В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Шрифт:
Систематические наблюдения неба с такой аппаратурой ранее не проводились, и в этом, между прочим, нет ничего странного. Для того чтобы регистрировать быстро меняющиеся радиосигналы, нужно принести в жертву такое качество радиоприемного устройства, как чувствительность. Известные космические радиоисточники дают достаточно постоянное по интенсивности излучение, и поэтому не имело смысла ухудшать чувствительность радиотелескопа в надежде на прием коротких радиоимпульсов. Появление их, по-видимому, просто не считалось вероятным.
И вот с такой аппаратурой 6 августа 1967 г. молодая аспирантка Жакелин Белл при наблюдении созвездия Лисички зарегистрировала очень странный сигнал — на ленте скоростного самописца оказались периодически повторяющиеся импульсы. Вскоре были найдены еще три аналогичных пульсирующих источника
Первоначально открытие не было принято всерьез. Дело в том, что радиоастрономы довольно часто обнаруживают импульсные сигналы на своих лентах. Их дают попадающие в радиотелескоп излучения радиолокационных станций, телевизионных передатчиков, систем связи со спутниками и другие помехи (разумеется, с точки зрения радиоастрономов), создаваемые земной цивилизацией. Однако, к удивлению сотрудников Мюллардской обсерватории, систематическое наблюдение обнаруженных четырех объектов не привело к отождествлению их с каким-либо видом земных помех. Были отвергнуты и такие объекты, как спутники, — координаты открытых источников излучения не менялись ни в течение суток, ни изо дня в день. А это говорило о том, что источники излучения находятся далеко от Земли.
Открытие настолько поразило ученых, что было решено сохранить полученные данные в тайне до выяснения природы этих новых объектов. Почти полгода никто (даже сотрудники ближайшей радиообсерватории Джодрел Бэнк) не знал, что в Кембридже начаты исследования нового типа объектов. Первое сообщение о них появилось лишь после того, как астрономы поняли, что принимаемые сигналы не связаны с внеземными цивилизациями, и поэтому их изучение «вряд ли окажется вредным для человечества».
Уже предварительные измерения и расчеты показали, что пульсары — сравнительно близкие объекты, они находятся в пределах нашей Галактики. У астрономов, правда, существует свое собственное мнение о том, что такое «далеко» и что такое «близко». «Диаметр» нашей Галактики около 100 тыс. св. лет. Это, конечно, гигантская величина даже по сравнению с огромным расстоянием от Земли до Солнца, которое составляет 8 св. мин (не говоря уже о тоже неблизком расстоянии Земля — Луна, которое чуть больше световой секунды). Но в то же время радиотелескопы принимают сигналы из звездных миров, удаленных от нашей Галактики на расстояние 10 млрд. световых лет. Естественно, что по сравнению с такими расстояниями пульсары находятся совсем недалеко от Земли; почти что рядом.
Важное свойство пульсаров — сильная линейная поляризация излучения.
Поднесите натертую о шерсть гребенку к клочкам бумаги и убедитесь, что электрическое поле действует в определенном направлении. Точно так же существует направленность — поляризация— электрической составляющей радиоволн. В этом тоже легко убедиться опытным путем — попробуйте поставить диполь телевизионной антенны не горизонтально, а вертикально, как качество приема резко ухудшится. Потому что телепередатчик посылает сигналы с горизонтальной поляризацией — горизонтальной направленностью электрической составляющей электромагнитных волн. Обычно в объектах, за которыми наблюдает радиоастрономия, излучение создают электроны, хаотически движущиеся в разных направлениях. И поэтому в излучении таких объектов не преобладает какое-нибудь одно направление поляризации.
Каков же механизм генерации радиоимпульсов? Что собой представляет само излучающее тело, сам пульсар?
Для ответа на первый вопрос физика представляет ограниченное число возможностей. Мощность радиоизлучения пульсара столь велика (импульсная мощность — около 1022 Вт), а размеры объекта столь малы, что появление радиоимпульсов не может быть связано с независимым излучением отдельных электронов (как это бывает обычно у большинства астрономических объектов). Наблюдаемая мощность излучения может появиться только в двух случаях. Либо большое количество электронов колеблется синхронно, подобно тому как это происходит в антенне нашего земного радиопередатчика. Либо в пульсарах происходит нечто похожее на когерентное излучение в лазерах. И в том и в другом случае электроны при излучении должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.
