Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров

Амнуэль Павел Рафаэлович

Так вспоминал об открытии первого пульсара Э. Хьюиш, получивший за свое достижение Нобелевскую премию по физике за 1975 год. А вот что рассказывал советский физик В. Л. Гинзбург:

«…Необычность состоит в том, что открытие несколько месяцев хранилось в тайне.

Велись наблюдения, обрабатывались материалы, но об этом знали лишь сотрудники одной лаборатории, а даже ближайшие «соседи» — астрономы и физики в том же старинном университетском городе Кембридже об обнаружении пульсаров и не подозревали. К числу таких жертв «секретности» принадлежу и я, так как находился в Кембридже как раз в этот период (с начала ноября 1967 г. по конец января 1968 г.). Должен признаться, что вначале мне подобная скрытность людей, которым я докладывал свои собственные результаты, с которыми мы обсуждали много научных вопросов, показалась обидной и странной. Но вскоре эти чувства прошли без остатка. Секретничание действительно было бы оскорбительным, если

бы относилось к отдельным лицам, в частности ко мне — гостю из другой страны. Но в том-то и дело, что результаты не сообщались никому из посторонних, и главное, как я уверен, скрывая свою работу, ее авторы руководствовались вполне достойными соображениями. Они хотели спокойно и обстоятельно провести наблюдения, сообщить надежные данные, а не поспешить с сенсационным сообщением (к тому же вначале допускалось, что речь идет о приеме сигналов от внеземной цивилизации). При этом авторы рисковали — могло случиться, что пульсары обнаружит кто-либо другой и сообщит об этом раньше их. Нужна большая выдержка, как я думаю, характерная для всего стиля, царящего в знаменитом центре английской науки, чтобы в течение месяцев не сообщать о пульсарах. Кстати сказать, последующее развитие событий показало, сколь справедливо Э. Хьюиш и его коллеги (и, видимо, руководитель радиоастрономической обсерватории в Кембридже М. Райль) опасались, что опубликование сообщения, о существовании пульсаров совершенно изменит весь характер их работы».

Итак, строго периодическое излучение небесного тела с периодом около секунды существовать не может (науке такие тела неизвестны), но оно существует. Как разрешить такое противоречие?

Нужно либо изменить интерпретацию, либо объявить неверными наблюдения. Делать второе Э. Хьюиш не собирался. Но вот интерпретация… Импульс излучения первого пульсара продолжался всего 0,016 секунды — за это время свет пробегает, около 5 тысяч километров. Таковы максимальные размеры объекта, посылающего сигнал! Это размеры планеты, размеры Земли. Так что же, излучает какая-то планета? Никто никогда не регистрировал никаких периодических сигналов от планет Солнечной системы. Может, излучает не сама планета, а некто на планете? Или нечто? Правда, был еще один вариант. Есть звезды размером с планету — это белые карлики. Или звезды, еще меньшие по размерам, — нейтронные. Может, это они и излучают? Но… в такое было еще труднее поверить, чем в сигналы внеземной цивилизации. Ведь импульсы излучения пульсара повторялись через каждые 1,3373011017 секунды. Попробуйте найти даже среди точных часов, созданных разумом человека, часы с такой стабильностью хода! А уж допустить, что такие часы существуют в естественном состоянии… Вероятно, для этого нужно было еще большее воображение, чем для предположения о внеземном разуме.

Даже после того как в декабре 1967 года Ж. Белл обнаружила еще три пульсара (пришлось исследовать больше пяти километров регистрограмм), предположение о внеземных цивилизациях отпало не сразу. Даже названия у первых четырех пульсаров были такими: LGM 1, 2, 3 и 4, что было сокращением слов Little Green Men (маленькие зеленые человечки). Таким термином часто обозначали пришельцев из космоса — жителей других миров.

Редчайший случай в истории науки: ученый нарушил принцип «презумпции естественности». Сначала была исследована возможность искусственного происхождения сигналов и лишь потом обращено внимание на естественные возможности. Уже одно это говорит, насколько сильным было убеждение в том, что нейтронные звезды не могут быть активны.

