Крабовидная туманность: тайны звездных катаклизмов

Некоторые небесные объекты астрономы не без основания считают «подарками судьбы» — так много интересных явлений и закономерностей они позволяют изучить. Одним из наиболее известных примеров такого объекта является небольшая газовая туманность, возникшая, как выяснилось, сравнительно недавно — уже во времена письменной истории
человечества.

В древних китайских летописях, датируемых 1054 годом н.э., описывается появление в созвездии Тельца «звезды-гостьи», которая внезапно вспыхнула и стала ярче всех остальных звезд на небе (и даже Венеры — самой яркой планеты). В течение трех недель ее можно было видеть даже днем. Постепенно ее блеск уменьшался, и меньше чем через два года она совсем погасла.

После того, как были изобретены телескопы и начались регулярные астрономические наблюдения, в 1731 г. на месте исчезнувшей «гостьи» английский врач и астроном-любитель Джон Бэвис (John Bevis) обнаружил небольшую туманность, а французский астроном Шарль Мессье (Charles Messier) включил ее в свой каталог под номером 1 — сейчас она имеет обозначение M1.

Туманность имела вид расплескавшейся капли с многочисленными брызгами-лучами, но британский астроном лорд Росс (William Parsons), наблюдавший ее в 1844 г. с помощью 36-дюймового телескопа, сделал зарисовку, на которой было запечатлено светлое пятно, похожее на краба, и дал туманности соответствующее название. Имя «Крабовидная туманность» прижилось. Тогда еще никто не знал, что ей суждено стать одним из самых замечательных небесных объектов, сыгравшим исключительную роль во многих областях астрофизики. Не было известно и о ее связи с событием 1054 г. — догадку об этом впервые высказал знаменитый американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble)2 в 1928 г.

Смерть массивных звезд

Прежде всего, следует сказать несколько слов о природе «звезд-гостий». После того, как в недрах светил, в несколько раз превышающих по массе наше Солнце (его масса составляет около 2×1030 кг), исчерпается водородно-гелиевое термоядерное горючее и начнет уменьшаться внутреннее давление, уравновешивавшее силу тяготения, происходит коллапс — ускоряющееся гравитационное сжатие. Вещество звезды начинает с огромной скоростью падать внутрь, сильно сжимая ее центральную часть, в результате чего образуется сверхплотное ядро. Внешние слои, отражаясь от этого ядра, выбрасываются наружу. Весь этот процесс происходит в течение нескольких секунд. Оболочка, разогретая до миллионов кельвинов и расширяющаяся со скоростью свыше 1000 км/с, наблюдается как вспышка излучения в той точке неба, где прежде ничего примечательного видно не было. Это явление, получившее у астрономов не совсем правильное название «вспышка Сверхновой»,3 связано, как уже говорилось, с расширяющимся облаком излучающего вещества и его высокой температурой (мощность излучения пропорциональна квадрату радиуса излучающего объекта и четвертой степени температуры). Постепенно при расширении оболочки вещество в ней остывает, его свечение ослабевает и, в конце концов, источник становится невидимым. Именно такое явление и описали китайские летописцы в XI веке.

Сжатое падающей (а затем сброшенной) оболочкой звездное ядро продолжает свою самостоятельную жизнь. Как правило, оно превращается в нейтронную звезду с массой, приблизительно равной массе Солнца, и радиусом 10-20 км. Такой объект обладает невероятной плотностью, фактически равной плотности атомных ядер, и огромным по земным меркам магнитным полем с напряженностью в миллионы раз большей, чем у полей, генерируемых в лабораторных условиях. Вращаясь с периодом порядка секунды, звездный остаток создает на своей поверхности колоссальные электрические поля, на несколько порядков превосходящие по мощности те, которые могут создать существующие генераторы.