Вопрос о том, что представляет собой пульсар как космическое тело, много сложнее. Первоначально обсуждалось несколько гипотез. Согласно одной из них пульсары — это белые карлики, т. е. самые плотные из наблюдаемых звезд. Вещество в них сжато настолько сильно, что оно, вероятно, больше похоже на твердое тело, чем на газ, несмотря на то что температура внутри звезды может доходить до сотен миллионов градусов. Радиус белого карлика — несколько тысяч километров, масса примерно такая же, как у Солнца, или несколько меньше.
Почти одновременно с гипотезой белого карлика были высказаны предположения, что пульсары — это нейтронные звезды — звезды, плотность которых много выше, чем у белых карликов, а радиус составляет несколько километров. Наконец, имелся ряд гипотез, в которых излучение пульсаров связывалось не с радиальными пульсациями, а с вращением какого-то тела вокруг своей оси или вращением одного тела вокруг другого. Здесь весьма интересна аналогия с импульсным радиоизлучением Юпитера Эти импульсы, правда, не имеют такой строгой периодичности, как у пульсаров, но все же движение по орбите спутника Юпитера довольно регулярно меняет интенсивность радиоизлучения самой планеты.
Своеобразным дополнением к докладу стали сообщения о том, как велись наблюдения за пульсарами на советских радиотелескопах. И сразу же после этих сообщений — общая дискуссия. Первым берет слово академик Я. Б. Зельдович. Он подходит к доске, и вскоре она покрывается наползающими друг на друга формулами. Ученый отмечает, что никакой полной теории явления пока, конечно, нет. И хотя кое-кто считает, что ее никогда не будет, можно все же говорить о путях, которые представляются разумными. На доске появляются ориентировочные расчеты, подтверждающие или отвергающие различные гипотезы. Цель и ход всех расчетов подробно поясняются.
Свое «особое мнение» о возможной природе излучения излагает горьковский радиофизик профессор В. С. Троицкий. Он полагает, что не следует исключать возможность искусственного происхождения сигналов, и приводит один «сильный довод»: импульсы очень выгодны для передачи информации. Используя определенные свойства среды, можно получить своего рода временную фокусировку, «схлопывание» импульсов на определенном расстоянии от излучателя. При этом уровень сигнала увеличится в миллион раз.
По поводу этой идеи в зале вспыхивает короткая дискуссия, своеобразный итог которой подводит академик В. Л. Гинзбург. Он замечает, что идея о внеземных цивилизациях заслуживает внимания только в связи с наступлением периода летних отпусков, поскольку теоретиков эта идея освобождает от необходимости думать и искать более простое объяснение открытого явления. А такое объяснение наверняка может быть найдено. Вот лишь один из возможных вариантов: превращение большой звезды в белый карлик сопровождается сильнейшей концентрацией магнитного поля — оно в сотни тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Такое сильное поле, по сути дела, «запирает» всю звезду, оставляя заряженным частицам лишь два узких выхода в полярных областях. Именно сквозь эти области выбрасываются огромные сгустки плазмы, напоминающие две антенны.
Следующий доклад посвящен нашему Солнцу. Этот объект сравнительно близок, но он так же, как и далекие пульсары, снабжает астрофизиков сложными проблемами. Одна из них — магнитные поля Солнца. То, что структура этих магнитных полей чрезвычайно сложна, общеизвестно. Но какова эта структура в деталях? Как изменяется? Каковы интимные механизмы участия магнитных полей в физических процессах на Солнце?
Наименьшая из самостоятельных магнитных областей Солнца — это магнитный узелок размером около 700 км. Следующий структурный элемент — супергранула размером около 30 тыс. км, средним временем жизни 20 ч. Недавно обнаружены еще более крупные элементы магнитной структуры — гигантские ячейки размером 400 тыс. км. Вся эта своеобразная иерархия магнитных областей должна завершиться структурными секторами, простирающимися более чем на миллион километров. Рассчитанный и экспериментально проверенный баланс магнитных потоков в активных областях Солнца показывает, что 37 % магнитного потока покидает активную область Солнца. То, что мы часто называем межзвездным или межпланетным вакуумом, — никак не пустота. Это пространство, где происходят сложные физические процессы с участием электрических и магнитных полей, где движутся и как-то взаимодействуют частицы.