Рентгенівська астрономія: від безумної ідеї до проривних відкриттів
- Ігор Сальниченко
- 16 бер.
- Читати 9 хв
Рентгенівська астрономія — це галузь, що вивчає високоенергетичне (рентгенівське) випромінювання далеких космічних об’єктів. Від середини XX століття, коли перші сміливці вирішили перевірити, чи існує позасонячне рентгенівське сяйво, ця дисципліна перетворилася на один із найважливіших інструментів сучасної астрофізики. Завдяки їй ми можемо зазирнути у світи, де відбуваються екстремальні процеси: народження й загибель зір, потужні виверження речовини з околиць чорних дір і багато іншого.
У цій статті розглянемо, як усе починалося: від несподіваної ідеї Бруно Россі та його колег, через складнощі з фінансуванням і перші невдачі, до тріумфу, коли науковці виявили у космосі численні таємничі джерела рентгенівських променів.
1. Передумови та «божевільна» ідея
Ще на початку ХХ століття було відомо, що атмосфера Землі блокує більшу частину високоенергетичного випромінювання. Це означало, що навіть найдосконаліші на той час телескопи, які працювали в оптичному або радіодіапазоні, були нездатні зареєструвати будь-яке рентгенівське випромінювання з космосу. Радіоастрономічні та оптичні спостереження, які активно проводилися з 1930-х по 1950-ті роки, не давали уявлення про те, чи існує поза Сонячною системою щось схоже на рентгенівське світло [1]. Відповідно, вчені зосереджували свої дослідження на тих формах електромагнітного випромінювання, які можна було виявити з поверхні Землі, нехтуючи можливими джерелами високоенергетичних фотонів у Всесвіті.
Однак, попри цей суттєвий обмежувальний фактор, астрономи припускали, що хоча б у межах Сонячної системи рентгенівське випромінювання все ж має бути присутнім. Зокрема, передбачалося, що взаємодія сонячного вітру— потоку заряджених частинок, які постійно викидає Сонце — із твердими небесними тілами може спричиняти генерацію рентгенівських фотонів.
За такою логікою, якщо потік високоенергетичних частинок нашого світила стикається з небесним тілом без атмосфери, наприклад, із Місяцем, його поверхня має відбивати або вторинно випромінювати частину цієї енергії у вигляді рентгенівських хвиль. Це явище називається флуоресцентним випромінюванням і пояснюється тим, що атоми в поверхневому шарі поглинають високоенергетичні фотони та випромінюють їх із дещо зміненою енергією.
До того ж Сонце саме по собі є джерелом рентгенівського випромінювання. У середині XX століття вже було відомо, що під час сонячних спалахів утворюються гарячі плазмові області, температура яких може досягати мільйонів кельвінів. За таких умов інтенсивно випромінюються рентгенівські кванти, які теоретично мали б взаємодіяти з поверхнями інших небесних тіл у Сонячній системі, створюючи вторинне рентгенівське світіння. Втім, усе це залишалося лише теоретичними припущеннями, які ще потрібно було перевірити.
Проте сама ідея пошуку рентгенівського випромінювання за межами Сонячної системи виглядала абсолютно нереалістичною. Астрономи не бачили жодних очевидних причин для існування рентгенівських джерел у міжзоряному просторі. Високоенергетичне випромінювання асоціювали переважно із дуже гарячими об’єктами, як-от корона Сонця чи розпечені плазмові потоки, що виникають під час магнітних бур. Вважалося, що міжзоряний простір є відносно холодним і не здатним генерувати рентгенівське світло.
Тим не менш, один з учених, які не боялися кидати виклик загальноприйнятим уявленням, був Бруно Россі (1905–1993). Італійсько-американський фізик, один із піонерів досліджень космічних променів, розумів, що для отримання нових даних необхідно вийти за межі традиційних методів астрономічних спостережень. Він мав багатий досвід у вивченні високоенергетичних частинок і знав, що на Землі ми спостерігаємо лише обмежену частину космічного спектра. Россі припускав, що за межами нашої планети можуть існувати фізичні процеси, які сучасна наука ще не враховувала.
У 1959 році Россі запропонував революційну ідею: використати ракетні технології для виведення чутливих детекторів рентгенівського випромінювання за межі атмосфери Землі. Його план полягав у тому, щоб розмістити спеціальні лічильники, здатні реєструвати високоенергетичні фотони, на ракети, які на короткий час виходитимуть за межі щільних шарів атмосфери, фіксуватимуть випромінювання та передаватимуть результати назад на Землю.
