Рентгеновская астрономия

Рентгеновские телескопы

Здесь необходимо подчеркнуть следующее: несмотря на чудовищные
мощности рентгеновского излучения от источников, перечисленных в конце
предыдущей главы, доходящий до нас (имеется в виду граница земной атмосферы)
поток излучения чрезвычайно мал из-за громадных расстояний до галактических
и тем более внегалактических источников. Это создает исключительные
экспериментальные трудности для рентгеновской астрономии. От самого сильного
(не считая Солнце) из ныне известных источников рентгеновского излучения
Sco X-1 до пределов земной атмосферы доходит лишь около 75 фот/см2•сек,
а от «типичного» источника — около 0,1 фот/см2•сек. Для
сравнения укажем, что от самой сильной звезды в оптическом диапазоне —
Сириуса — доходит около 2•107 фот/см2•сек, то есть
в триста тысяч раз больше световых фотонов. Это делает пока затруднительным
или вообще невозможным определение точных координат большинства рентгеновских
источников, их спектра, поляризации и других характеристик, необходимых
для физической интерпретации их природы. Член-корреспондент АН СССР И. С.
Шкловский произвел любопытное сопоставление. Принимая чувствительность
приемников рентгеновского излучения равной 10-2 фот/см2•сек,
получаем, что мы можем наблюдать источники лишь в 104 раз
более слабые, чем самый сильный источник. В оптической астрономии при
примерно той же чувствительности обнаружения, обеспечиваемой современными
гигантскими телескопами, при фотографировании неба с большими экспозициями
можно наблюдать звезды в 1010 раз более слабые, чем Сириус, в
радиоастрономии соответствующий интервал составляет около 107
раз. Число объектов, которое можно зарегистрировать при достигнутой ныне
чувствительности аппаратуры, по порядку величины составляет для рентгеновской
астрономии 103, для оптической астрономии — 1010 и
радиоастрономии — 106. К этому следует добавить, что спектральное
разрешение составляет ныне для рентгеновской астрономии лишь 10-1-10-2,
для оптической — 10-4 и радиоастрономии — 10-7, а
угловое разрешение соответственно 1 угловую минуту, 0,1 угловых секунды и
10-4 угловых секунд.
Таким образом, по своим наблюдательным возможностям рентгеновская
астрономия в некотором отношении еще находится в младенческом состоянии,
значительно уступая оптической и радиоастрономии.

Для регистрации излучения в рентгеновской астрономии до настоящего времени
в основном использовались счетчиковые телескопы, состоящие из счетчиков
фотонов и коллиматоров. Телескопы обычно помещают на вертикальную ракету,
с помощью гироскопической системы наводят ось коллиматора в нужную точку
небесной сферы либо осуществляют медленное сканирование определенных участков
небесной сферы.

В 1968 году в СССР был запущен специальный астрономический спутник
серии «Космос», а в 1970 году в США — специальный рентгеновский
астрономический спутник «Ухуру».
Чувствительность счетчикового телескопа, то есть минимально обнаружимый
поток фотонов, определяется, как во всех измерительных системах, уровнем
«шума» — «фоном» счетчика (точнее, величиной статистических
флуктуаций числа «фоновых» импульсов). Дело в том, что частицы
космических лучей, пронизывая счетчик фотонов, вызывают в нем фоновые
импульсы. Теоретические расчеты показывают, что отношение сигнал/шум,
определяющее чувствительность системы, растет с площадью окна счетчика и
продолжительностью наблюдений очень медленно — пропорционально квадратному корню
из произведения обеих величин. Таким образом, значительно повысить чувствительность
счетчиковых телескопов за счет увеличения площади счетчиков или продолжительности
наблюдения технически весьма затруднительно. Существует, однако, другой путь —
собирать рентгеновское излучение специальной оптикой и направлять его на
маленький счетчик фотонов, который в силу своих малых размеров имеет
малый шум. Собирающей оптикой для рентгеновских лучей могут служить очень вытянутые
параболические зеркала, работающие при скользящем падении лучей.

На рисунке схематически изображен зеркальный телескоп скользящего
падения. Рабочая площадь зеркала — около 100 см2, входное окно
счетчика — 1 см2. Следует, однако, заметить, что использование
зеркальных телескопов имеет свои ограничения; для приема жесткого излучения
с длиной волны короче 10 ангстрем, по-видимому, счетчиковые телескопы пока
трудно заменить.

