Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ

Сверхновая звезда — это взрыв такой чудовищной силы, что трудно поверить, чтобы после него не осталось никаких следов. Звезда, просверкавшая столь краткое время светом целой галактики, непременно должна оставить после какой-то пепел — и она его оставляет.

Поскольку о существовании сверхновых стало известно только с 30-х годов, едва ли в этих остатках видели именно то, чем они являлись на самом деле. Скорее всего, эти следы раньше замечали без распознания их истинной природы. В 1731 г., например, английский астроном Джон Бевис (1693–1771) первым заметил маленькое белесоватое пятнышко в созвездии Тельца.

Месье — известный охотник за кометами — заметил его тоже и, полагая, что пятно ошибочно могут принять за комету, занес его в список объектов, не заслуживающих внимания других кометоискателей. Этот объект он занес в свой список первым, так что туманное пятно в созвездии Тельца иногда фигурирует среди ученых как М1.

Первым астрономом, детально исследовавшим М1 (в 1845 г.), был Уильям Парсонс, работавший с тем же широким телескопом, который впоследствии использовал для открытия спиральной природы многих отдаленных галактик. Для Парсонса объект М1 стал не просто бесформенной пухлой массой; его телескоп, раздвинув рамки отдаленного, показал более подробную картину; пятно в телескоп выглядело как некий возмущенный объем газа, нечто такое, что невольно внушало мысль: М1 — это остатки сильнейшего взрыва. Внутри газового облака выделялись клочковатые пряди света, которые чем-то напомнили Парсонсу ноги краба. Он назвал М1 Крабовидной туманностью, с тех пор это название так за ней и осталось.

Крабовидная туманность стала привлекать к себе пристальное внимание: ведь в звездном небе не найдешь ничего, что хотя бы издали на нее походило! Ничего, что давало бы столь ясную картину совершавшегося на глазах взрыва. Туманность начали фотографировать, и, следовательно, появилась возможность сравнивать снимки, сделанные в разные годы.

Первым провел такое сопоставление американский астроном Джон Чарлз Дункан (1882–1967). В 1921 г. он сделал снимок Крабовидной туманности и тщательно сравнил его с фотографией, выполненной другим американским астрономом — Джорджем Уиллисом Риччи (1864–1945), причем на том же телескопе, которым теперь пользовался Дункан. Дункану показалось, что на его фотографии Крабовидная туманность чуть-чуть шире, чем у Риччи. Судя по всему, туманность расширялась.

Если это расширение действительно было, то Крабовидная туманность — это не что иное, как остатки новой, и, судя по масштабам газопылевого облака, новой весьма внушительных размеров. Еще одна фотография, сделанная Дунканом в 1938 г., подтвердила правильность этого вывода.

Вскоре после первого сообщения о расширении туманности в 1921 г. Хаббл (ставший вскоре знаменитым, разрешив туманность Андромеды на звезды), сопоставив этот факт и расположение туманности в созвездии Тельца, где китайцы когда-то заметили «звезду-гостью», предположил, что туманность — это все еще расширяющиеся следы взорвавшейся в 1054 г. очень яркой новой.

Звучало весьма правдоподобно, но как доказать сам факт? По наблюдаемой скорости расширения туманности путем обратного отсчета можно было установить, сколько времени назад все это облако газа и пыли было собрано в одной светящейся точке-звезде, т. е. подсказало бы астрономам, сколько времени протекло с того момента, как взорвалась звезда. Период времени, истекший после взрыва, оказался 900 лет. Это помещало взрыв почти как раз в 1054 год — год яркой новой, горевшей в созвездии Тельца.

С тех пор астрономы повсюду стали отождествлять Крабовидную туманность с новой 1054 г.

