Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров

Амнуэль Павел Рафаэлович

Еще более удивительным оказался спектр южной звезды. Нужно сказать, что даже в наше время получить хороший спектр звездочки 16-й величины — далеко не простая задача. А в 1942 году работа, выполненная Р. Минковским, была пределом мастерства наблюдателя. Удалось получить спектры обеих звезд. Северная звезда ничем не выделялась — в спектре были видны линии поглощения, свойственные желтым карликам. А вот в спектре южной звезды линий не было вовсе! Чтобы понять всю удивительность этого факта, достаточно вспомнить, что обычно в спектрах желтых карликов видны сотни линий, и десятки из них имеют такую ширину и глубину, что не заметить их на спектрограмме даже того качества, какая была у Р. Минковского, невозможно. Значит, линий не было на самом деле. Почему?

В. Бааде и Р. Минковский были уверены, что южная звезда в Крабовидной туманности и есть звездный остаток вспышки 10⁵⁴ года. Если это так, то именно южная звезда

ответственна за излучение всей туманности. Р. Минковский считал, что Крабовидная туманность светится потому, что газ в ней нагрет до высокой температуры. Но что нагревает туманность? Предоставленная сама себе, она давно остыла бы. Ее греет южная звезда, сказал Р. Минковский. И в этом была его ошибка.

Между прочим, представления В. Бааде и Р. Минковского лучше всего описаны не в их статье, а в опубликованном в 1946 году фантастическом рассказе М. Лейнстера «Первый контакт». Действие рассказа разворачивается в Крабовидной туманности, и писатель-фантаст описывает «сцену» в полном соответствии с научными данными. С данными, которые оказались ошибочными.

Вот, что написано в рассказе:

«Это было облако газа, бесконечно разреженного, занимавшего пространство, равное половине пути от нашего Солнца до ближайшего другого. В глубине тумана горели две звезды, двойная звезда, одна из составляющих частей была знакомого желтого цвета, похожего на цвет земного Солнца, другая казалась сверхъестественно белой».

И дальше:

«Сама туманность появилась в результате самого гигантского взрыва из всех известных человечеству… Вещество, выброшенное из центра взрыва, разлеталось со скоростью два миллиона триста тысяч миль в час; более чем тридцать восемь тысяч миль в минуту; свыше шестисот тридцати восьми миль в секунду. Когда телескопы двадцатого века нацелились на место этого громадного взрыва, осталась только двойная звезда… и туманность. Более яркая звезда из пары была почти уникальной, имея такую высокую температуру своей поверхности, что спектральный анализ оказался недейственным. Линий не было. Температура поверхности Солнца равна примерно семи тысячам градусов Цельсия выше нуля. Температура же раскаленной звезды равнялась пятистам тысячам градусов. У них с Солнцем почти одинаковая масса, а диаметром она в пять раз меньше, то есть она плотней воды в сто семьдесят три раза, свинца — в шестнадцать раз, иридия — в восемь. Это было самое тяжелое вещество из всех известных на Земле. Но даже такая плотность несравнима с плотностью карликовой белой звезды — соседа Сириуса. Белая звезда в Крабовидной туманности была неполным карликом; эта звезда находилась еще в процессе распада…»

Любопытная ситуация: фантаст воспользовался научными данными и ошибся. Если бы он избрал самый фантастический из вариантов — нейтронную звезду, — то оказался бы прав вопреки наблюдениям. Вывод: воображение писателя-фантаста должно опережать науку, и если уж пользоваться идеями ученых, то — самыми фантастическими.

Числа, приведенные в рассказе, взяты из работы Р. Минковского. Налицо явное противоречие. Размер южной звезды получился у Р. Минковского слишком большим: всего впятеро меньше Солнца. Либо нужно признать, что в центре Крабовидной туманности нет нейтронной звезды, либо сказать, что теория излучения туманности неверна. Р. Минковский верил, что нейтронная звезда должна быть, но в то же время не видел альтернативы для механизма излучения. Это было проявлением психологической инерции, свойственной многим астрономам. Астрономы привыкли считать, что любое небесное тело излучает потому, что оно нагрето. Они, конечно, знали, что есть и другие механизмы излучения. Но применять их даже к такому явно необычному объекту, как Крабовидная туманность, не решились. Так, стараясь спасти оба предположения, противоречившие друг другу, они упустили открытие.

Долгое время на возникшее противоречие никто не обращал внимания. Астрофизиков вполне устраивала привычная картина излучения нагретого газа, а то, что при этом не остается места для нейтронной звезды, это даже хорошо — кто верил тогда в нейтронные звезды?

Так продолжалось до конца сороковых годов. Лишь в 1948 году произошло событие, показавшее всем, что противоречие действительно существует. Дж. Болтон, один из первых радиоастрономов, обнаружил на небе четыре ярких источника радиоизлучения. Один из источников был расположен в созвездии Тельца. Год спустя Дж. Болтон и Дж. Стэнли уточнили координаты этого источника, и оказалось, что они в точности совпадают с положением Крабовидной туманности. Вот факт, и вот противоречие. Крабовидная туманность излучает в радиодиапазоне слишком много! Если это действительно просто нагретый газ, то его радиоизлучение должно быть совершенно ничтожно по сравнению с оптическим. На деле же все наоборот: в радиодиапазоне Крабовидная туманность излучает гораздо больше, чем в оптическом.

