Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров. - Павел Амнуэль

Т. Голд объединил наконец разрозненные идеи о свойствах нейтронных звезд и сказал: пульсар есть нейтронная звезда, обладающая сильным магнитным полем и быстро вращающаяся вокруг оси. Магнитная ось пульсара не совпадает с осью вращения. Такое предположение было естественным — ведь и у Земли географический и магнитный полюса не лежат в одной точке, и из-за этого обычный магнитный компас вовсе не показывает точно на север!

Но для чего нужно было Т. Голду вводить такое допущение? Дело в том, что, по идее Т. Голда, радиоизлучение возникает из-за того, что быстрые электроны, вырываясь из недр нейтронной звезды в области ее магнитных полюсов, попадают в мощнейшее магнитное поле. Силовые линии этого поля стремятся «загнуть» траектории движения частиц, возникает ускорение и, следовательно, — излучение. Поскольку электроны движутся с почти световыми скоростями, они не могут излучать во все стороны. Электрон излучает преимущественно в направлении своего движения, и чем больше его скорость, тем в более узком конусе идет излучение. Если излучают электроны, вырывающиеся из области магнитных полюсов нейтронной звезды, то возникают два узких луча, два прожектора, расположенных на магнитных полюсах и освещающих космическое пространство.

Если магнитная ось и ось вращения звезды совпадают, то эффекта пульсара не возникнет. Ведь лучи прожекторов в этом случае неподвижны. Если нейтронная звезда «смотрит» на Землю своим полюсом, то всегда будет виден направленный на нас луч прожектора. Если «не смотрит», то этот луч мы никогда не увидим. А если магнитная ось не совпадает с осью вращения, то и конус излучения будет вращаться вместе со звездой — он станет «чиркать» по Земле, подобно маяку, который виден лишь в моменты, когда луч вращающегося прожектора попадает в глаза. Именно с небесным маяком лучше всего сравнить излучение пульсара — вращающейся нейтронной звезды. Такое излучение астрофизики быстро окрестили «карандашным» — два луча света действительно напоминают два вращающихся карандаша.

Излучение может быть и «ножевым» — тогда излучают электроны, движущиеся в плоскости магнитного экватора нейтронной звезды. В этом случае луч подобен не карандашу, а ножу, который мы видим, если он повернут к нам своим узким лезвием. И в том и в другом случае наблюдатель фиксирует сигнал лишь в течение очень непродолжительного времени по сравнению с периодом вращения звезды. Вспышки продолжаются почти мгновение и повторяются через промежутки времени, равные периоду вращения нейтронной звезды. Именно то, что и наблюдал Э. Хьюиш.

Так-то оно так, и идея эта была быстро оценена по достоинству всеми астрофизиками, но… откуда все же берется энергия, излучаемая пульсаром? Откуда черпают свою энергию вырывающиеся из нейтронной звезды быстрые электроны? Из энергии вращения звезды, утверждал Т. Голд, повторив вывод, сделанный Н. С. Кардашевым тремя годами раньше. По идее Н. С. Кардашева, энергию вращения отнимала у нейтронной звезды газовая туманность — остаток сверхновой. И шла эта энергия на увеличение магнитного поля туманности и на ускорение ее расширения. А по Т. Голду, эта энергия тратилась на ускорение быстрых частиц. Но как? Ведь тогда должен существовать некий процесс, отнимающий у звезды ее энергию вращений и ускоряющий до огромных скоростей элементарные частицы да еще и выбрасывающий потом эти частицы из звезды. Процесс, который невозможен в мертвой звезде.

Оживление мертвеца — вот к чему привело открытие пульсаров. Мы говорили об «убийстве» звезды, искали ее мертвое тело, а оказывается — звезда жива! Она лишь переменила обличье…

А сейчас давайте вернемся к Крабовидной туманности. Южная звезда — что это все-таки за объект? Если это нейтронная звезда, как думал Ф. Цвикки, то и она должна быть пульсаром!

Обидно за Крабовидную туманность, которая раскрыла нам столько загадок: было бы справедливо, если бы и первый пульсар обнаружили именно в Крабовидной туманности. И ведь так бы оно и было — наблюдатели много раз подходили к самому порогу открытия! Э. Хьюиш мог бы сообщить об открытии пульсара еще в 1965 году, но… помешала вездесущая психологическая инерция. Вот что Э. Хьюиш писал впоследствии:

«Первый действительно необычный источник был открыт с помощью этого метода (метода исследования мерцаний, — П. А.) в 1965 г., когда я вместе со своим студентом Окойе исследовал радиоизлучение Крабовидной туманности. Мы обнаружили интенсивную мерцающую компоненту этого радиоизлучения, локализованную внутри туманности и слишком малую по размерам, чтобы компоненту можно было объяснить обыкновенным механизмом синхротронного излучения, и мы предположили, что она может быть вызвана остатком звезды, уже взорвавшейся, но еще проявляющей активность в виде радиоизлучения типа всплесков. Как оказалось позже, этот источник был не чем иным, как знаменитым пульсаром в Крабовидной туманности».