Можно было обратить видимую скорость расширения Крабовидной туманности в истинную скорость, исследуя смещение темных линий в ее спектре. Получалось около 1300 км/с. Теперь можно было легко подсчитать, как далеко должна была находиться Крабовидная туманность, чтобы эта истинная скорость соответствовала бы видимой, отмечаемой на фотографиях. Оказалось, что Крабовидная туманность находится от нас на расстоянии 2000 парсек.

Зная это расстояние, можно по видимой ширине туманности найти, что она имеет теперь около четырех парсек в диаметре и, конечно, продолжает с постоянством расширяться.

Из свидетельства о яркости новой 1054 г., зная настоящее расстояние до нее, можно вычислить, что, видимая с 10 парсек — стандартного расстояния для определения абсолютной звездной величины, эта новая в пике своего блеска должна была, очевидно, сиять с абсолютной величиной — 18. Иными словами, в максимуме блеска это звездное извержение сопровождалось потоком света, превышающим в 1,6 млрд. раз светимость нашего Солнца и равным примерно 1/60 светимости всего Млечного Пути (если весь этот свет сосредоточить в одной точке). Вне всякого сомнения, новая 1054 г. была настоящей сверхновой.

Поскольку Крабовидная туманность находится от нас на расстоянии 2000 парсек, она должна быть настоящей туманностью, состоящей из пыли и газа. Она не может быть очень отдаленным скопищем звезд, каковым оказалась туманность Андромеды. В этом случае она должна бы излучать спектр, состоящий из отдельных светлых линий различной длины волн, как излучает туманность Ориона. На самом же деле это не так. Крабовидная туманность имеет непрерывный спектр, излучая свет на всех длинах волн, как звезды. В сущности, она имеет значительно более высокую температуру, чем звезды, так как Крабовидная туманность излучает свет на очень коротких, энергонасыщенных длинах волн, включающих не только ультрафиолетовые лучи, но и более короткие рентгеновские и еще более короткие гамма-лучи. Она также обильно излучает щедрые дозы длинноволновой радиации в радиодиапазоне, которая поляризована, т. е. колебания ее распространяются в одном направлении.

Источник такого непрерывного спектра высокой энергии оставался тайной до 1953 г., когда советский астроном Иосиф Шкловский (1916–1985) предположил, что источник порождается быстрыми электронами, с высокой скоростью проходящими через сильное магнитное поле. И это оказалось не просто теорией. Точно такое же явление (разумеется, в сильно уменьшенном масштабе) мы наблюдаем в ускорителях частиц, называемых синхротронами, сконструированных физиками-ядерщиками.

В синхротронах электрически заряженные частицы проходят через магнитные поля и выделяют так называемую синхротронную радиацию.

Похоже, Крабовидная туманность источала синхротронную радиацию в огромном количестве, но откуда поступали электроны? Откуда бралась вся та энергия, которая гнала электроны сквозь магнитное поле в течение девяти веков после взрыва сверхновой?

В 1945 г. Бааде, который совместно с немецко-американским астрономом Рудольфом Минковским (1895–1976) вычислил общепризнанное теперь расстояние до галактики Андромеды, наблюдал небольшие изменения в Крабовидной туманности вблизи двух звезд в центре ее структуры. Астрономы утверждали, что одна из этих звезд должна быть остатком объекта, пережившего взрыв сверхновой. Однако, чтобы поддерживать неиссякаемым такой поток синхротронной радиации, эта остаточная звезда должна посылать энергию с интенсивностью в 30 000 раз большей, чем наше Солнце. Как могло случиться такое, оставалось загадкой, которую не суждено было решить в течение последующей четверти века.

Если сверхновая 1054 г. оставила после себя столь удивительное напоминание, то другие сверхновые могли бы, очевидно, сделать то же самое. В этом смысле любое газопылевое облако, обнаруживающее синхротронную радиацию, можно было бы взять на подозрение. Однако, чем дальше отстояло от нас во времени извержение сверхновой, тем шире и разреженнее становилось облако и тем меньше его радиация.

