли — точно таку ж, як у радіопульсара, з періодом 33 мілісекунди.

Збентежені спостерігачі вирішили реабілітувати себе до кінця: знайти швидку оптичну змінність у південної зірки. У січні 1969 року в Обсерваторії Стюарда при Арізонському університеті провели серію оптичних спостережень, використавши фотопомножителі, здатні фіксувати швидкі коливання блиску, і відкрили перший оптичний пульсар.

Морозними січневими ночами 1969 року завершилася тридцятип’ятирічна епопея пошуку нейтронної зірки в Крабовидній туманності.

***

Крабовидна туманність — об’єкт справді унікальний. Наднову 1054 року бачили при світлі сонця. Першим газоподібним залишком вибуху надновою, виявленим астрономами, була Крабовидна туманність. Першим залишком наднової, для якого вдалося визначити вік, був Краб. Першим залишком, у якого була виявлена внутрішня активність, став Краб. Перший залишок, в центрі якого спостерігається оптична зірка: Краб. Південна зірка в Крабі — перший об’єкт, на який припала підозра, що це нейтронна зірка. Одним з перших радіоджерел, виявлених на небі, був Краб. Одне з перших відкритих рентгенівських джерел — Краб. Пощастило навіть у тому, що Крабовидна туманність регулярно затьмарюється Місяцем — спостереження затемнень дозволили вперше визначити розміри рентгенівського джерела. Пульсар у Крабі обертається швидше за багато відомих пульсарів.

Цілий паноптикум астрофізичних аномалій! І нарешті: наднова 1054 року спалахнула на відстані «всього» шести тисяч світлових років від Сонця. Спалах міг статися і на протилежному краю Галактики. Хто знає, як розвивалася б тоді наука — і не тільки астрофізична. Багато відкриття запізнилися б, а може, і зовсім не були б зроблені!

¹ Див.: Амнуель П. Далекі маяки Всесвіту. Фрязіно: Століття-2, 2007.