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

Такая одержимость, понятно, не слишком позитивно влияла на мой брак и семейную жизнь. Моя карьера была на взлете, а первый брак потерпел крах. Конечно, это полностью моя вина. В течение многих лет я уезжал из дома, отсутствуя порой по несколько месяцев, чтобы запускать аэростаты в самых разных местах земного шара. Даже теперь, когда у нас был собственный спутник, я мог месяцами пропадать в Австралии.

Источники рентгеновских вспышек, в сущности, заменили многим из нас семьи. Мы жили с ними, спали с ними, изучали их изнутри и снаружи. Как близких друзей, каждый из которых уникален, со своими характерными особенностями. Даже сейчас я узнаю многие из их уникальных «почерков».

Большинство из этих источников находились на расстоянии около 25 тысяч световых лет от Земли, что позволило нам подсчитать, что суммарная энергия рентгеновского излучения (испускаемого менее чем за минуту) во вспышке составляет около 1032 джоулей, – по сути, непостижимое для человеческого разума число. Так что взгляните на это с такой стороны: чтобы генерировать энергию волн всех длин в 1032 джоулей, Солнцу требуется почти три дня.

Некоторые из этих вспышек происходили с завидной регулярностью – например, источник МХВ 1659-29 выдавал вспышки с интервалом в 2,4 часа, в то время как другие меняли свои интервалы от нескольких часов до нескольких дней, а некоторые не вспыхивали по несколько месяцев. M в аббревиатуре МХВ означает МТИ, Х – X-rays (рентгеновское излучение), а B – burster (барстеры). Цифры в названии – это небесные координаты источника в так называемой системе экваториальных координат. Если среди вас есть астрономы-любители, вам это название наверняка знакомо.

Главный вопрос, конечно же, заключался в том, что было причиной этих вспышек. Двое моих коллег из Гарварда (в том числе Джош Гриндлей, один из первооткрывателей рентгеновских вспышек), увлекшись, высказали в 1976 году идею, что вспышки – это продукт черных дыр с массой, более чем в несколько сот раз превышающей массу Солнца.

Вскоре мы обнаружили, что спектры во время рентгеновских вспышек напоминают спектры от охлаждающегося абсолютно черного тела. Черное тело не черная дыра. При любой температуре оно поглощает все падающее на него излучение во всех диапазонах, не отражая ни одну из его разновидностей. (Как вы знаете, черные объекты поглощают излучение, в то время как белые его отражают, – именно поэтому черный автомобиль, оставленный летом в Майами на пляжной стоянке, всегда нагревается сильнее белого.) Еще одна характеристика абсолютно черного тела заключается в том, что, поскольку оно ничего не отражает, единственное излучение, которое оно может испускать, является результатом его собственного нагрева. Вспомните о нагревательном элементе в электрической печи. Достигнув температуры приготовления пищи, он начинает светиться красным цветом, испуская низкочастотный красный свет. Если заставить его стать еще горячее, он начнет светиться оранжевым, затем желтым и, как правило, более никаким. При отключении от электросети элемент охлаждается, и испускаемое им излучение более или менее сильно напоминает по своим характеристикам хвостовую часть спектра вспышек. Спектры абсолютно черных тел настолько хорошо изучены, что, если измерять такой спектр на протяжении некоторого времени, можно по мере его охлаждения вполне точно рассчитать температуру.

Поскольку абсолютно черные тела хорошо изучены, мы можем очень многое узнать о вспышках, отталкиваясь от знаний из области элементарной физики, и это, безусловно, потрясающе. Так мы и поступили, проанализировав спектры рентгеновского излучения неизвестных источников, расположенных в 25 тысячах световых лет от нас, и в итоге сделали революционное открытие, используя базовые законы физики, известные каждому первокурснику МТИ!

Мы знаем, что полная светимость абсолютно черного тела (количество энергии, излучаемой им в секунду) пропорциональна четвертой степени его температуры (это ни в коей мере не интуитивная информация) и площади его поверхности (тут вывод как раз интуитивно понятен: чем больше площадь, тем больше энергии может испустить тело). Иначе говоря, если у нас есть две сферы диаметром один метр и одна в два раза горячее другой, то первая будет излучать в 16 раз (24) больше энергии, чем вторая. Так как площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, мы также знаем, что при неизменной температуре объект утраивается в размерах и будет излучать в девять раз больше энергии в секунду.