Солнечные вспышки – высокая радиационная опасность

Вспышки на Солнце – большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.

Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.

Большие солнечные вспышки происходят не так часто – раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.

Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?

Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего – на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой – на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.

Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев

Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).

Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения – долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.

Эволюция Солнца

Предполагается, что Солнце родилось в сжавшейся газопылевой туманности. Есть, по крайней мере, две теории относительно того, что дало толчок первоначальному сжатию туманности. Согласно одной из них предполагается, что один из спиральных рукавов нашей галактики проходил через нашу область пространства примерно 5 млрд. лет назад. Это могло вызвать легкое сжатие и привести к формированию центров тяготения в газо-пылевом облаке. Действительно, сейчас вдоль спиральных рукавов мы видим довольно большое количество молодых звезд и светящихся газовых облаков. Другая теория предполагает, что где-то недалеко (по масштабам Вселенной, конечно) взорвалась древняя массивная сверхновая звезда. Возникшая ударная волна могла быть достаточно сильной, чтобы инициировать звездообразование в «нашей» газо-пылевой туманности. В пользу этой теории говорит то, что ученые, изучая метеориты, обнаружили довольно много элементов, которые могли образоваться при взрыве сверхновой.

Далее, когда столь грандиозная масса (2*1030кг) сжималась под действием сил гравитации, она сама себя сильно разогрела внутренним давлением до температур, при которых в ее центре смогли начаться термоядерные реакции. В центральной части температура на Солнце равна 15000000K, а давление достигает сотни миллиардов атмосфер. Так зажглась новорожденная звезда (не путайте с новыми звездами).

В основном Солнце в начале своей жизни состояло из водорода. Именно водород в ходе термоядерных реакций превращается в гелий, при этом выделяется энергия, излучаемая Солнцем. Солнце принадлежит к типу звезд, называемых желтыми карликами. Оно – звезда главной последовательности и относится к спектральному классу G2. Масса одинокой звезды довольно однозначно определяет ее судьбу. За время жизни (~5 миллиардов лет), в центре нашего светила, где температура достаточно высока, сгорело около половины всего имеющегося там водорода. Примерно столько же, 5 миллиардов лет, Солнцу осталось жить в таком виде, к которому мы с вами привыкли.

После того, как в центре светила водород будет на исходе, Солнце увеличится в размерах, станет красным гигантом. Это сильнейшим образом скажется на Земле: повысится температура, океаны выкипят, жизнь станет невозможной. Затем, исчерпав «топливо» совсем и не имея более сил держать внешние слои красного гиганта, наша звезда закончит свою жизнь как белый карлик, порадовав неведомых нам внеземных астрономов будущего новой планетарной туманностью, форма которой может оказаться весьма причудливой благодаря влиянию планет.

Смерть Солнца по времени

• Уже через 1,1 млрд. лет, светило увеличит свою яркость на 10 %, что повлечет сильное нагревание Земли.
• Через 3,5 млрд. лет, яркость увеличиться на 40%. Начнут испаряться океаны и наступит конец всему живому на Земле.
• По прошествии 5,4 млрд. лет, в ядре звезды закончится топливо – водород. Солнце начнет увеличиваться в размерах, за счет разрежения внешней оболочки и нагрева ядра.
• Через 7,7 млрд. лет, наша звезда превратиться в красного гиганта, т.к. увеличиться в 200 раз из-за этого будет поглощена планета Меркурий.
• В конце, через 7,9 млрд. лет, внешние слои звезды настолько разредятся, что распадаться на туманность, а в центре бывшего Солнца будет маленький объект – белый карлик. Так закончит существование наша Солнечная система. Все строительные элементы, оставшиеся после распада, не пропадут, они станут основой для зарождения новых звезд и планет.