На той момент це здавалося божевільною авантюрою. Космічні дослідження лише набирали обертів, а точність інструментів, що встановлювалися на ракети, була обмеженою. До того ж ніхто не міг передбачити, що саме вдасться зафіксувати. Вчені, які займалися традиційною оптичною та радіоастрономією, були скептично налаштовані щодо такого підходу, вважаючи його непрактичним і марним.
Але Россі не був один. Його ідеї підтримав колишній студент Мартін Енніс, який на той момент працював у компанії American Science and Engineering (AS&E), а також дослідник Ріккардо Джакконі (1931–2018), який згодом отримає Нобелівську премію з фізики за внесок у розвиток рентгенівської астрономії. Разом вони вирішили розробити спеціальні інструменти для реєстрації рентгенівського випромінювання у космосі та знайти спосіб профінансувати свої дослідження.
Однак спочатку проект зіткнувся із серйозними труднощами. NASA не зацікавилося експериментом, оскільки на той час вважалося, що подібні дослідження не матимуть великої наукової цінності. Пошук фінансування тривав довгий час, і лише зміна концепції допомогла команді отримати необхідні ресурси.
Замість того щоб безпосередньо шукати рентгенівські джерела в глибинах космосу, дослідники запропонували альтернативний експеримент: вивчення рентгенівського випромінювання від Місяця. Вони висунули гіпотезу, що якщо Сонце справді випромінює рентгенівські промені, то Місяць, не маючи атмосфери, має відбивати частину цього випромінювання, утворюючи слабке рентгенівське світіння.
Ця ідея здалася більш переконливою для Дослідницької лабораторії Військово-повітряних сил США, яка вже фінансувала кілька секретних проектів AS&E. Оскільки їх цікавили можливі військові застосування досліджень, вони погодилися підтримати проект, і зрештою перший експериментальний запуск ракети з детекторами рентгенівського випромінювання був затверджений.
Так було закладено основи першого експерименту, який зрештою привів до відкриття позасонячного рентгенівського випромінювання і став початком нової галузі в астрономії.
2. Перші спроби та роль компанії AS&E
Россі мав репутацію науковця, здатного мислити нестандартно, тож він переконав свого колишнього студента Мартіна Енніса та дослідника Ріккардо Джакконі (1931–2018) з компанії American Science and Engineering (AS&E), що варто розпочати експерименти [1]. На той момент дослідження рентгенівського випромінювання залишалося майже незайманою сферою астрономії, що відкривало перед ентузіастами унікальну можливість стати першовідкривачами.
Джакконі разом із колегою Френком Паоліні винайшли спеціальні трубки Гейгера–Мюллера, пристосовані для реєстрації рентгенівського випромінювання на великих висотах [2]. Це був технологічний прорив, оскільки попередні детектори не могли працювати в умовах космічного середовища. Однак сам винахід ще не гарантував успіху експерименту: потрібно було розмістити ці прилади за межами атмосфери, що вимагало запуску ракети.
Спочатку проєкт не підтримала NASA — агентство відмовилося від фінансування, посилаючись на те, що немає переконливих доказів існування позасонячного рентгенівського випромінювання, а отже, експеримент може виявитися марним. Це стало серйозною перешкодою, адже саме NASA на той час було головним джерелом фінансування для аерокосмічних досліджень у США.
У відповідь на відмову дослідники змінили фокус експерименту: замість абстрактного пошуку рентгенівських джерел у далекому космосі вони запропонували вивчення рентгенівського випромінювання Місяця. Гіпотеза полягала в тому, що сонячне рентгенівське світло має спричиняти флуоресценцію на його поверхні, що дозволить отримати важливі відомості про склад місячного ґрунту. Це пояснення було значно конкретнішим і практичнішим, тому привернуло увагу Дослідницької лабораторії Військово-повітряних сил США у Кембриджі [1].
Чому військові зацікавилися цим проєктом?
Підтримка ВПС США не була випадковістю. Компанія AS&E вже співпрацювала з військовими, виконуючи секретні контракти, пов’язані з розробкою технологій для розвідки та спостережень. Військові розуміли, що експерименти з рентгенівським випромінюванням можуть мати стратегічне значення, зокрема в галузі розпізнавання та аналізу об’єктів за допомогою рентгенівських променів.
Також існувало припущення, що розроблені детектори можна буде використовувати для військових супутників, які могли б сканувати Землю та космос у рентгенівському діапазоні, виявляючи, наприклад, вибухи ядерної зброї або інші високотемпературні процеси. Таким чином, проект мав подвійне значення: наукове та військове.
Враховуючи ці перспективи, Дослідницька лабораторія ВПС США схвалила фінансування, і команда змогла підготувати перший експериментальний запуск. Учені отримали можливість не лише протестувати свою апаратуру, а й здійснити спостереження за рентгенівським випромінюванням у космосі.