Спектр рентгеновского излучения в любой момент вспышки рассказывает нам о температуре абсолютно черного тела излучающего объекта. Во время вспышки температура быстро поднимается до около 30 миллионов кельвинов и в последующий период медленно снижается. А поскольку нам было известно приблизительное расстояние до этих барстеров, мы могли также вычислить светимость источника в любой момент вспышки. Зная температуру и светимость абсолютно черного тела, можно рассчитать и радиус излучающего объекта, причем тоже для любого момента вспышки. Первым это сделал Джин Суонк из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА; мы в МТИ быстро последовали его примеру и пришли к выводу, что эти вспышки – следствие охлаждения объекта с радиусом около 10 километров. Это было убедительным доказательством того, что источники вспышек – нейтронные звезды, а не очень массивные черные дыры. А если это нейтронные звезды, то, скорее всего, рентгеновские двойные.

В 1976 году МТИ посетила итальянский астроном Лаура Марачи. В один прекрасный февральский день она вошла в мой кабинет и высказала идею, что изучаемые нами вспышки являются результатом термоядерных вспышек, огромных термоядерных взрывов на поверхности аккрецирующих нейтронных звезд. Когда в нейтронной звезде накапливается водород, потенциальная гравитационная энергия преобразуется в тепло такой огромной силы, что испускаются рентгеновские лучи (см. предыдущую главу). Но, как предположила Лаура, накапливаясь на поверхности нейтронной звезды, эта аккрецирующаяся материя может подвергнуться ядерному синтезу в ходе неконтролируемого процесса (как в водородной бомбе), что и приводит к рентгеновской вспышке. А следующий взрыв может произойти через несколько часов, когда опять скопится достаточное количество ядерного топлива. С помощью простых расчетов на доске в моем кабинете Марачи продемонстрировала, что материя, мчащаяся со скоростью около половины скорости света к поверхности нейтронной звезды, высвобождает гораздо больше энергии, чем выделяется при термоядерных взрывах, на что, собственно, и указывали имеющиеся у нас данные.

Я был потрясен до глубины души: объяснения Лауры показались мне весьма логичными. Термоядерные взрывы отвечали всем нашим требованиям. Соответствие процессу охлаждения, которое мы наблюдали во время вспышек, также приобретало смысл, если то, что мы видели, было мощным взрывом на нейтронной звезде. Кроме того, модель Лауры отлично объясняла интервал между вспышками, так как количество вещества, необходимое для взрыва, действительно должно накапливаться, на что требуется относительно много времени. При нормальной скорости аккреции создание критической массы занимало несколько часов, чем и объяснялся своего рода интервал, который мы обнаружили у многих источников вспышек.

У меня в рабочем кабинете стоит забавный радиоприемник, который всегда расстраивает моих посетителей. Он работает на солнечной батарее, и только тогда, когда она достаточно заряжена. Приемник потихоньку впитывает солнечный свет и медленно наполняется зарядом (зимой гораздо медленнее, чем летом), а затем каждые десять минут – иногда дольше, если погода плохая, – начинает играть, но лишь несколько секунд, потому что заряд электроэнергии быстро исчерпывается. Понимаете, к чему я веду? Накопление заряда в аккумуляторе похоже на накопление аккрецируемой материи на нейтронной звезде: когда ее становится достаточно, раздается взрыв, после чего все на какое-то время успокаивается.

Через несколько недель после визита Марачи, 2 марта 1976 года, в самый разгар «вспышечной лихорадки» мы обнаружили источник рентгеновского излучения, который я назвал MXB 1730-335 и который выдавал по несколько тысяч вспышек в день. Вспышки напоминали пулеметную очередь – многие из них следовали всего с шестисекундным интервалом! Боюсь, я вряд ли смогу в полной мере передать словами, насколько странным нам все это показалось. Этот источник, называемый сегодня Rapid Burster (быстрый барстер), был какой-то абсолютной аномалией и тут же в пух и прах разнес теорию Марачи. Во-первых, количество ядерного топлива, достаточное для термоядерного взрыва, по определению не может накапливаться на поверхности нейтронной звезды за шесть секунд. Кроме того, если эти вспышки – побочный продукт аккреции, то вследствие только ее одной мы должны были видеть мощный поток рентгеновского излучения, сильно превышающий энергию вспышек, но это было не так. Так что в начале марта 1976 года казалось, что замечательная термоядерная модель вспышек, предложенная Марачи, мертвее мертвого. В своей публикации, посвященной МХВ 1730-335, мы предположили, что вспышки вызваны «пульсирующей аккрецией» материи на нейтронной звезде. Иными словами, то, что в большинстве рентгеновских двойных представляет собой постоянный поток горячей материи с аккреционного диска на нейтронную звезду, в случае с Rapid Burster крайне нерегулярно.