Рентгеновская астрономия

Тепловой механизм связан со способностью 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 коронального газа, находящиеся в межзвёздном пространстве, а также газ во внутренних частях аккреционных дисков тесных двойных систем или активных ядер галактик.

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[1]. Такие магнитные поля реализуются в пульсарах.

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.

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.

Солнце является самым ярким источником рентгеновского излучения для земного наблюдателя. Общий его поток от Солнца на границе земной атмосферы равен 0,1 эрг/(см²с)[2]. Однако Солнце излучает в рентгене всего одну миллионную долю всей своей энергии.

Рентгеновское излучение Солнца представлено двумя компонентами. Одна из них — это излучение солнечной короны. Солнечная корона представляет собой горячий разреженный газ солнечного ветра, истекающий с поверхности Солнца. Корона излучает непрерывный тепловой спектр, а также линии высокоионизированного железа[2]. Второй компонент — это излучение активных областей. На фотографиях Солнца в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах они выглядят как яркие пятна. В активных областях магнитное поле многократно усилено, а также периодически происходят магнитные пересоединения. Магнитные пересоединения приводят к выбросу колоссального количества энергии, которая расходуется на ускорение заряженных частиц до релятивистских скоростей. Во время вспышек рентгеновское излучение Солнца усиливается[3].

Другие «нормальные» звезды также являются источниками рентгеновского излучения. Механизмы его возникновения аналогичны солнечным.