Недостаток воображения — вот причина того, что пульсар в Крабовидной туманности не был открыт еще в сороковых годах. Об этом недвусмысленно сказал американский астрофизик Ф. Дайсон на Ферми-лекциях в 1970 году:

«Уже 35 лет назад было бы нетрудно установить, что звезда Бааде — Минковского обладает импульсным излучением, если бы у кого-нибудь хватило воображения использовать для наблюдений фотоумножитель, позволяющий получить хорошее разрешение во времени. Это может служить поучительным примером того, как часто люди не совершают великих открытий, потому что слишком доверяют ошибочным теоретическим аргументам. Излучение звезды не может пульсировать с частотой порядка миллисекунды, потому что она не может быть нейтронной звездой, потому что она слишком яркая! Разумеется, скрытый порок этого рассуждения состоит в том, что излучение не обязано (и не может) быть тепловым.

Лет десять назад я сам проявил подобную непростительную близорукость. Я тогда занимался пульсациями белых карликов, которые, как ожидалось, должны были иметь периоды порядка 10—30 с, и предложил Стрёмгрену попытаться обнаружить короткопериодическую переменность их излучения. У него как раз была подходящая система фотоумножителей, и он провел наблюдения двух белых карликов. Он не обнаружил никаких изменений блеска, а у меня не хватило воображения попросить его повторить наблюдения для звезды Бааде — Минковского! Если бы он сделал это и тщательно обработал результаты, он открыл бы пульсар в 1961 году, тем самым изменив ход развития науки».

Поучительное свидетельство. Однако перейдем к фактам. Через год после открытия Э. Хьюиша австралийские радиоастрономы Д. Стейлин и Е. Рейфенстейн наблюдали Крабовидную туманность и обнаружили в ней пульсирующий радиоисточник, координаты которого точно совпали с положением южной звезды. К тому времени было известно уже около двух десятков пульсаров, и открытие еще одного не могло произвести сенсации. Но сенсация произошла. Во-первых, пульсар был обнаружен в остатке сверхновой — еще один, пусть косвенный, аргумент в пользу того, что пульсары являются именно нейтронными звездами. И во-вторых, у пульсара в Крабовидной туманности оказался рекордно малый период следования импульсов — всего 33 миллисекунды. Пульсар в Крабовидной туманности посылает на Землю всплеск излучения 30 раз в секунду!

Тогда-то и отпали наконец последние сомнения в том, что обнаружены нейтронные звезды. В течение 1968 года — до открытия пульсара в Крабовидной туманности — появлялись теоретические работы, авторы которых пытались объяснить излучение пульсаров колебаниями белых карликов. Это трудно, но все же возможно, если привлечь высокие гармоники колебаний, высокие «обертоны» основной частоты. Но никакие обертоны не дадут возможности наблюдать при колебаниях белых карликов всплески излучения с периодом 33 миллисекунды. Это невозможно мало! И зимой 1968 года всем стало очевидно, что нейтронные звезды наконец-то обнаружены. Более того, блестяще подтвердилась идея Ф. Цвикки о том, что нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых, в процессе катастрофического коллапса.

Для астрономов-наблюдателей наступила пора прозрения. Минута, когда пришлось убедиться, насколько это страшная штука — психологическая инерция.

Казалось бы, если явление реально существует, если приборы его фиксируют, то наблюдатели должны это явление наблюдать. Должны? Не всегда. Методика измерений сейчас столь сложна, что сами по себе показания приборов еще ни о чем не говорят, их приходится подвергать долгой и сложной обработке. Одно и то же показание прибора можно обработать по-разному и нередко получить разные результаты. А поскольку каждый наблюдатель еще до начала работы прикидывает, что он вероятнее всего получит, то… и ищет, есть это ожидаемое явление или нет. А побочные сведения часто остаются неучтенными.

Рентгеновское излучение Крабовидной туманности наблюдалось много раз. С 1963 года, когда оно было впервые обнаружено, состоялись десятки запусков ракет. Результаты проверялись и перепроверялись. Зимой 1968 года в Крабовидной туманности был обнаружен пульсар. Возник вопрос: если пульсар так сильно меняет радиоблеск, то почему постоянно рентгеновское излучение?