СОЛНЕЧНОЕ

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ГОСТ 25645.129-86

Издание официальное

ИСПОЛНИТЕЛИ

С. И. Авдюшин, д-р техн. наук; В. М. Балебанов, канд. физ.-мат. наук* А. С. Бирюков; Л. А. Вайнштейн, д-р физ.-мат. наук; О. М, Коврижных, канд. физ.-мат. наук; Е. И. Коган-Ласкина, канд. физ.-мат. наук; Б„ М. Кужевский,. канд. физ.-мат. наук; Е. Н. Лесновский, канд. техн. наук; О. Б. Ликин, канд. физ.-мат, наук; С. И. Никольский, д-р физ.-мат. наук; А. А. Нусинов. канд. физ.-мат. наук; Т. Н. Панфилова; Н. Ф. Писаренко, канд. физ.-мат. наук; И. Я. Ремизов, канд. техн. наук; И. А. Савенко, I д-р физ.-мат. наук; П. М. Свин

ский, канд. физ.-мат. наук; А. Н. Степанов, И. Б. Теплев, д-р физ.-мат. наук; И. П. Тиндо, канд. физ.-мат. наук; Е. В. Троицкая

Механизмы генерации рентгеновского излучения

Тепловой

Основная статья: Тепловое излучение

Тепловой механизм связан со способность всех нагретых тел излучать электромагнитные волны за счет теплового движения частиц излучающего тела. Спектр теплового излучения описывается формулой Планка. В принципе все тела, имеющие ненулевую температуру, могут излучать на любых длинах волн. Однако в спектре теплового излучения есть максимум, его положение зависит от температуры тела и описывается законом смещения Вина. Так тела, нагретые до комнатных температур (300 К), излучают преимущественно в ИК-диапазоне, Солнце и звезды (6000 К) — в видимом диапазоне, а газ с температурой в несколько миллионов Кельвин — в рентгене. Такую температуру имеют огромные разреженные облака , находящиеся в межзвездном пространстве, а также газ во внутренних частях аккреционных дисков тесных двойных систем или активных ядер галактик.

Циклотронный

Основная статья: Циклотронное излучение

Циклотронное излучение — это один из видов нетеплового излучения. Оно генерируется электронами, вращающимися вокруг силовых линий магнитного поля. Частота излучения равна ларморовской частоте электрона и пропорциональна напряженности магнитного поля. В случае очень сильных магнитных полей ~ 1012-1014Гс циклотронное излучение попадает в рентгеновский диапазон. Такие магнитные поля реализуются в пульсарах.

Синхротронный

Основная статья: Синхротронное излучение

Также, как и циклотронный механизм, является нетепловым. Синхротронное излучение тоже генерируется электронами в магнитных полях, но в данном случае электроны имеют релятивистские скорости. Энергия генерируемых фотонов зависит от энергии электронов и энергии магнитного поля. Часто встречаются случай, когда магнитные поля слабые (~ 10−4 Гс), а энергии электронов очень большие >1013 эВ. Таков механизм излучения плерионов.

Комптоновский

Основная статья: Эффект Комптона

Комптоновское рассеяние — один из видов рассеяния фотонов на электронах, при котором электрон и фотон могут обмениваться энергией. Случай, когда быстрый электрон передаёт свою энергию фотону, называется обратным эффектом Комптона. В космическом пространстве всегда присутствуют фотоны
реликтового фона, а также излучение звезд и пыли. Эти кванты могут получить энергию от релятивистских электронов и переводится из видимого и ИК диапазона в рентгеновский.

Влияние космического излучения на технику

Электронные гаджеты и компьютеры могут выйти из строя из-за космического излучения, выяснили исследователи. Оно способно вызывать сбои в работе электронных устройств, что не может не беспокоить — ведь сложной техники вокруг становится все больше. В сбоях электронных устройств могут быть виноваты субатомные частицы родом из-за пределов нашей галактики, считают исследователи из Университета Вандербильта.

На атмосферу Земли воздействуют космические лучи, движущиеся со скоростью света, образуя различные частицы. Ежесекундно миллионы образовавшихся частиц бомбардируют тела людей. Это воздействие незаметно и не оказывает вреда для организма. Но часть этих частиц способна создавать помехи в интегральных схемах электронных устройств. В результате это взаимодействие может изменить данные, хранящиеся в памяти устройства.

При этом трудно определить, когда и где появятся такие частицы. Кроме того, никаких физических признаков повреждения не возникает. Также нельзя сразу сказать, виновато в сбое космическое излучение, аппаратный дефект или ошибка программного обеспечения.

