Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых - Айзек Азимов

Во время второй мировой войны радар оказался неоценимым средством, и ко дню окончания войны была наработана солидная техника посылки и приема микроволн. Это означало, что после войны астрономы могли детально изучать и анализировать микроволновое излучение отдаленных звездных скоплений. Все лучше и лучше строились радиотелескопы, и все больше делалось поразительных, большей частью неожиданных, открытий. Произошла настоящая астрономическая революция, которую по своему значению можно сравнить лишь с той, что пришла с изобретением телескопа три с половиной века назад.

ПУЛЬСАРЫ

В 1964 г. астрономы стали замечать, что радиоисточники не обязательно бывают постоянными, во всяком случае, не более постоянными, чем источники света. Световые волны в зависимости от температуры в разной степени преломляются атмосферой. Так как атмосфера включает области с разными температурами, а температуры эти меняются во времени, то слабый свет, излучаемый звездами, искривляется в ту или другую сторону, направление света все время чуть-чуть меняется и кажется, что звезда «мерцает». Радиоволны точно так же произвольно отклоняются заряженными частицами атмосферы, и кажется, что они тоже «мерцают».

Чтобы исследовать это быстрое мигание, или мерцание, необходимо было иметь специально сконструированные телескопы; один из них изобрел английский астроном Энтони Хьюиш (р. 1924). Телескоп состоял из 2048 отдельных приемных устройств, раскинувшихся на площади 18 000 м2.

В июле 1967 г. радиотелескоп Хьюиша начал «прочесывать» небо с целью обнаружения и изучения мерцающих радиоисточников. За пультом была его студентка, английский радиоастроном Сьюзен Джоселина Белл (р. 1943).

В августе Сьюзен заметила что-то необычное. Отмечалось отчетливое мерцание одного источника между Вегой и Альтаиром, которое наблюдалось в полночь, когда обычно мерцания почти не было. Более того, мерцание это, казалось, приближалось и удалялось. Она обратила на это внимание Хьюиша, и к ноябрю стало ясно, что над этим стоило призадуматься.

Радиотелескоп был приспособлен для производства ускоренной записи, и оказалось, что на мерцание накладывались периодические вспышки радиации, которые были очень короткими, продолжаясь не более 1/20 доли секунды. Вот, оказывается, почему мерцание приближалось и удалялось. Пока источник не прослушивался очень тщательно, вплотную, инструмент, «ощупывающий» его, пропускал тот момент, когда приходила вспышка радиации, но обычно попадал в интервалах между вспышками.

Вспышки радиации продолжались, и было обнаружено, что они являлись через короткие и очень регулярные интервалы. Интервалы между вспышками равнялись 1 1/3 секунды, или, уточняя до восьмого десятичного знака, вспышки приходили с интервалом 1,33730109 с.

В небе до сих пор не наблюдалось ничего, что происходило бы так регулярно и с такими краткими интервалами. Чем бы ни было вызвано это явление, оно было беспрецедентным! По-видимому, это было что-то циклическое. Это, видимо, был астрономический объект, который обращался вокруг другого, или вращался вокруг своей оси, или пульсировал и по какой-то причине порождал вспышку микроволн при каждом обращении, или обороте, или пульсации.

Пульсация показалась сначала лучшим объяснением, и Хьюиш назвал это «пульсирующей звездой» (Pulsating Sourses of Radioemission); это название очень скоро сократилось и превратилось в «пульсар».

Теперь, когда Хьюиш знал, как пульсары излучают свои микроволны, эти объекты стало легко обнаруживать. Каждый импульс производил достаточно сильную вспышку микроволн. Трудность, однако, заключалась в том, что обычные радиотелескопы не могли уловить величину отдельной вспышки, а только среднюю величину излучения за какой-то период времени. Если вспышки усреднялись с состоянием покоя межвспышечных периодов, то уровень микроволновой интенсивности составлял лишь одну двадцать седьмую часть пика вспышки, а эта средняя величина недостаточно высока, чтобы быть особенно заметной.

Радиотелескоп Хьюиша мог регистрировать вспышки, и он начал «прочесывать» небо в поисках других излучений того же рода. К февралю 1968 г. было открыто еще три пульсара, и Хьюиш счел себе вправе сообщить о своем открытии.

Многие тут же включились в поиски, и скоро было обнаружено еще пять пульсаров. К началу 80-х годов уже было отождествлено около четырехсот пульсаров.

