Гамма-излучение, пожалуй, самое загадочное и неуловимое во всем электромагнитном спектре. Его "крестными родителями" были Пьер и Мария Кюри, открывшие его при исследовании радиоактивности ядер. Подвергнув действию магнитного поля испускаемое ядрами загадочное излучение, они нашли, что две его компоненты, названные альфа (α) и бета (β), отклоняются в противоположные стороны и, значит, представляют собой потоки положительно и отрицательно заряженных частиц, тогда как на третью компоненту, нареченную гамма (γ), магнитное поле совершенно не влияет.
Что же из себя представляет это излучение? Ответ на этот вопрос, как это не покажется странным, довольно-таки прост. Гамма-излучение - это обыкновенные фотоны, но только очень высоких энергий. Более поздние исследования выявили большое число самых различных процессов генерации у-излучения. Оно образуется при взаимодействии электронов высоких энергий с атомными ядрами. Этот процесс получил название тормозного, так как электроны тормозятся в сильных внутриатомных электрических полях и излучают γ-кванты. Другой вид излучения у-квантов электронами - синхротронное - возникает, когда электроны проходят сквозь сильное магнитное поле. Испускаются γ-кванты и во многих ядерных реакциях.
Все перечисленные процессы генерации γ-квантов, несмотря на разнообразие их свойств и проявлений, можно объединить "под одним флагом" - они все связаны с частицами высокой энергии и являются "отпечатками" тех процессов, что происходят с этими частицами. Сняв эти отпечатки, физики, подобно криминалистам, могут не только воссоздать картину жизни у-квантов, но и исследовав их характеристики, раскрыть мотивы "преступления", то есть установить, какие условия и процессы, приводят к рождению γ-излучения.
Вот тут мы и подошли к главному пункту в нашем рассказе - к солнечным вспышкам. Наверное, нет в современной астрономии другого столь запутанного явления, которое будучи известно и исследуемо на протяжении всего XX-го столетия, так неохотно раскрывало бы свои тайны. Самая первая солнечная вспышка была зарегистрирована еще в середине прошлого века и была очень мощной, так как ее заметили и наблюдали в белом свете. Большинство же вспышек, изучение которых "набрало обороты" только в наше время (главным образом, благодаря введению патрульной службы вспышек, когда за Солнцем следят, последовательно сменяя друг друга, телескопы всех континентов) регистрируется только по возрастанию излучения в линиях водорода, чаще всего в линии На.
Как показали еще самые первые наблюдения, солнечная вспышка - это резкое, в течение нескольких минут, возрастание излучения в активной области Солнца, то есть там, где соседствуют пятна разной полярности, происходят быстрые изменения конфигурации магнитных полей и столкновения силовых линий разной направленности. В процессе солнечной вспышки выделяется гигантская энергия, эквивалентная одновременному взрыву тысяч водородных бомб.
В настоящее время считается общепринятым, хотя так строго и не доказанным, мнение, что вспышка происходит в результате взаимного уничтожения (аннигиляции) магнитных полей разной направленности. Подобное предположение позволяет в общих чертах описать явление вспышки, но до сих пор не увязаны многие наблюдаемые детали и остаются "белые пятна" даже в теоретическом понимании этого явления.
Например, так до конца неясно, как и почему магнитная энергия с такой высокой эффективностью, доходящей до 10% (а это, поверьте, очень много), трансформируется в энергию пучков ускоренных частиц. Неизвестны также сами механизмы ускорения частиц солнечной плазмы, хотя и предложен ряд возможных вариантов. Твердо установленным фактом, на который можно опираться в дальнейших исследованиях, является то, что пучки частиц высокой энергии играют в картине вспышки главную роль и, следовательно, все их проявления - отпечатки, а в данном случае это и у-кванты - заслуживают самого пристального внимания.
Из всего сказанного можно сделать такой важный для нас вывод: тайна солнечных вспышек не раскрыта потому, что нами исследовалась лишь далекая "периферия" этого явления, - оптическое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, возникающие в результате перехода энергии пучков частиц в нагрев среды, с которой эти пучки частиц взаимодействуют. А суть процесса вспышки - в возникновении и свойствах этих ускоренных пучков. Да еще интересно знать какие это частицы: электроны, протоны или ядра, и в каком соотношении они образуют эти пучки?