Другой приведенный пример — проблема, возникшая на пассажирском самолете, летевшем из Сингапура в Перт. Из-за воздействия излучения у самолета отключился автопилот и он резко «подпрыгнул» на 210 метров. Почти треть пассажиров получила настолько серьезные травмы, что самолет пришлось экстренно посадить в ближайшем аэропорту.

В 2004 году компания Cypress Semiconductor, занимающаяся разработкой и производством полупроводников, приводила следующие данные по количеству вызываемых космическим излучением ошибок:

• мобильный телефон с 500 Кб памяти должен совершать одну потенциальную ошибку в 28 лет;
• сеть маршрутизаторов с памятью в 25 Гб допускает одну ошибку, приводящую к сбою в сети, каждые 17 часов;
• находясь в самолете на высоте 10,6–10,7 км, ноутбук с памятью в 500 Кб может совершать одну ошибку каждые пять часов.

Производители полупроводников очень обеспокоены этой проблемой, потому что она становится все серьезнее из-за того, что мощность электронных устройств растет, да и их количество значительно увеличивается

Механизмы генерации рентгеновского излучения

Тепловой

Основная статья: Тепловое излучение

Тепловой механизм связан со способность всех нагретых тел излучать электромагнитные волны за счёт теплового движения частиц излучающего тела. Спектр теплового излучения описывается формулой Планка. В принципе все тела, имеющие ненулевую температуру, могут излучать на любых длинах волн. Однако в спектре теплового излучения есть максимум, его положение зависит от температуры тела и описывается законом смещения Вина. Так тела, нагретые до комнатных температур (300 К), излучают преимущественно в ИК-диапазоне, Солнце и звезды (6000 К) — в видимом диапазоне, а газ с температурой в несколько миллионов Кельвин — в рентгене. Такую температуру имеют огромные разреженные облака , находящиеся в межзвёздном пространстве, а также газ во внутренних частях аккреционных дисков тесных двойных систем или активных ядер галактик.

Циклотронный

Основная статья: Циклотронное излучение

Циклотронное излучение — это один из видов нетеплового излучения. Оно генерируется электронами, вращающимися вокруг силовых линий магнитного поля. Частота излучения равна ларморовской частоте электрона и пропорциональна напряжённости магнитного поля. В случае очень сильных магнитных полей ~ 1012−1014Гс циклотронное излучение попадает в рентгеновский диапазон. Такие магнитные поля реализуются в пульсарах.

Синхротронный

Основная статья: Синхротронное излучение

Также, как и циклотронный механизм, является нетепловым. Синхротронное излучение тоже генерируется электронами в магнитных полях, но в данном случае электроны имеют релятивистские скорости. Энергия генерируемых фотонов зависит от энергии электронов и энергии магнитного поля. Часто встречаются случай, когда магнитные поля слабые (~ 10−4 Гс), а энергии электронов очень большие >1013 эВ. Таков механизм излучения плерионов.

Комптоновский

Основная статья: Эффект Комптона

Комптоновское рассеяние — один из видов рассеяния фотонов на электронах, при котором электрон и фотон могут обмениваться энергией. Случай, когда быстрый электрон передаёт свою энергию фотону, называется обратным эффектом Комптона. В космическом пространстве всегда присутствуют фотоны
реликтового фона, а также излучение звёзд и пыли. Эти кванты могут получить энергию от релятивистских электронов и переводится из видимого и ИК диапазона в рентгеновский.

Список литературы

Гершберг Р.Е. Солнечная активность в мире звезд. М.:
Знание, 1990. 64 с.

Kasinsky V.V.,
Sotnikova R.T. Solar and Stellar Flares. I.A.U. Colloq. No 104. Poster Papers. Stanford, USA, 1989. P. 255-258.

Sotnikova R.T. //
JOSO Annu. Rept. 1998. P. 158-159.

Hudson H.S. //
Solar Phys. 1991. V. 133. P. 357-369.

Кацова М.М., Лившиц М.А. Активность молодых звезд. М.:
Знание, 1986. 61 с.

Сотникова Р.Т., Москаленко А.В. // Труды VII симпоз.
по солнечно-земной физике России и стран СНГ. Троицк, 1999. С. 156-161.

Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://www.kosmofizika.ru