3. «Золоті» шість хвилин над атмосферою
Після двох невдалих спроб у 1960 та 1961 роках, нарешті, 18 червня 1962 року стартувала ракета з трубками Гейгера–Мюллера на борту [1]. Цей запуск став історичним, адже до цього моменту людство не мало жодного підтвердження існування рентгенівського випромінювання за межами Сонячної системи. Ракета піднялася на висоту близько 80 кілометрів, вийшовши за межі щільних шарів атмосфери, що блокують рентгенівські промені, і провела там лише шість хвилин. Цього короткого часу виявилося достатньо для того, щоб детектори зафіксували перші важливі дані.
Під час польоту було виявлено очікувані рентгенівські промені, що відбивалися від поверхні Місяця, що підтвердило гіпотезу про флуоресцентне випромінювання під впливом сонячного рентгенівського випромінювання. Однак ще більш вражаючим став інший результат: детектори зафіксували додаткове випромінювання, яке не збігалося з положенням Місяця. Воно надходило із простору за межами Сонячної системи, що було абсолютно несподіваним відкриттям.
Цей другий факт став справжньою сенсацією, оскільки вперше в історії було доведено, що поза межами нашої зоряної системи існують джерела рентгенівських променів [1][2]. До цього моменту науковці навіть не підозрювали про можливість існування настільки потужних космічних об’єктів, здатних випромінювати рентгенівське світло на таких великих відстанях. Відкриття стало початком нового етапу в астрономії, змінивши наші уявлення про Всесвіт та започаткувавши цілу галузь досліджень – рентгенівську астрономію.
4. Скорпіон X-1: перший «скарб» у космосі
Спочатку вчені не могли зрозуміти, куди саме «вказує» рентгенівське джерело, адже воно розташовувалося на межі сузір’їв Косинця і Жертовника. Проте у квітні 1963 року команда Герберта Фрідмана (1916–2000) з Науково-дослідницької лабораторії ВМС США з’ясувала, що воно лежить у сузір’ї Скорпіона [1]. Так об’єкт дістав назву Скорпіон X-1, де «X» означає рентгенівське (X-ray) випромінювання, а «1» вказує, що це перше виявлене джерело в цьому сузір’ї.
Надалі схожа система найменувань застосовувалася до нових рентгенівських об’єктів, наприклад, Лебідь X-1, Лебідь X-2, Геркулес X-1 та інші [1]. Зокрема, Лебідь X-1 з часом виявився однією з найвірогідніших кандидатур на чорну діру зоряної маси [3].
5. Загадки рентгенівських джерел та Крабоподібна туманність
Протягом наступних трьох років (1962‒1965) було виявлено більше десятка нових джерел рентгенівського світла. Проте ніхто не розумів, звідки береться стільки енергії, що її можна зафіксувати на відстані тисяч світлових років [1]. Єдиним винятком став об’єкт Телець X-1, пов’язаний із Крабоподібною туманністю (сузір’я Тельця).
Герберт Фрідман вирішив перевірити, чи справді Крабоподібна туманність випромінює рентгенівське світло по всьому об’єму, чи це робить якийсь локальний об’єкт (наприклад, нейтронна зоря). Він запустив кілька ракет під час покриття туманності Місяцем — тоді, коли Місяць поступово «затьмарює» Крабоподібну туманність з точки зору наземного спостерігача [1].
Дані засвідчили, що випромінювання зникає поволі, а значить, воно виходить із усієї туманності, а не з окремого маленького джерела. Це розчарувало Фрідмана, бо він хотів знайти нейтронну зорю. Утім згодом з’ясувалося, що в центрі Крабоподібної туманності дійсно існує нейтронна зоря (пульсар), яка обертається близько 30 разів за секунду і, безумовно, робить свій внесок у загальне рентгенівське світіння [1][4].
6. Поява радіопульсарів та зміна уявлень
У 1967 році Джоселін Белл Бернелл (нар. 1943) разом зі своїм науковим керівником Ентоні Х’юїшем відкрила радіопульсари, що остаточно довело: нейтронні зорі існують і демонструють імпульсне випромінювання [5]. Це одразу натякнуло на те, що частина рентгенівських джерел може бути тісно пов’язана з нейтронними зорями: екстремально компактними об’єктами, де речовина існує в суперщільному стані.
Відкриття радіопульсарів відкрило шлях до розгадки природи Скорпіона X-1, Лебедя X-1 та інших гігантських «рентгенівських маяків». Виявилося, що значна кількість цих джерел може бути:
• Нейтронними зорями, розташованими в тісних подвійних системах, де матерія перетікає з однієї зорі на іншу.