Эти поля вырывают из поверхностных слоев заряженные частицы и ускоряют их до скоростей, близких к скорости света (299 792 км/с). Такие частицы, называемые релятивистскими, выходят за пределы магнитосферы, заполняют окружающее звезду пространство и, тормозясь магнитными полями, испускают излучение. Этот процесс требует времени в десятки-сотни лет, после чего вокруг вновь образовавшейся нейтронной звезды загорается своеобразный ореол в виде светящейся туманности. Именно такова природа Крабовидной туманности в созвездии Тельца. Она стала первым остатком вспышки Сверхновой, наблюдавшимся астрономами.

Первые открытия

Синхротронное излучение. ХХ век расширил наблюдательные возможности астрономии. В начале 30-х годов американский инженер Карл Янский (Karl Guthe Jansky) впервые зарегистрировал радиоизлучение космического объекта, которым оказался центр нашей Галактики. Это открытие положило начало эры радиоастрономии. Развитие антенной техники и усовершенствование радиоприемников позволило обнаружить радиоизлучение десятков тысяч источников. Среди них одним из самых мощных оказался Телец A, найденный австралийским радиоастрономом Джоном Болтоном (John Bolton) в 1948 г. и позже отождествленный с Крабовидной туманностью M1.

Впоследствии было доказано, что релятивистские электроны, вырванные из нейтронной звезды и попавшие в окружающую среду с магнитным полем, излучают не только в оптическом, но и в радиодиапазоне.

Сверхкорона Солнца. К 50-м годам ХХ века еще не было ясности в том, что представляет собой пространство между Солнцем и Землей — заполнено ли оно веществом или же остается почти пустым. Решить эту дилемму снова помогла Крабовидная туманность. По счастливому стечению обстоятельств этот объект находится в созвездии Тельца, относящемся к зодиакальным созвездиям, через которые проходит плоскость эклиптики. При своем годичном движении Солнце в конце северной астрономической весны (по земному календарю это соответствует середине июня) оказывается недалеко от M1. Идею эксперимента предложил один из основоположников советской радиоастрономии профессор Виктор Витольдович Виткевич.

Известно, что во время туманов вокруг уличных фонарей наблюдаются светящиеся ореолы, размер которых тем больше, чем гуще туман. Когда излучение космического радиоисточника проходит через рассеивающую среду, он также будет увеличиваться в размерах — вокруг него возникнет радиоореол. Если в межпланетной среде имеется рассеивающее вещество, тогда в окрестностях Солнца (где его концентрация выше) оно вызовет увеличение углового размера удаленного источника, а если вещества нет — размер изменяться не будет. Наблюдения были проведены Виткевичем на радиотелескопах в Крыму. Оказалось, что в околосолнечной области неба протяженность радиоисточника Телец A действительно немного увеличилась. В ходе этих экспериментов было доказано, что наше светило окружено короной, размер которой превышает диаметр видимого солнечного диска не вдвое, как считалось ранее, а значительно более обширной. Эта «сверхкорона» простирается на порядок дальше и, как было показано позднее, в ее пределах находится земная орбита.

Открытие пульсара в M1. В 1967 г. британский астроном Энтони Хьюиш (Antony Hewish) с сотрудниками обнаружил радиоисточники, испускавшие импульсное излучение. Они получили название «пульсары». Как уже говорилось, нейтронная звезда, образовавшаяся в момент взрыва сверхновой, должна обладать мощным магнитным полем. Основная часть излучения генерируется в узких конусах, направленных вдоль его оси. Если эта ось не совпадает с осью вращения звезды, то в моменты, когда такой конус «накрывает» наблюдателя, будет регистрироваться всплеск излучения. Это явление аналогично вспышкам вращающегося маяка. Именно такие источники и были открыты Хьюишем.

В исследовании этой проблемы M1 также сыграла определяющую роль. Дело в том, что, наряду с моделью маяка, рассматривалась альтернативная концепция, связывавшая пульсары с нестабильными белыми карликами,6 которые также могли быть продуктом взрывов сверхновых. «Дыхание» поверхности таких объектов могло привести к импульсному излучению. Однако период пульсаций, как следовало из теории, в этом случае не мог быть короче секунды.

