Фоновое излучение в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах

К настоящему времени внегалактическое фоновое излучение измерено практически во всех доступных наб­людениям диапазонах длин волн: радио-, микроволновом (хотя часть микроволнового фонового излучения лежит в ра­диодиапазоне, обсуждению его свойств из-за огромной его важности будет посвящена отдельная глава), рентгеновском и гамма-диапазонах спектра. В каждом из этих диапазонов фоновое излучение дает разного рода информацию о Вселенной и ее истории. В данном разделе мы кратко остановимся на обсуждении свойств фона в радио-, рентгеновском игамма-диапазо­нах спектра.

Космическое фоновое радиоизлучение наблюдается на частотах от 1 до 500 МГц, что соответствует длинам волн от 300 м до 60 см. Небо в этом диапазоне, особен­но на метровых волнах, очень яркое, но распределение радиояркости по небу крайне анизотропно и концентри­руется к галактической плоскости (к плоскости Млеч­ного Пути). Так как мы рассматриваем внегалактическое фоновое излучение, то оно должно обладать изотроп­ными свойствами. В связи с этим поиск и обнаружение этого фонового излучения связаны с выделением изо­тропной компоненты из общего анизотропного фоново­го излучения.

В общем фоновом излучении наблюдается явная кон­центрация радиоизлучения к плоскости Галактики, что указывает на связь анизотропной компоненты с излу­чением Галактики. Оказывается, за радиоизлучение на­шей Галактики в основном ответственны релятивистские электроны, входящие в состав галактических космиче­ских лучей. В состав межзвездной среды наряду с кос­мическими лучами входит и магнитное поле. При дви­жении электронов в магнитном поле с напряженностью Н они испускают кванты синхротронного излучения с частотами 5 • 10 -6 Н • Е 2 Гц, лежащими в радиодиапазо­не. Действительно, по разным оценкам напряженность магнитного поля в Галактике около 3 • 10 -6 Гс. Наблю­дения электронной компоненты галактических космиче­ских лучей при помощи спутников показывают, что в состав последних входят релятивистские электроны с энергиями 10 8 —10 10 эВ. Именно эти электроны и дают синхротронное радиоизлучение Галактики. Анализ энер­гетического спектра электронов космических лучей поз­воляет теоретически рассчитать спектр синхротронного радиоизлучения, сравнить его с наблюдаемым и тем са­мым (выделить фоновую внегалактическую компоненту радиоизлучения. Несмотря на это, экспериментальное выделение радиофона связано с большими трудностями. На существование в этом диапазоне внегалактиче­ской компоненты радиоизлучения указывают и прямые наблюдения, которые позволяют независимо оценить фон. Эти наблюдения относятся к измерению радиояр­кости неба на частоте 20 Мгц в направлении на Боль­шое Магелланово Облако. Эта туманность является од­ной из двух карликовых галактик, являющихся спутни­ками нашей Галактики. Внутри этой галактики находит­ся облако ионизованного газа, которое эффективно по­глощает радиоизлучение на частоте 20 Мгц. Это газо­вое облако занесено в каталог под названием туман­ность 30 Золотой Рыбы (по названию созвездия, где оно находится). Сравнение яркости неба в этой туманности и в ее окрестностях показало, что величина яркости уменьшается при наблюдениях в направлении этого об­лака, т. е. должно существовать излучение, которое об­разовано вне этого облака и которое, следовательно, имеет внегалактическую природу. Это внегалактическое радиоизлучение, проходя через облако, поглощается в нем, и поэтому яркость радионеба в направлении на об­лако становится меньше по сравнению с соседними уча­стками. Практически в этом облаке поглощается все внегалактическое радиоизлучение. Так как галактическое радиоизлучение не проходит через облако, то наблюдае­мая яркостьрадионеба в направлении на это облако да­ет значение интенсивности галактического радиоизлуче­ния. Такой метод позволяет оценить сразу и фоновое радиоизлучение и радиоизлучение нашей Галактики.

Следующий, наиболее плодотворный метод измере­ния интенсивности фонового излучения основан на со­ставлении радиокарт неба во всевозможных направле­ниях и на различных частотах. Он заключается в том, что исследуется определенный участок неба и измеряет­ся радиояркость в каждой его точке. На такой карте, которая является аналогом фотографии неба в оптиче­ском диапазоне, видны участки с повышенной радиояр­костью, соответствующие радиоизлучению дискретных источников, и обширные области с более или менее по­стоянной радиояркостью. Сравнение этих карт в разных направлениях позволяет выделить фоновое излучение, величина радиояркости которого является наименьшей на всех картах. Из сравнения карт неба на различных частотах определяются спектральные свойства фоново­го радиоизлучения.