И все же факты заставили Э. Хьюиша отказаться от идеи о внеземном разуме. Если излучение идет с планеты, обращающейся около звезды, это легко доказать. Представим, что источник обращается около звезды, то приближаясь к нам (половину периода), то удаляясь (другую половину периода). Когда источник приближается, импульсы поступают на антенну чаще, а когда удаляется — реже. Частота повторения импульсов должна периодически меняться, и период этот должен в точности совпадать со звездным годом на той планете, где обитают «маленькие зеленые человечки». Этот эффект и искали Э. Хьюиш с сотрудниками весь декабрь 1967 года, вот почему этот месяц был самым волнующим в жизни Э. Хьюиша: Решался вопрос — быть или не быть межзвездным контактам! И оказалось — не быть. Наблюдения показали: частота повторения импульсов не меняется. Погибла идея о том, что передатчик находится на планете в далекой звездной системе.

И тогда пришлось обратиться к идее о белых карликах или о нейтронных звездах. Вот, что писал Э. Хьюиш:

«Оказалось, что допплеровское смещение точно соответствовало движению одной лишь Земли, и мы стали искать объяснение нашему явлению, связывая его с карликовыми звездами или с гипотетическими нейтронными звездами. Мои друзья в библиотеке при оптической обсерватории были удивлены, наблюдая радиоастронома, проявляющего столь огромный интерес к книгам по эволюции звезд. Наконец я решил, Что возможный

механизм, объясняющий периодическое излучение радиоимпульсов, могут дать гравитационные колебания всей звезды, однако при этом основная гармоника колебаний белых карликов была слишком мала. Я предположил, что в случае белого карлика необходимо рассматривать более высокие гармоники, а в случае нейтронной звезды с плотностью, самой низкой из всех возможных, я получил, что основные колебания могут обусловить необходимую частоту. Мы оценили также расстояние до источника при предположении, что изменение частоты связано с дисперсией импульса в межзвездной плазме, и получили значение 65 пс, т. е. обычное звездное расстояние.

Пока я старался связать наши несколько сумбурные результаты, Жаклин Белл в январе 1968 года с характерными для нее настойчивостью и трудолюбием расшифровала все записи нашего обзора и определила возможные положения других пульсаров. Были проведены повторные наблюдения с целью подтверждения пульсирующего характера их излучения, и к 8 февраля, моменту отправки нашей статьи в печать, мы были уверены в существовании еще трех новых пульсаров, хотя и их параметры были известны нам лишь приблизительно. Я хорошо помню то утро, когда Жаклин вошла ко мне в комнату с записями сигналов возможного пульсара, которые она сделала этой ночью при прямом восхождении 09 ч 50 мин. Когда мы развернули эти записи на полу и поверх их положили измерительную линейку, то сразу же обнаружили периодичность импульсов со временем 0,25 с. Это значение позже подтвердилось, когда приемник настроили на более узкую полосу, и столь быстрая частота следования импульсов этого пульсара весьма затруднила его интерпретацию с помощью модели белого карлика».

И лишь тогда, полностью убедившись, что пульсары существуют, что они — естественное природное явление, Э. Хьюиш с сотрудниками послал в журнал «Nature» сообщение об открытии. Важность его была понята сразу. Статья поступила в редакцию 8 февраля 1968 года и вышла из печати в номере журнала от 24 февраля. Две недели — ни одна статья еще не была опубликована так молниеносно!

Правда, Э. Хьюиш не доказал, что обнаружены именно нейтронные звезды. Он лишь утверждал, что сигналы естественны и что это вряд ли могут быть колебания белых карликов. А искомое доказательство нашел три месяца спустя американский астрофизик Т. Голд. Всего три месяца понадобилось, чтобы понять суть открытия. Психологическая установка — нейтронные звезды мертвы — больше не могла существовать.

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.