жёсткое рентгеновское излучение

В подвале лаборатории гудит магнит на 8 тесла. Внутри него, как колокол в колокольне, висит полый медный цилиндр, настроенный на одну-единственную ноту. Если где-то рядом пролетит аксион, частица тёмной материи, цилиндр отзовётся слабым звоном. Беда в том, что обычная медь глушит этот звон: при высоких частотах ток течёт лишь по тонкой коже металла, и потери растут.

Рентгеновский космический телескоп XMM-Newton в течение двух часов непрерывно наблюдал галактику Mrk 1044. В её центре находится чёрная дыра, вокруг которой обращается аккреционный диск из раскалённого газа. Этот газ испускает рентгеновское излучение, и его яркость нестабильна — она колеблется: то усиливается, то ослабевает.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

Чёрная дыра в тесной паре со звездой-компаньоном работает как гравитационный насос: перетягивает газ соседки, закручивает его в светящийся аккреционный диск и время от времени выбрасывает часть вещества прочь двумя узкими релятивистскими струями — джетами.

Космический «штангенциркуль» скоро обмеряет нейтронную звезду с точностью до сотни метров. Для объекта диаметром в пару десятков километров это всё равно что измерить толщину человеческого волоса с расстояния в километр. Нейтронная звезда — остаток взорвавшейся сверхновой. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы миллиарды тонн.

В 123 парсеках от Земли, в созвездии Южной Короны, плывёт нейтронная звезда RX J1856.5-3754. Её поперечник — около 12 километров, меньше кольцевой автодороги вокруг Москвы, но температура поверхности достигает 460 000 кельвинов. Звезда делает медленный, почти неслышный выдох.

Космический луч подлетает к чёрной дыре почти по касательной. Он не падает сразу, а задерживается на неустойчивой орбите — как акробат, балансирующий на канате над пропастью. Сделав несколько витков, свет всё же уходит к далёкому наблюдателю. Такие лучи рождают многократные изображения одного и того же источника — их называют изображениями высшего порядка.

Солнечные вспышки — мощные взрывы на Солнце, способные вывести из строя спутники и обесточить города. Их предсказание осложнено запутанностью магнитных полей в солнечных пятнах.

Мощный прожектор то вспыхивает, то гаснет. Свет отражается от облаков вокруг, и по задержке отражённого сигнала можно понять, как далеко облака. Примерно так астрономы изучают горячую корону — раскалённое облако плазмы над чёрной дырой в центре активной галактики. Но есть загвоздка.

В галактике NGC 3583 телескопы зарегистрировали необычный источник рентгеновского излучения: его яркость периодически резко возрастает и почти полностью затухает.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Когда свет проходит вблизи чёрной дыры, он попадает в мощную гравитационную ловушку: траектория фотонов искривляется так сильно, что частицы начинают метаться по почти замкнутым орбитам, словно шарики в пинбольном автомате.

Маяк то разгорается, то почти гаснет, хотя лампа внутри горит ровно. Именно такую картину увидели астрономы, направив телескопы на галактику I Zwicky 1. В её центре сидит сверхмассивная чёрная дыра, которая пожирает газ и пыль так жадно, что вокруг образуется раскалённый диск. Он светится ярче целой галактики.

Гигантский котёл почти всегда едва тлеет, но иногда вдруг выбрасывает снопы искр. Примерно так ведёт себя сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей Галактики — объект Стрелец A*. Она в четыре миллиона раз тяжелее Солнца и находится от нас на расстоянии 26 тысяч световых лет.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

Если обычную чёрную дыру уменьшить до размеров песчинки, она засияет, как маленькая звезда, и быстро исчезнет во вспышке. Это предсказание Стивена Хокинга: горизонт событий работает как горячая поверхность, испускающая частицы.

Рентгеновский луч — это поток крошечных порций энергии, фотонов. Обычные детекторы считают их, но не различают оттенки: два фотона с близкой энергией для них на одно лицо. Новый прибор работает как чувствительный термометр: он ловит каждый фотон и измеряет, насколько тот нагрел тонкую плёнку. По нагреву можно точно сказать, сколько энергии принёс фотон.

Чёрная дыра GRS 1915+105 обычно прячется за плотной газовой завесой — её рентгеновское излучение сильно поглощается по пути к нам. Но в апреле 2023 года она внезапно вспыхнула: поток рентгена вырос почти в десять раз.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

На окраине галактики M83, которую ещё называют Южной Вертушкой, висит в пустоте река из старых звёзд. Она растянулась на 81 килопарсек — это примерно 264 тысячи световых лет, в два с половиной раза больше диаметра нашего Млечного Пути.

