Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

В апреле 1963 года группа Герберта Фридмана из Военно-морской научно-исследовательской лаборатории в Вашингтоне существенно уточнила местоположение источника. Ученые определили, что он находится в созвездии Скорпион, поэтому его назвали Sco X-1 (от названия Scorpio): х означает рентгеновские лучи, а цифра 1 указывает на то, что это первый источник рентгеновского излучения, обнаруженный в созвездии Скорпион. Кстати, любопытный, хоть и крайне редко упоминающийся факт: Sco X-1 расположен почти в 25 градусах от центра окна ошибки, которое Джаккони и другие ученые указали в отчете, ознаменовавшем рождение рентгеновской астрономии. Когда астрономы обнаружили новые источники в созвездии Лебедь (Cygnus), те получили имена Cygnus X-1 (сокращенно Cyg X-1), Cygnus X-2 (Cyg X-2) и т. д.; первый источник, выявленный в созвездии Геркулес (Hercules), назвали Her X-1; в созвездии Центавр (Centaurus) – Cen X-1. За следующие три года с помощью ракет было найдено с десяток новых источников, но за одним важным исключением, а именно Tau Х-1, расположенным в созвездии Телец (Taurus), никто не имел ни малейшего представления, что они собой представляют или как испускают рентгеновское излучение в таких огромных количествах, что мы смогли обнаружить его на расстоянии в тысячи световых лет.

Исключением же был один из самых необычных объектов в небе – Крабовидная туманность. Если вам кажется, что вы ничего о ней не слышали, не поленитесь найти ее в интернете и посмотрите, как она выглядит – подозреваю, что вы ее сразу узнаете. В Интернете полно ее впечатляющих фотографий. Это действительно замечательный объект, находящийся на расстоянии около 6 000 световых лет от Земли, – потрясающие остатки вспышки сверхновой в 1054 году, записи о которой нам оставили древнекитайские астрономы (кстати, вполне возможно, упоминание о ней содержится и в пиктограммах коренных американцев). В результате этой вспышки на небе в созвездии Телец вдруг практически ниоткуда появилась сверхъяркая звезда. (Есть разные мнения насчет точной даты этого события, но многие астрономы утверждают, что это случилось 4 июля.) В том месяце это был самый яркий после Луны объект в небе, и на протяжении нескольких недель он был виден даже днем и еще два года оставался видимым по ночам.

После того как он поблек, ученые, судя по всему, забыли о его существовании вплоть до XVIII века, когда его независимо друг от друга обнаружили сразу два астронома, Джон Бивис и Шарль Мессье. К этому времени остатки вспышки сверхновой (астрономы называют их остатками сверхновой) превратились в небулярный (облакоподобный) объект. Позже Мессье составил важный астрономический каталог небесных тел, таких как кометы, туманности и звездные скопления, и Крабовидная туманность стала его первым пунктом, M-1. А в 1939 году Николас Мэйолл из Ликской обсерватории (в Северной Калифорнии) определил, что М-1 является остатком вспышки сверхновой в 1054 году. Сегодня, через тысячу лет после взрыва, в Крабовидной туманности продолжают происходить настолько потрясающие вещи, что некоторые астрономы посвящают ее изучению всю свою карьеру.

Группа Херба Фридмана определила, что 7 июля 1964 года Луна будет проходить прямо перед Крабовидной туманностью и перекроет ее в поле зрения. Астрономы используют для обозначения такого блокирования термин «покрытие» – Луна попросту заслоняет Крабовидную туманность. Фридман не только хотел подтвердить, что Крабовидная туманность действительно источник рентгеновского излучения, но и надеялся продемонстрировать кое-что еще – нечто куда более важное.

Дело в том, что к 1964 году среди астрономов возродился интерес к объектам звездной природы, существование которых было впервые постулировано в 1930-х, но пока никем не подтверждено, – к нейтронным звездам. Высказывалось предположение, что эти странные объекты, которые мы обсудим подробнее в главе 12, представляют собой один из заключительных этапов жизни звезды; возможно, они рождаются во время взрыва сверхновой и состоят в основном из нейтронов. Если они на самом деле существуют, то их плотность настолько велика, что нейтронная звезда с массой нашего Солнца будет иметь радиус всего около 10 километров – можете себе представить? В 1934 году (через два года после открытия нейтронов) Вальтер Бааде и Фриц Цвикки придумали термин «сверхновая» и предположили, что нейтронные звезды могут формироваться в результате вспышки сверхновой. Так вот, Фридман считал, что источником рентгеновского излучения в Крабовидной туманности может быть только такая нейтронная звезда. И если астроном был прав, то наблюдаемое им рентгеновское излучение должно было внезапно исчезнуть, когда перед ним будет проходить Луна.