И так, ясно: для полного понимания картины вспышки необходимо посмотреть на Солнце в гамма-телескоп. И такие наблюдения были проведены. Наиболее полная информация к настоящему моменту времени была получена с двух специализированных орбитальных станций: советско-французской обсерватории ГАММА, отработавшей на околоземной орбите 2 года (1990-1992) и американской обсерватории GRO-Compton, выведенной на орбиту в 1991 году и продолжающей работать вплоть до настоящего времени.
Стратегия поиска гамма-излучения солнечной вспышки была в обеих случаях одинаковой. Поскольку момент вспышки и ее место точно не прогнозируются, а активная фаза достаточно быстротечна, телескопам приходилось работать в ждущем режиме, когда он в течение долгого времени был ориентирован на Солнце. Продолжительность сеанса наблюдения определялась временем прохождения по солнечному диску активной группы пятен - потенциальной области места вспышки и составляла обычно 7-10 дней. Когда активная область уходила за лимб, телескопы переориентировались на другие цели.
Произойдет вспышка или сеанс окажется холостым - это как лотерея, выигрыши в которой довольно редки. Только трижды телескоп обсерватории ГАММА засек γ-всплески. Приборам же станции GRO-Compton удача улыбалась чаще ввиду более длительной продолжительности работы обсерватории. Мощные вспышки, произошедшие в 1991 году - году максимума солнечной активности - поделились между экспериментами ГАММА и GRO приблизительно поровну. И все же, несмотря на малочисленность зафиксированных вспышек, игра стоила свеч, так как принесла новые результаты! Перечислим их.
Временной профиль гамма-вспышки
1. Длительность вспышки γ-излучения.
Обычно длительность у-вспышки составляет несколько минут. Однако большой неожиданностью для нас, ученых, оказались вспышки 11 и 15 июня 1991 года, отличавшиеся рекордной длительностью: около 8 часов - первая вспышка и более 2 часов - вторая. Обе вспышки возникли в одной и той же активной области Солнца.
Столь длительное излучение наиболее естественно объяснить захватом пучка ускоренных частиц магнитной ловушкой в хромосфере Солнца. Там пучок сохранялся в течение нескольких часов, постепенно теряя свою энергию во взаимодействии с газом. В пользу этого объяснения говорят экспериментальные факты, например, форма кривой спада активности у-пучка. Однако не исключается и возможность повторных актов ускорения, происходящих, как считают некоторые ученые, на фазе восстановления магнитного поля.
2. Временная структура γ-вспышки.
Временной профиль вспышки очень сложен. Его анализ показал, что она состоит из группы коротких импульсов, каждый из которых имеет длительность от 0.05 до 0.5 секунд. Сами группы следуют с интервалом в несколько минут. Если же отождествлять эти пики с отдельными актами ускорения частиц, то, как показывают расчеты, время ускорения не превышает 0.5 секунд. Этот факт должен существенно помочь нам с выбором механизма ускорения.
3. Энергетические спектры γ-излучения.
Анализ спектров вспышек γ-излучения показал, что в них наблюдаются две компоненты. Одна в интервале относительно низких энергий. Эту компоненту можно отождествить с тормозным излучением электронов. Вторая, охватывает весь энергетический интервал, соответствующий гамма-излучению. Такая форма спектра характерна для у-квантов, возникающих при распаде нейтральных пионов - частиц, которые в свою очередь могут образовываться при взаимодействии ускоренных протонов с веществом хромосферы Солнца. Таким образом, выделение двух указанных компонент у-излучения позволяет проследить поведение электронных и протонных пучков на разных фазах вспышки. А из того факта, что эти обе компоненты присутствуют в одних и тех же импульсах следует, что электроны и протоны ускоряются в солнечных вспышках одновременно.
В заключение следует отметить, что команду "криминалистов" эксперимента ГАММА, исследовавших гамма-следы солнечных вспышек, составляли физики Московского инженерно-физического института (А. М. Гальпер, Ю. В. Озеров, В. М. Земсков и др.) и Института Космических Исследований РАН (В. В. Акимов, Н. Г. Лейков, В. Е. Нестеров и др.). На основе полученных результатов по у-излучению солнечных вспышек возникло новое направление их исследования, заключающееся в восстановлении спектров и временных профилей ускоренных частиц. Таким образом, можно сказать, что гамма-следы солнечных вспышек наконец-то "заговорили" и можно надеяться, что тайна вспышек будет вскоре раскрыта.