Этот метод наряду с другими показал, что плотность энергии фонового радиоизлучения падает с ростом ча­стоты, т. е. количество энергии, заключенной в фоновом радиоизлучении, на коротких длинах волн меньше, чем на длинных. С таким типом спектров радиоастрономы встречаются повсеместно; он связан с нетепловыми ме­ханизмами излучения подобно нетепловому радиоизлу­чению релятивистских электронов в нашей Галактике. Природа радиофона в настоящее время понята доста­точно хорошо. Радиофон объясняется суммарным излу­чением всех радиоисточников во Вселенной, и поэтому здесь имеет место такая же ситуация, как при анализе фотометрического парадокса Ольберса.

Источниками, обусловливающими фоновое радиоиз­лучение, в первую очередь являются радиогалактики и квазары. Они самые мощные и активные из всех изве­стных до сих пор источников и имеют нетепловой спектр такого же типа, какой имеет и радиофон. Существует довольно обширный наблюдательный материал относи­тельно свойств самых ярких квазаров и радиогалактик. Используя радиокарты неба, полученные с помощью са­мых мощных радиотелескопов, можно подсчитать число таких радиоисточников, а также оценить число настоль­ко слабых источников, которые радиотелескоп не спо­собен разрешить, и они видны в виде флуктуации ра­диояркости в малых масштабах. Если просуммировать радиоизлучение всех этих источников, то их окажется достаточно, чтобы объяснить радиофон.

Анализ свойств фонового радиоизлучения позволяет сразу изучить намного больше источников, чем это мож­но было бы сделать, исследуя отдельные источники. На­пример, были подтверждены результаты прямых подсче­тов дискретных радиоисточников, которые указывали на то, что в недавнем прошлом во Вселенной было намно­го больше квазаров и радиогалактик, чем их наблюда­ется сейчас.

Этот вывод указывает на несостоятельность не толь­ко статической модели Вселенной (мы ее рассматрива­ли в начале в связи с фотометрическим парадоксом), но и так называемой стационарной теории Вселенной, по которой существует непрерывное творение вещества, без изменения основных характеристик Вселенной. Так как из анализа свойств радиофона следует, что в прош­лом было больше радиоисточников, то Вселенная в прошлом не была похожа на современную.

Перед тем как перейти к обсуждению фонового из­лучения в рентгеновском и гамма-диапазонах, мы от­метим один интересный вывод, который следует из наб­людений радиофона. Хорошо известно, что между звез­дами в нашей Галактике существуют облака нейтраль­ного водорода, которые излучают на характерной длине волны 21 см. Это излучение образуется в атоме водоро­да при переходе электрона с двух подуровней основного состояния. Была сделана попытка обнаружить анало­гичные облака нейтрального водорода в межгалактиче­ской среде по их радиоизлучению, правда., уже не в ли­нии 21 см, а в целой полосе около нее. Это связано с тем, что линии излучения от облаков, удаленных на большие расстояния от Земли, должны испытывать доплеровское красное смещение вследствие расширения Вселенной. Чем дальше расположен излучающий водо­род, тем в более длинноволновую сторону смещается наблюдаемая нами линия излучения водорода. Наблю­датель воспринимает излучение водорода, непрерывно распределенного по лучу зрения вплоть до огромных расстояний. Поэтому он должен видеть не линию, а не­которую ступеньку. Причем эта ступенька должна об­рываться со стороны коротких волн, как раз на волне 21 см, и излучение на этой границе обусловливается из­лучением нейтрального водорода в окрестностях нашей Галактики. Со стороны длинных волн ступенька должна обрываться из-за возможного отсутствия холодного во­дорода на очень больших расстояниях, которые соответ­ствуют более ранним этапам расширения Вселенной. На рис. 4 отмечены три произвольные области Вселенной, удаленные от нас на расстояние r1 r2 r3. Стрелками от­мечены скорости расширения Вселенной в этих местах. v1, v2, v3 — частоты воспринимаемого нами излучения нейтрального водорода из этих областей. Справа в виде огибающей показано ожидаемое распределение интен­сивности излучения межгалактического нейтрального во­дорода. Наблюдения обнаруживают (в пределах чувст­вительности современных телескопов), что такой сту­пеньки нет, а это указывает на отсутствие нейтрального (неионизованного) водорода в межгалактическом прост­ранстве. Как мы увидим ниже, отсутствие нейтрального водорода вызвано спецификой процессов, приведших к образованию галактик в расширяющейся Вселенной.

