Гамма-излучение

Развитие ракетной и космической техники позволило ученым вынести научную аппаратуру за пределы атмосферы, что значительно расширило диапазон длин волн доступных для наблюдения квантов. У ученых появилась возможность изучать небесные тела в гамма- и рентгеновском диапазонах спектра. После запуска специализированных спутников-обсерваторий у многих астрофизических объектов (пульсаров, активных областей на Солнце, ядер активных галактик, квазаров) было обнаружено весьма мощное гамма-излучение. Наблюдения в гамма-диапазоне привели также к ряду неожиданных результатов. Среди них следует отметить открытие мощных всплесков космического гамма-излучения с энергией фотонов от 0,1 МэВ до нескольких МэВ, а также открытие галактических дискретных источников с Е > 100 МэВ.

Гамма-астрономия исследует космические объекты и процессы по характерному для них жесткому электромагнитному излучению с энергией фотонов, превышающей 100 кэВ. Такие фотоны образуются, как правило, при взаимодействии частиц высоких энергий.

Диапазон гамма-излучения очень широк, его принято делить на несколько участков, каждый из которых имеет свою методику наблюдений: область мягкого гамма-излучения с Е = 0,1 – 5 МэВ, область промежуточных энергий с Е = 5 – 50 МэВ, область жесткого гамма-излучения с Е = 50 МэВ – 10 ГэВ, и область гамма-излучения сверхвысоких энергий с Е > 10 ГэВ.

Диффузный гамма-фон несет в себе важную информацию о природе и эволюции межгалактической среды и тем самым о структуре и эволюции Вселенной. Т.к. гамма-компонента диффузного фона обладает высокой проникающей способностью, она несет информацию о чрезвычайно удаленных областях Вселенной. Анализ диффузного гамма-фона позволяет получить информацию о природе неразрешенных далеких источников, удаленных от нас на значительное расстояние, помогает выяснить физические процессы, происходившие в этих источниках еще на стадии образования галактик.

1. Обнаружение фона.

Для начала рассмотрим приборы, с помощью которых регистрируют космическое излучение в гамма-диапазоне. Один из них - сцинтилляционный счетчик. Это кристалл из особого вещества (например, йодистого натрия); проходя через него, гамма-квант дает вспышку света, которая фиксируется фотоумножителем. Таким способом обнаруживают гамма-кванты с энергией до нескольких мегаэлектронвольт. Более энергичные гамма-кванты улавливают с помощью трековых детекторов. Эти устройства регистрируют траектории движения быстрых заряженных частиц, например электронов, образующихся при взаимодействии гамма- кванта с веществом детектора. Пролетая через газ в камере детектора, частицы оставляют за собой след из ионизированных атомов, по которому их обнаруживают. Наблюдения космических гамма-квантов с энергиями 100 ГэВ уже возможно проводить с поверхности Земли, поскольку гамма-кванты подобных энергий, взаимодействуя с веществом земной атмосферы, образуют в ней широкие линии вторичных частиц, вызывающих довольно значительную вспышку оптического излечения, которая и регистрируется наземной аппаратурой (земная атмосфера в этом смысле как бы является огромным сцинтиллятором).

1. Механизмы образования фона.

К настоящему времени накоплено достаточно много экспериментальных данных о спектральных особенностях диффузного гамма-фона, а также о степени его изотропии, что позволяет рассмотреть вопрос о возможных физических механизмах образования фона.

Все многообразие явлений, происходящих в наблюдаемой части Вселенной, включая физические процессы, протекающие внутри звезд и галактик, а также грандиозные явления, происходящие в квазарах и радиогалактиках, определяются элементарными процессами в атомных и даже меньших масштабах. Среди элементарных процессов, приводящих в космических условиях к образованию излучения в гамма-диапазоне, можно выделить комптоновское рассеяние и тормозное излучение, а также аннигиляцию частиц и античастиц и переход электронов тяжелых атомов с одного энергетического уровня на другой. Рассмотрим эти механизмы более подробно.

В результате обратного комптоновского рассеяния релятивистский электрон теряет энергию в результате взаимодействия с квантом, которому он отдает часть своей энергии. При этом квант попадает в гамма-диапазон. Тормозное излучение возникает из-за того, что быстрый электрон, пролетая в электрическом поле иона, испытывает ускорение за счет кулоновского притяжения. Чем выше скорость электрона, тем больше энергия излучения. Один из самых важных источников образования гамма-излучения - процесс аннигиляции вещества и антивещества. Например, при аннигиляции покоящихся электрона и позитрона образуются два гамма-кванта, энергия каждого из которых равна энергии покоя электрона. Аннигиляция вещества и антивещества является одним из самых эффективных процессов преобразования энергии частиц в излучение, т.к. в процессе аннигиляции происходит преобразование полной энергии частиц, состоящей из кинетической и энергии покоя. При аннигиляции электрона и позитрона образуется либо два фотона, каждый с Е = 0,511 МэВ, либо три фотона с непрерывным частотным спектром. Аннигиляция протонов и антипротонов сопровождается образованием большого числа мезонов, в том числе и нейтральных, которые распадаются на гамма-фотоны. Электромагнитное излучение в гамма-диапазоне образуется также при движении электронов в магнитном поле (синхротронное излучение); для генерации синхротронного гамма-излучения необходимы высокие энергии электронов и большие напряженности магнитных полей.

