Знание - сила, 2005 № 09 (939)

Коллектив авторов

То и дело натыкаясь на такого рода интри1ующие заголовки, невольно захочешь понять, что же такое эти пульсары, и почему они вращаются, и что за вспышки они излучают. В космосе есть много причудливых и странных объектов — чего стоят одни только «черные дыры»! — но пульсары, несомненно, являются едва ли не самыми фантастическими. Все их физические параметры поражают, точнее сказать — подавляют воображение. Плотность вещества — самая большая в звездной Вселенной. Притяжение на поверхности — в миллион раз сильнее, чем на Земле. Температура — в тысячу раз больше, чем на Солнце. Магнитное поле - в миллиарды раз больше земного. Скорость движения — самая большая из известных вообще. И тому подобное.

Само слово «пульсар» наводит на мысль о каких-то пульсациях. И действительно, главной

особенностью пульсаров является их пульсирующее излучение. Радиоволны от всякого пульсара приходят к нам в виде очень короткого всплеска, потом на короткое время исчезают совсем и снова появляются — и все это со строгой регулярностью, с точностью до миллиардных долей секунды.

Астрономам и прежде были известны источники излучения, периодически меняющие яркость, — например, долгопериодические цефеиды. Оболочка этих звезд периодически сжимается и расширяется, и это меняет их яркость. Но у этих звезд, как говорит само их название, период пульсаций яркости довольно большой, порядка нескольких дней. У пульсаров же — очень маленький: десятые, сотые, а то и тысячные доли секунды. Обычная звезда, радиус которой составляет порядка миллиона километров, не может так быстро менять свои размеры. Значит, пульсар должен иметь очень небольшой радиус.

С другой стороны, «мигания» пульсара могут быть следствием не пульсаций его объема, а вращения звезды как целого—что-то наподобие маяка. Это, однако, накладывает дополнительное ограничение. Звезда, вращающаяся десятки раз в секунду, должна быть не только достаточно маленькой, но и достаточно плотной, иначе ее разорвут центробежные силы. Науке известно два класса звезд малого размера и высокой плотности — это белые карлики, образующиеся из обычных, не очень массивных звезд после выгорания в них термоядерного горючего, и так называемые нейтронные звезды, образующиеся из остатков очень массивных звезд после их превращения в сверхновую.

Первый пульсар был открыт в 1967 году радиоастрономом Энтони Хьюишем и его аспиранткой Джоселин Белл Барнелл. К тому времени, когда статья Хьюиша и Белл, содержавшая сообщение об этом открытии, появилась в журнале «Nature», авторы уже пришли к заключению, что «источником этих сигналов могут быть либо белые карлики, либо нейтронные звезды». Вскоре, однако, группа нашла еще один пульсар, на сей раз в центре Крабовидной туманности, который посылал целых 30 радиоимпульсов в секунду. Никакой белый карлик не мог бы уцелеть при такой скорости вращения, и это решило спор в пользу нейтронных звезд.

История пульсаров развивалась дальше, причем весьма бурно, о чем свидетельствуют открытые на сегодняшний день полторы тысячи таких звезд. Почти все они находятся в пределах нашей галактики Млечный путь, в нескольких тысячах или десятках тысяч световых лет от Солнца, и лишь 9 обнаружено в Магеллановых облаках (звездных скоплениях, которые являются спутниками Млечного пути); в других галактиках пульсары (пока) не найдены. Пульсары движутся в космическом пространстве с огромными скоростями, намного быстрее обычных звезд, и не случайно именно пульсару принадлежит рекорд среди всех измеренных звездных скоростей. 1200 километров в секунду — такова головокружительная скорость, с которой этот маленький гигант большого веса пересекает сейчас туманность Гитары, образованную в космическом газе его движением (и курьезно похожую по форме на гитару).