• Чорними дірами зоряної маси, які захоплюють речовину від свого супутника, нагрівають її до мільйонів градусів і випромінюють рентгенівські кванти.
7. Швидкий розвиток рентгенівської астрономії
На успішні суборбітальні польоти в 1960-х роках незабаром почали спиратися орбітальні обсерваторії. У 1970 році було запущено «Uhuru» (супутник NASA, Explorer 42), перший у світі орбітальний рентгенівський телескоп [3]. Він упорядкував каталог рентгенівських джерел і дав вченим змогу детальніше картувати небо в рентгенівському діапазоні.
У 1978 році на орбіту вивели Обсерваторію «Einstein» (HEAO-2), яка дозволила отримати перші справжні зображення об’єктів у рентгенівському світлі [3]. Ще пізніше з’явилися такі космічні телескопи, як ROSAT(запущений у 1990), BeppoSAX (1996), XMM-Newton (1999) та, звісно, Chandra X-ray Observatory (1999).
8. Особисті історії й роль Бруно Россі
Для багатьох учених ті роки стали часом відкриттів і сміливих експериментів. Один із них згадує, як у січні 1966 року Бруно Россі запросив його в Массачусетський технологічний інститут (MIT) і запропонував приєднатися до групи Джорджа Кларка [1]. Так почався новий етап наукових пошуків, що триває і сьогодні.
Саме Россі, за свої дослідження у сфері космічних променів і внесок у народження рентгенівської астрономії, здобув світове визнання. Його робота над космічними променями розпочалася ще в Італії до Другої світової війни, а продовжилася в США, де він став одним із найвідоміших науковців MIT [1][6].
9. Рентгенівська астрономія та її значення сьогодні
У сучасному світі завдяки орбітальним телескопам (Chandra, XMM-Newton, NuSTAR та ін.) астрономи можуть:
• Спостерігати наднові та їхні залишки (як-от Крабоподібна туманність).
• Вивчати акреційні диски чорних дір і нейтронних зір.
• Шукати сигнатури гарячого газу в кластерах галактик та досліджувати процеси злиття галактичних ядер.
• Аналізувати пульсари, зокрема, швидкості їхнього обертання й еволюційні зміни.
Рентгенівська астрономія забезпечує унікальне «вікно» у світ найенергійніших подій у Всесвіті. За це відкриття та розбудову напрямку Ріккардо Джакконі отримав у 2002 році Нобелівську премію з фізики [7]. Його праці та праці інших піонерів галузі стали фундаментальними для сучасного розуміння високоенергетичних процесів у космосі.
Висновки
Шлях до рентгенівської астрономії був складним і сповненим невизначеності. Починаючи з «божевільної» ідеї Бруно Россі про пошук рентгенівських променів за межами Земної атмосфери, до перших короткочаснихсуборбітальних польотів із трубками Гейгера–Мюллера, минуло не так багато часу, але результати змінили астрофізику назавжди.
Завдяки новим технологіям і теоретичним моделям дослідники змогли довести існування сотень рентгенівських джерел (нейтронних зір, чорних дір, залишків наднових, колосальних активних ядер галактик тощо). Це посунуло наші уявлення про Всесвіт до нового рівня і дало поштовх розвитку інших, споріднених галузей космічних досліджень.
Сьогодні ми маємо змогу бачити ті самі процеси, які на зорі рентгенівської астрономії науковці змогли лише на мить «упіймати» за шість хвилин суборбітального польоту ракети. І саме ці перші відчайдушні експерименти заклали підвалини для розуміння найекстремальніших процесів у нашому Космосі.
Список використаних джерел:
1. Левін В., Ґольдштейн В. Проста фізика. Київ: Наш Формат, 2020.
2. Paolini F., Giacconi R., Gorenstein P. Development of Geiger-Müller counters for X-ray detection. AS&E Technical Report, 1961. https://adsabs.harvard.edu/full/1968ARA%26A...6..373G
3. Giacconi R. X-ray Astronomy. Princeton University Press, 1974.https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/giacconi-lecture.pdf?utm_source=chatgpt.com
4. Chandra X-ray Observatory: chandra.harvard.edu
5. Bell Burnell J. S. Pulsars: discovery and current understanding. Review Article, 2004.https://www.jstor.org/stable/23056832?utm_source
6. De Maria M. & Russo A. Bruno Rossi: Pioneer of Cosmic Ray Physics. Italian Physical Society, 1990.https://www.researchgate.net/publication/227055872_Bruno_Rossi_and_the_Racial_Laws_of_Fascist_Italy
7. NobelPrize.org. The Nobel Prize in Physics 2002: Riccardo Giacconi. nobelprize.org/prizes/physics/2002/giacconi/facts/
Comments