Ученый решил запустить серию ракет, одну за другой, как раз в тот момент, когда Луна будет проходить перед Крабовидной туманностью. Поскольку точное положение Луны по мере ее передвижения по небу было уже известно, астрономы могли направить датчики точно в нужном направлении и наблюдать за ослаблением рентгеновского излучения по мере исчезновения Крабовидной туманности. Их детекторы действительно зарегистрировали ослабление, и это наблюдение стало первым убедительным оптическим опознаванием источника рентгеновского излучения (то есть его отождествлением с оптически наблюдаемым объектом). Это было чрезвычайно важное достижение, так как первая оптическая идентификация вселила в астрономов оптимизм, и они начали верить, что скоро найдут механизм, лежащий в основе этих загадочных и мощных рентгеновских источников.

Но сам Фридман был разочарован. Вместо того чтобы резко «отключиться», когда Луна проходила над Крабовидной туманностью, рентгеновские лучи исчезали постепенно, а значит, их излучала туманность в целом, а не какой-то единичный малый объект. Получалось, что ему не удалось найти нейтронную звезду. А между тем весьма особая нейтронная звезда в Крабовидной туманности есть, и она действительно испускает рентгеновские лучи. Эта нейтронная звезда вращается вокруг своей оси около тридцати раз за одну секунду! Если хотите получить истинное удовольствие, зайдите на сайт Космической рентгеновской обсерватории Чандра (http://chandra.harvard.edu/) и найдите фотографии Крабовидной туманности. Обещаю, они в самом деле потрясающие. Но сорок пять лет назад у нас не было космических рентгеновских телескопов и приходилось быть более изобретательными. (После открытия Джоселин Белл в 1967 году радиопульсаров, то есть пульсаров, излучающих в радиодиапазоне, в 1968 году группа Фридмана наконец обнаружила рентгеновские пульсации – около тридцати в секунду – нейтронной звезды в Крабовидной туманности.)

Пока Фридман наблюдал покрытие Крабовидной туманности, в Техасе мой (тогда еще будущий) друг и коллега по МТИ Джордж Кларк готовился к ночному полету на высотном аэростате, чтобы найти высокоэнергетическое рентгеновское излучение от Sco X-1. Но когда Джордж услышал о результатах Фридмана – даже без интернета новости тогда распространялись довольно быстро, – он полностью изменил свои планы и переключился на дневной полет, решив найти рентгеновские лучи, исходящие из Крабовидной туманности и превышающие 15 кэВ. И он их нашел!

Сейчас трудно выразить словами, насколько захватывающей была эта работа. Мы стояли у дверей новой эры научных исследований. Мы чувствовали, что приподняли занавес, скрывавший от нас удивительные тайны Вселенной. И действительно, подняв свои детекторы так высоко, в космос, в самые верхние слои атмосферы, в которые рентгеновское излучение может проникать, не поглощаясь воздухом, мы смогли снять ослеплявшие нас фильтры, всю предыдущую историю человечества закрывавшие наши глаза. Мы начали оперировать в совершенно новом спектральном диапазоне.

Впрочем, такое в истории астрономии не редкость. Каждый раз, когда мы узнавали, что небесные тела испускают новые или иные виды излучений, нам приходится в корне менять свои представления о звездах, их жизненных циклах (как они рождаются, как живут, почему умирают), о формировании и эволюции скоплений звезд, о галактиках и даже о скоплениях галактик. Радиоастрономия, например, показала, что центры галактик способны извергать струи длиной в сотни тысяч световых лет. Она помогла отрыть пульсары, квазары и радиогалактики. Ей принадлежит заслуга открытия реликтового излучения, коренным образом изменившего наши взгляды на раннюю Вселенную. А астрономия в диапазоне гамма-излучений позволила обнаружить некоторые из наиболее мощных и (к счастью) далеких взрывов во Вселенной, известных как гамма-всплески, излучающих послесвечение в виде рентгеновских лучей и видимого света, вплоть до радиоволн.

Мы знали, что обнаружение рентгеновских лучей в космосе непременно изменит наше понимание Вселенной. Мы просто не представляли, как это сделать. Куда бы мы ни смотрели с помощью своего нового оборудования, мы видели что-то новое. И это, как мне кажется, вовсе не удивительно. Когда оптические астрономы начали получать первые изображения с космического телескопа «Хаббл», они тоже были взволнованы, испытывали благоговение и – хоть, может, не так очевидно – жаждали большего. Но они, по сути, лишь расширили диапазон возможностей многовекового инструмента в области исследований, существовавшей не первое тысячелетие. Мы же, рентгеновские астрономы, стояли на пороге совершенно нового научного направления. Кто знал, куда ведет эта дорога и что мы там обнаружим? Уж нам-то это точно было неизвестно!