В 1968 г. вблизи центра Крабовидной туманности с помощью 300-метровой антенны в Аресибо обнаружили пульсар, излучающий в радиодиапазоне с периодом 33 миллисекунды. Таким образом, удалось подтвердить, что в данном случае мы имеем дело со звездным остатком в виде нейтронной звезды, а не белого карлика. В дальнейшем были открыты пульсары с еще более короткими периодами. Самый короткопериодический пульсар из всех известных к настоящему времени — он имеет обозначение PSR J1748-2446ad — совершает 716 оборотов в секунду (период 1,4 миллисекунды). Поэтому существование нейтронных звезд уже не вызывает сомнений.

Однако пульсар в туманности M1 является уникальным: это единственный представитель данного класса объектов, проявляющий импульсное излучение во всех диапазонах электромагнитного спектра.

Последствия катастрофы

В процессе эволюции звезды в ее недрах в результате термоядерных реакций синтезируются химические элементы вплоть до железа. Во время взрыва Сверхновой они выбрасываются вместе с оболочкой в окружающее пространство и в дальнейшем оказываются частью остатка вспышки. Его химический состав можно определить спектральным анализом. В Крабовидной туманности наблюдаются линии ионизированного водорода, гелия, кислорода, азота, неона, серы, возникающие в горячем газе с температурой более 10 тыс. кельвинов. Кроме оценки количества различных ионов, спектральные наблюдения позволяют по эффекту Доплера вычислить скорость движения областей, где формируются соответствующие линии. На фотографиях расширяющегося облака отчетливо видны отдельные волокна, направления которых, по-видимому, определяются силовыми линиями локального магнитного поля. Оказалось, что скорости этих волокон могут достигать 1500 км/с, т.е. в туманности продолжаются динамические процессы, связанные в значительной мере с активной жизнью нейтронной звезды. Вблизи нее время от времени появляются «жгуты» — волновые образования, удаляющиеся от нее с большой скоростью (до трети скорости света).

Развитие наблюдательной техники и появление космических рентгеновских и гамма-телескопов (в частности, Chandra и Fermi) позволило провести исследования Крабовидной туманности в высокочастотных диапазонах электромагнитного спектра. И здесь она оказалась уникальным источником, излучающим на всех частотах, на которых проводились измерения. Как уже говорилось, в окрестностях нейтронной звезды формируются потоки релятивистских электронов. Эти электроны обладают различной энергией, что дает им возможность испускать радиоволны, видимый свет, и, как оказалось, рентгеновские лучи. Радиоизлучение обязано своим происхождением частицам с энергией в сотни мегаэлектрон-вольт, а для генерации в оптическом и рентгеновском диапазоне требуются энергии от сотен миллиардов электрон-вольт до сотен тераэлектрон-вольт. Излучение в гамма-диапазоне возникает при взаимодействии релятивистских электронов с фотонами.

Структуру M1 в разных участках спектра удалось детализировать, в частности, при наблюдениях ее затмений Луной. Как уже упоминалось, этот объект находится вблизи плоскости эклиптики, а значит, время от времени его заслоняет от наблюдателей лунный диск. Он закрывает туманность постепенно, позволяя наблюдать излучение отдельных незакрытых ее областей, после чего, сопоставляя кривые радиояркости, можно построить картину ее распределения с высоким разрешением.

В настоящее время каталоги остатков вспышек сверхновых насчитывают несколько сотен источников, но M1 навсегда останется первым примером такого объекта, однозначно идентифицированного и ставшего «героем» обширных наблюдательных программ. Очевидно, в ходе его дальнейших исследований астрономам следует ожидать новых выдающихся открытий. Однако быстрое развитие наблюдательной техники уже в недалеком будущем сделает возможным достаточно детальное изучение других остатков погибших звезд, и, возможно, они расскажут нам о том, о чем «умолчала» знаменитая Крабовидная туманность.