Начальный период быстрого вращения нейтронной звезды не может продолжаться очень долго. Но мир пульсаров причудлив, и в нем есть такой класс нейтронных звезд, которые время от времени не замедляют, а ускоряют свое вращение или сложным образом его меняют. Поскольку обычно пульсары, как уже сказано, «мигают» с величайшей регулярностью, точнее всяких электронных часов, то любые отклонения от такой регулярности легко заметить, разумеется, при наличии соответствующих методов наблюдения и приборов. Именно так был открыт новый класс пульсаров — так называемые «реставрированные».

Это странное

название получили те старые пульсары, период вращения которых удлинился уже до нескольких секунд. Но затем они случайно оказались вблизи распухших перед смертью нормальных звезд. Попав в такую раздувшуюся газовую оболочку, старый пульсар благодаря своей массе начинает жадно притягивать звездный газ. Газ этот, под действием колоссальной силы тяжести пульсара, приобретает при падении на него огромную кинетическую энергию и передает ее пульсару, тем самым заново разгоняя и разгоняя его — порой до сотен оборотов в секунду. К настоящему времени обнаружено уже более ста таких «миллисекундных» пульсаров, и некоторые из них были пойманы, что называется, «на горячем» в буквальном смысле этого слова — в теснейшем соседстве с теми нормальными звездами, которые они доедают.

Миллисекундные пульсары подарили астрономам самые точные часы во Вселенной, а вот «бинарные пульсары» дали им возможность проверить эйнштейнову теорию гравитации. В этом очередном подклассе пульсаров было найдено два разных типа звезд, оба двойные и оба довольно редко встречающиеся. К первому типу относятся двойные звезды, в которых одним партнером является пульсар, а другим — бывший пульсар, то есть старая нейтронная звезда, уже переставшая быстро вращаться и энергично излучать. Второй, еще более редкий тип — двойная звезда, состоящая из двух активных пульсаров.

Первый бинарный пульсар был открыт в 1974 году астрономом Тэйлором и его аспирантом Хульсе. В этой звездной паре активный пульсар с периодом вращения 1/17 секунды обращался вокруг обычной, невращающейся нейтронной звезды. Близость двух нейтронных звезд-тяжеловесов создавала в пространстве между ними такое могучее гравитационное поле, в котором эффекты, предсказанные теорией Эйнштейна, должны были стать доступными измерению. В частности, можно было ожидать ощутимого замедления времени (отражающегося в изменении частоты излучения). искривления пространства и спирального сближения обеих звезд, которые при этом должны были терять «потенциальную» энергию, излучая ее в виде гравитационных волн. Хульсе и Тэйлор действительно обнаружили все эти эффекты теории Эйнштейна, за что по справедливости поделили Нобелевскую премию 1993 года.

А в начале 2004 года группа английского астронома Лайна открыла первую бинарную группу, состоящую из двух активных пульсаров, молодого, делающего 44 оборота в секунду, и старого, лениво поворачивающегося раз в 2,8 секунды. Эта пара все еще изучается, но уже установлено, что более быстрый пульсар излучает с какого-то небольшого участка своей поверхности мощный «ветер» заряженных частиц, который омывает медленный пульсар расходящимся конусом и искажает поле его излучения.

Все эти новые открытия позволили постепенно уточнить теорию строения и излучения пульсаров и шире — нейтронных звезд вообще, разработанную еще в семидесятые годы прошлого века. Причина излучения пульсаров оказалось самой трудной загадкой для теоретиков. Как показали расчеты, оно сильно искажается их огромными магнитными полями. Силовые линии магнитного поля охватывают испускаемые пульсаром мощные потоки заряженных частиц и электромагнитных волн (от радиоволн до рентгеновских лучей и гамма- излучения) и собирают их в узконаправленные пучки. Этот механизм до сих пор не вполне еще ясен, но очевидно, что в силу такого же, как на Земле, несовпадения оси магнитного поля и оси вращения эти направленные пучки излучения, испускаемого пульсаром, вращаются вместе с ним, как лучи маяка. Поэтому они улавливаются земными телескопами лишь в тот момент, когда поворачиваются точно в сторону Земли. Это происходит, разумеется, столько же раз в секунду, сколько раз в секунду поворачивается пульсар. Так возникают те «пульсации», благодаря которым пульсары и были обнаружены впервые.