В результате ядерных процессов, сопровождающихся образованием возбужденных ядер, излучаются фотоны с энергиями, соответствующими области мягкого гамма-излучения. Среди ядерных спектральных гамма- линий особый интерес представляет линия с энергией 2,23 МэВ, связанная с образованием дейтрона при захвате нейтрона протоном; регистрация гамма-фотонов с энергией 2,23 МэВ позволяет оценивать потоки свободных нейтронов в удаленных космических источниках. Основным источником фотонов гамма-излучения высоких энергий в ядерных реакциях служит распад нейтральных пи-мезонов, генерируемых в реакциях элементарных частиц высоких энергий.

В недрах звезд протекают многочисленные ядерные реакции; в межзвездном пространстве с околосветовыми скоростями проносятся частицы космических лучей, происходит аннигиляция частиц и античастиц - все это вносит свой вклад в формирование диффузного излучения. Давайте посмотрим, какие дискретные источники вносят свой вклад в образование фона.

1. Источники гамма-фона.

Когда приборы для регистрации гамма-лучей были вынесены в космос, астрономы обнаружили то, что и ожидали, - фоновое гамма- излучение "размазано" по небу в полосе, охватывающей Млечный Путь. Это следствие уплощенной структуры нашей Галактики. Конечно, фоновое излучение создается конкретными космическими объектами. Часть из них оказалась связана с пульсарами. Это удалось установить на основании того, что периоды мигания пульсаров равны периодам колебаний интенсивности источников гаммы излучений. Например, гамма-источником является пульсар в Крабовидной туманности. Другим объектом, излучающим гамма-импульсы, оказался пульсар в созвездии Паруса. Это рентгеновский источник ПарусХ, тоже остаток сверх новой, но более старой, чем в Крабовидной туманности.

Несколько гамма-источников отождествлены с тесными двойными системами, в которых газ перетекает с массивной звезды на компактный объект (например, ГеркулесХ-1,ЛебедьХ-3). Рождение гамма-квантов здесь связано со сложными физическими процессами ускорения частиц в сильном магнитном поле в близи компактного объекта.

Самый близкий к нам источник гамма-лучей - Солнце. Гамма- излучение возникает при мощных солнечных вспышках. Из самых далеких наблюдаемых гамма-источников можно отметить активные ядра галактик и квазары.

Но многие гамма-источники пока не удалось отождествить ни с какими объектами. Дело в том, что определить точное положение гамма-источника на небе очень трудно. Гамма-телескопы имеют низкое угловое разрешение, и только одновременное наблюдение быстро меняющего свою скорость гамма-источника двумя или несколькими удаленными друг от друга аппаратами позволяет уточнить его координаты.

Наиболее загадочными оказались так называемые гамма-вспышки, которые в среднем примерно раз в сутки на короткое время появляются в различных областях неба. Они были открыты в 60-х гг. американскими военными спутниками и до настоящего времени хранят тайну своей природы. Тысячи гамма-вспышек нанесены на карту неба; они усеивают ее практически однородно, не концентрируясь ни к близким звездам, ни к плоскости галактики или к ее ядру, ни к известным скоплениям далеких галактик. Первые отождествления гамма-вспышек с очень слабыми оптическими объектами были получены только в 1997 г.

Существует несколько различных предположений о том, как возникают гамма-вспышки. Многие исследователи связывают их природу с такими объектами, как тесные двойные системы из нейтронных звезд или черных дыр. Обращаясь вокруг общего центра масс, они постепенно сближаются и должны рано или поздно столкнуться друг с другом из-за неизбежных потерь энергии на излучение гравитационных волн. Выделяемая при таком столкновении энергия фантастически велика, она в сто раз больше, чем Солнце может излучить за всю свою жизнь. Такие объекты могли бы наблюдаться с расстояний в тысячи мегапарсек. Но пока это только гипотеза.

Скорее всего, диффузный гамма-фон Вселенной, как и диффузный фон в рентгеновском диапазоне, объясняется суммарным излучением дискретных источников.

С.В.Тульская