Это было противоречие между наблюдением и его интерпретацией. Разрешил его в 1953 году советский астрофизик И. С. Шкловский.

Он предположил, что в Крабовидной туманности излучает вовсе не газ, а электроны, движущиеся с почти световыми скоростями в магнитном поле туманности. Физикам такое излучение было известно, называлось оно синхротронным. Причина излучения такова. Электрон — заряженная частица. Попав в магнитное поле, он подвергается действию так называемой силы Лоренца. Действие силы приводит к тому, что заряд начинает двигаться ускоренно. А ускоренно движущийся заряд должен излучать. Чем больше ускорение (создаваемое магнитным полем, а значит, чем больше поле) и чем больше энергия электрона, тем интенсивнее он излучает. А сверхбыстрые, так называемые ультрарелятивистские, электроны, «запутавшись» в магнитном поле Крабовидной туманности, излучают во всех диапазонах длин волн. Идея была проста и объясняла наблюдательные данные так естественно, что сразу была принята. Правда, от объяснения загадки свечения Крабовидной туманности нисколько не прибавилось веры в то, что в этой туманности находится нейтронная звезда.

Никто, даже В. Бааде с Р. Минковским, не возвращался к загадке южной звезды. А ведь она стала еще загадочнее, чем была! Если излучение Крабовидной туманности синхротронное, то нагревать газ в туманности вовсе не нужно, и значит, нет необходимости предполагать, что в туманности находится горячая звезда. А размер южной звезды был получен Р. Минковским именно в предположении, что звезда очень горячая. Все рассыпалось… Что же это такое — южная звезда? Есть ли теперь основания считать ее остатком взрыва?

Казалось бы, основания есть. Ведь для того чтобы существовало синхротронное излучение, нужны сверхбыстрые электроны. Откуда им взяться, если не из южной звезды?

Можно возразить: электроны большой энергии могли остаться в туманности и со времен взрыва. Об этом писал еще Ф. Цвикки, когда объяснял происхождение космических лучей.

Но это предположение было опровергнуто в 1956 году советским астрофизиком С. Б. Пикельнером. Вот ход его рассуждений. Чем больше скорость движения электрона, чем больше его энергия, тем быстрее электрон эту энергию теряет. Электроны, ответственные за радиоизлучение Крабовидной туманности, теряют энергию не очень быстро, они действительно могли остаться после вспышки и «дожить» до наших дней. Но электроны, ответственные за оптическое излучение, за сто лет должны растерять весь свой запас энергии! А взрыв произошел девять веков назад. Девять раз должен был обновиться в туманности состав «оптических» электронов. Электроны, которые излучают сейчас, не могли возникнуть при взрыве — они появились в туманности значительно позже. В Крабовидной туманности должна быть «пушка», непрерывно стреляющая быстрыми электронами. Где же эта пушка? Одно из двух: либо электроны как-то ускоряются в самой туманности, либо источником их является южная звезда. Вспомним опять о ее необычных свойствах: отсутствии спектральных линий, высокой скорости движения…

Однако астрономы-наблюдатели на эти странности не обращали внимания вплоть до шестидесятых годов. Исследование остатков вспышек сверхновых пошло иным путем.

В 1948 году английские радиоастрономы М. Райл и Ф. Смит обнаружили мощный источник в созвездии Кассиопеи — самый мощный на небе. Еще раньше, в 1946 году, голландский астроном Ж. Оорт обратил внимание на огромную оптическую туманность в созвездии Лебедя, имевшую форму тонких волокон. В туманности не было яркой звезды, способной заставить светиться такую массу газа. Это и навело Ж. Оорта на мысль, что волокнистая туманность в Лебеде, как и Крабовидная, — остаток вспышки сверхновой. Источник в Кассиопее тоже образовался после взрыва сверхновой. Были обнаружены радиоисточники и оптические волокнистые туманности и на местах, где вспыхивали сверхновые Тихо и Кеплера. Именно исследованием остатка сверхновой Кеплера и занялись В. Бааде с Р. Минковским после того, как отступились от южной звезды в Крабовидной туманности. В. Бааде еще в 1943 году обнаружил на месте вспышки сверхновой Келлера слабенькую туманность и сказал — вот остаток! А ведь долгие годы на месте вспышки звезды Кеплера найти ничего не удавалось. И вот появились сразу несколько «подозреваемых», появилась возможность искать погибшие звезды не только в Крабовидной туманности.

Но… исследовались туманности, а не возможные звездные остатки в них. В конце сороковых годов в существование таких звездных остатков верили только Ф. Цвикки, В. Бааде и Р. Минковский. Что они могли сделать втроем? В. Бааде и Р. Минковский изучали газовые туманности, оставшиеся после вспышек сверхновых, — это была кропотливая работа, отнимавшая все силы. А Ф. Цвикки вернулся к патрулированию сверхновых в других галактиках.

Кроме того, внимание астрономов было привлечено открытием в конце сороковых годов первых радиозвезд, природа которых представлялась совершенно загадочной. Впоследствии удалось доказать, что это — далекие галактики, проявляющие небывалую, немыслимую по масштабам активность. Исследование радиозвезд отвлекло силы наблюдателей и теоретиков от природы сверхновых.