Один из пульсаров был открыт в октябре 1968 г. там, где всегда можно было наткнуться на что-то неожиданное, — в Крабовидной туманности. Оказалось, что он имеет гораздо более частую пульсацию, чем первый найденный. Его период всего 0,033099 с, другими словами, микроволновые вспышки возникают 30 раз в секунду. Другой пульсар позднее был обнаружен в центре туманности Гама.

Путаницы здесь уже не было. Если бы речь шла о постоянном излучении, будь то рентгеновские лучи или радиоволны, то было бы очень непросто отличить излучение, идущее от центральной звезды, от той ее части, которая исходит от туманности. Но очень быстрая и регулярная пульсация могла быть запеленгована точно, поскольку поступала она из одной точки, а не из целого пространства. И эта одна точка в Крабовидной туманности совпадала с центральной звездой, как совпадала она с центральной звездой и в туманности Гама.

Возникла мысль, что точно так же, как центральная звезда планетарной туманности — белый карлик, центральная звезда остатка сверхновой — пульсар. Иначе говоря, звезда, которая, взрываясь, становится сверхновой, коллапсирует в пульсар.

Но что такое пульсар?

Краткий период микроволновых импульсов показывает, что пульсар может пульсировать, вращаться или обращаться в течение каких-то секунд, иногда даже маленькой доли секунды. Ни одно тело не способно выдержать столь быстрые циклические изменения любого рода, если только оно не очень мало и не имеет очень сильного гравитационного поля, чтобы удержать его от разрушения в результате инерционных нагрузок от такого быстрого вращения.

Единственный известный объект, и малый по размеру, и с очень сильным собственным гравитационным полем, — это белый карлик, но даже и он недостаточно мал, а его гравитация недостаточно сильна для этого. Не оставалось ничего другого, как предположить, что пульсаром была нейтронная звезда. По крайней мере, у нее и размеры незначительные, и достаточно сильное гравитационное поле, непохоже, чтобы нейтронная звезда с ее неимоверно мощным гравитационным полем могла пульсировать. Не могла она в доли секунды и обращаться вокруг любого другого объекта (даже другой нейтронной звезды). Все же, за исключением всего прочего, оставалось одно, и это одно было: вращающаяся нейтронная звезда. Теоретически нейтронная звезда могла вращаться не только 30 раз в секунду, как это делает пульсар Крабовидной туманности, но даже тысячу и более раз в секунду. В ноябре 1982 г. был обнаружен пульсар, который посылал вспышки микроволн 640 раз в секунду, поэтому, судя по всему, он являлся нейтронной звездой, совершающей оборот вокруг своей оси немногим более чем за 1/1000 часть секунды. Его назвали «миллисекундным пульсаром».

Но почему вращающаяся нейтронная звезда должна обязательно посылать микроволновые вспышки?

Некоторые астрономы, в том числе Томас Голд (р. 1920), австриец по происхождению, занялись изучением этой проблемы. Они считали, что такая чрезвычайно уплотненная звезда должна иметь очень мощное магнитное поле и магнитные силовые линии должны как бы закручиваться спирально вокруг быстро крутящейся нейтронной звезды.

Учитывая чрезвычайно высокую температуру нейтронной звезды, она, по-видимому, должна испускать быстрые электроны, единственные объекты, движущиеся достаточно быстро, чтобы оторваться от звездной поверхности вопреки сильной гравитации. Поскольку электроны имеют электрический заряд, они будут улавливаться магнитными силовыми линиями, и единственное место, откуда они могут вырваться на волю, — это магнитные полюса нейтронной звезды. Эти магнитные полюса должны находиться на противоположных сторонах звезды, но не обязательно на полюсах вращения. (Магнитные полюса Земли, например, довольно далеки от ее полюсов вращения).

Когда электроны удаляются от нейтронной звезды, следуя круто изогнутой траектории, обусловленной магнитными силовыми линиями, они теряют энергию в виде россыпи радиации, в частности россыпи микроволн. При вращении нейтронной звезды один или же оба магнитных полюса пересекают луч «земного зрения», и мы получаем всплеск микроволн всякий раз, как это случается. Так пульсирует нейтронная звезда. Чем быстрее вращение, тем чаще пульсирование.

Так как возникающая радиация по мере потери ускользающими электронами своей энергии должна присутствовать на всей длине электромагнитного спектра, мы должны получать от вращающейся нейтронной звезды импульсы света, а также импульсы микроволн.