Ожидаемое излучение от межгалактического нейтрального водорода

В гамма- и рентгеновском диапазонах фоновое излу­чение измерено на частотах >2,5 • 10 17 Гц (на длинах волн короче 13 А). Измерения в этих диапазонах стали возможными благодаря использованию ракетно-косми­ческой техники, которая позволяет вынести приемники гамма- и рентгеновского излучения за пределы земной атмосферы. Земная атмосфера поглощает все рентгенов­ское излучение, идущее из космоса. Самые энергичные фотоны, зарегистрированные в настоящее время из кос­моса, имеют энергию более 100 МэВ. Наблюдения пока­зали, что это излучение, как и в радиодиапазоне, носит нетепловой характер. Однако происхождение внегалак­тического гамма- и рентгеновского фона еще точно не установлено. Интенсивность фонового излучения (яр­кость неба) одна и та же во всех направлениях, если мы смотрим в области вне плоскости Млечного Пути. Если бы это излучение образовалось в нашей Галактике, то оно бы концентрировалось к плоскости Млечного Пути, куда концентрируются все объекты Галактики. По всей вероятности, рентгеновский фон, как и радиофон, объяс­няется суммарным излучением дискретных внегалакти­ческих источников, таких, как радиогалактики и кваза­ры. Они являются одновременно как мощными радиоис­точниками, так и мощными источниками рентгеновского излучения. Были сделаны попытки построить карты не­ба в рентгеновском диапазоне, аналогичные картам в ра­диодиапазоне. В радиодиапазоне, как мы видели, такие карты позволили выделить большое количество очень слабых радиоисточников, излучение которых практиче­ски сливается в сплошной радиофон, В рентгеновском диапазоне такие карты позволили бы выделить зерни­стую структуру рентгеновского фона и тем самым под­твердить его дискретную природу. Но чувствительность современных рентгеновских телескопов еще недостаточ­на, чтобы обнаружить ожидаемую структуру фона. Не­посредственно было обнаружено несколько внегалакти­ческих рентгеновских источников (отождествленных с галактиками, квазарами и скоплениями галактик). Как раз на основе этих наблюдений и были проведены рас­четы ожидаемого рентгеновского фона, и было показано, что эти источники в принципе смогут обусловить наблю­даемый фон. Что касается гамма-телескопов, то они в настоящее время еще менее чувствительны. Поэтому по­ка не удалось с достаточной степенью достоверности об­наружить отдельные гамма-источники, за исключением Крабовидной туманности — остатка Сверхновой звезды в созвездии Тельца. Вид спектра фонового излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах указывает также на возможность объяснения гамма-фона суммарным излу­чением далеких дискретных источников гамма-излуче­ния.

Несмотря на то что рентгеновский фон можно объ­яснить суммой излучений внегалактических источников, остается открытым вопрос о механизмах рентгеновского излучения в таких источниках. Знание механизма излу­чения позволяет объяснить спектральные свойства как излучения источников, так и фона. Если для объяснения радиофона вполне был приемлем механизм нетеплового (синхротронного) радиоизлучения, то рентгеновский фон можно объяснить при помощи нескольких механизмов, например, тормозного и комптоновского.

В заключение этого раздела хотелось бы отметить следующий факт. Мы уже говорили, что радиофон и, воз­можно, рентгеновский и гамма-фон объясняются нало­жением излучений отдельных источников. Причем в прошлом этих источников было больше, чем сейчас. До каких пор в прошлое мы должны идти, чтобы набрать нужное для объяснения фона количество источников? Это важно знать, так как в рамках расширяющейся мо­дели Вселенной никаких объектов вообще не существо­вало около 10 млрд. лет назад, а значит, не существо­вало фонового излучения, обусловленного этими источ­никами. Следовательно, наблюдаемое фоновое излуче­ние в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах несет нам информацию о свойствах Вселенной, начиная с эпо­хи образования мощных радиогалактик и квазаров.

А что же было раньше? Где и как искать носителя этой информации? На это мы дадим ответ в следующих разделах.