Ночное небо кажется неподвижным, но иногда одна из звёзд вдруг начинает разгораться. Так случилось с системой AT 2019wey: её заметил телескоп TESS, который обычно ищет планеты у других звёзд, а тут случайно снимал нужный участок неба каждые полчаса. Благодаря этому астрономы впервые увидели, как чёрная дыра в двойной системе просыпается — буквально кадр за кадром.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

Тонкая, как паутинка, плёнка из пяти металлов приняла удар лазера. Внутри неё давление подскочило до 55 гигапаскалей — это как если бы на ноготь поставили сто слонов. Сплав выдержал и на долю наносекунды сжался, но не сломался. Один гигапаскаль — это тысяча мегапаскалей.

Космические лучи — это не свет, а заряженные частицы, которые со всех сторон бомбардируют Землю. Большинство из них — протоны (ядра водорода), но попадаются и ядра потяжелее: гелия, азота, железа.

Чёрная дыра GS 1354-64 в созвездии Мухи проснулась в 2025 году и начала жадно затягивать вещество со звезды-соседки. Рентгеновский телескоп IXPE на орбите поймал её в редкий момент: вспышка уже отгремела, но система ещё не успокоилась. Как человек, застывший на пороге, она топталась между двумя состояниями — спокойным и бурным.

Когда на поверхности нейтронной звезды — сверхплотного остатка погибшей звезды — накапливается вещество, происходит взрыв, похожий на гигантскую термоядерную бомбу. В этом аду за секунды рождаются ядра элементов, которых нет на Земле. Чтобы понять, какие именно, нужно знать их массы с огромной точностью.

Солнечная вспышка похожа на короткое замыкание в гигантской неоновой вывеске. Внутри Солнца магнитные поля скручиваются в петли, будто резиновые жгуты, и когда они перезамыкаются, в космос выплёскивается энергия. Часть её уходит в жёсткое рентгеновское излучение — его рождают частицы, разогнанные почти до скорости света.

В тёмной комнате детектора аргон ждёт. Когда сквозь него пролетает невидимая частица — например, кандидат в тёмную материю, — она слегка толкает ядро аргона. Ядро срывается с места, а вокруг него рождаются заряды. Сколько именно зарядов — вопрос не праздный: по их числу физики судят, что за гость приходил.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца — простирается на миллионы километров, но увидеть её можно лишь во время полного затмения или с помощью специальных приборов. Обычно о плотности короны судят по тому, как она рассеивает белый свет, но этот способ опирается на упрощения, которые могут искажать результат.

Солнечная вспышка — как гром среди ясного неба: короткий, но мощный выброс энергии. Радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке поймал одну такую вспышку класса M1.3 и рассмотрел ее с беспрецедентной четкостью. Обычные приборы видят либо яркие детали, либо слабые, но не оба сразу. MeerKAT справился с обоими, как ухо, которое слышит и удар барабана, и шелест листвы одновременно.

Первого октября 2024 года на Солнце произошла вспышка класса X7.1 — одна из самых мощных. Два космических аппарата, HXI и STIX, смотрели на неё с разных сторон, как два глаза, и вместе с компьютерной моделью помогли восстановить трёхмерную картину.

Фонарь светит сквозь туман, и его свет слегка меняет цвет. По этому изменению можно понять, из чего туман состоит. Так астрономы изучают холодный газ вокруг рентгеновских источников: атомы железа в этом газе поглощают и переизлучают рентгеновские лучи на строго определённой энергии — как отпечаток пальца. Но у отпечатка есть нюанс: если у атома сорвать несколько электронов, линия сдвинется.

Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки сверхновых, сжатые до размеров города. В 1930-х годах Фриц Цвикки теоретически предсказал их существование, а позже Джоселин Белл Бернелл экспериментально открыла пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие…

В двойной системе Cyg X-2 нейтронная звезда перетягивает вещество с обычной звезды-компаньона. Падающий газ закручивается, разогревается до миллионов градусов и ярко светит в рентгене. Астрономы направили на этот объект два космических телескопа — IXPE и NuSTAR — и впервые детально измерили, как поляризован этот свет.

В тёмной комнате два фонарика светят на одну стену. Обычно их лучи просто складываются, и пятно становится ярче. Но если фонарики испускают свет особыми порциями — фотонами, — то при определённых условиях они могут вести себя иначе. Вместо того чтобы независимо попадать в разные места, два фотона «договариваются» и выходят только вместе, как пара, из одного выхода.

Рентгеновский телескоп смотрит на соседнюю галактику — и видит точку, которой вчера не было. Через месяц она разгорается в сотни раз ярче Солнца, а через год снова гаснет. Такие точки называют ультраяркими рентгеновскими источниками, и каждая — это тесная пара: обычная звезда и чёрная дыра или нейтронная звезда, которые кружатся друг вокруг друга.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Каждую секунду сквозь каждого из нас пролетают десятки частиц из космоса. Большинство — лёгкие протоны, но попадаются и ядра атомов потяжелее: углерод, кислород, железо. Они рождаются во взрывах звёзд и летят к Земле миллионы лет. Их энергия бывает чудовищной: одна частица может нести столько же, сколько теннисный мяч на подаче.