Необычные свойства Крабовидной туманности могли объясняться тем, что сверхновая 1054 г. — сравнительно молода, относительно близка, ее не заслоняют облака космической пыли и она вся как бы на виду. Однако радиоволны пронизывают пылевые облака без особых помех. С 40-х годов нашего столетия астрономы используют все более чувствительные приборы и методы для обнаружения радиоволн, приходящих из космоса.

В 1941 г. Бааде обнаруживает в созвездии Возничего туманные волокна, примерно в том же месте, где Кеплер видел сверхновую 1604 г. Возраст остатков этой сверхновой составляет примерно треть возраста Крабовидной туманности, но вместе с тем она и гораздо дальше от нас, около 11000 парсек, так что ее возраст угадать точно сложно. Бааде не мог доказать, что эти неясные волокна пыли и газа в самом деле остатки сверхновой. Однако в 1952 г. два астронома из Кембриджского университета — Р. Браун и С. Хазард обнаружили, что эти газопылевые остатки являются мощным источником радиоволнового излучения, и это обстоятельство со всей очевидностью они связали со сверхновой 1604 г.

В том же году Браун и Хазард обнаружили радиоволны, идущие из того же района Кассиопеи, который соответствует Новой Тихо Браге. Позднее Минковский, работая с 200-дюймовым телескопом на Маунт Паломар в Калифорнии, обнаружил в этом участке зримо видимые следы, находящиеся от нас на расстоянии 5000 парсек. Затем в 1965 г. был запеленгован источник радиоволнового излучения в созвездии Волка, являющийся, должно быть, остатками большой сверхновой 1006 г., находившейся от нас, по-видимому, на расстоянии всего 1000 парсек.

Итак, четыре известные сверхновые последнего тысячелетия — все оставили после себя следы. Есть и пятое напоминание. В 1948 г. британские астрономы Мартин Райл (1918–1984) и Ф. Смит (р. 1923) открыли мощный радиоисточник в Кассиопее. Позднее Минковский обнаружил совпадающую с ним туманность, названную Кассиопея А. Она не принадлежала к району сверхновой Браге, но, казалось, имела признаки, роднившие ее с остатками сверхновой. Если они были последствием сверхновой, то такой взрыв должен быть виден на Земле где-то в 1677 г., но его, вероятно, заслонили межзвездные облака, поэтому никто о нем не обмолвился.

Еще один «подозрительный» объект, называемый «Лебединая петля», имеется, как можно догадаться, в созвездии Лебедя. Его составляют искривленные пряди туманности, напоминающие часть кольца диаметром 3°, или 6-кратная ширина полной Луны. Если это — остаток сверхновой, то извержение звезды случилось около 60 000 лет назад.

Другая необычная структура впервые привлекла внимание астрономов в 1939 г., когда американский астроном русского происхождения Отто Струве (1897–1963) заметил едва различимую туманность в южном созвездии Паруса. С 1950 по 1952 г. находку не выпускал из поля зрения австралийский астроном Колин С. Гам (1924–1960), опубликовавший свои наблюдения в 1955 г. Оказалось, что туманность Гама, как ее теперь называют, — это крупнейшая из ныне известных; она охватывает, наверное, шестнадцатую часть неба, однако так разрежена, что ее нелегко заметить; кроме того, ее наблюдение из Соединенных Штатов или Европы затруднено, поскольку она находится слишком далеко на юге.

Туманность Гама имеет грубо сферическую форму и почти 720 парсек в поперечнике. Центр ее находится на расстоянии 460 парсек от Солнечной системы, что делает ее самой близкой из всех известных туманностей. Ее ближайший край лежит от нас всего в 100 парсеках, и ученые одно время всерьез даже подозревали, что наша Солнечная система входит в ее пределы.

Эта туманность может быть следствием сверхновой, взорвавшейся 30 000 лет назад, которая, по-видимому, в течение краткого времени светила с яркостью полной Луны. В то время уже существовал вид homo sapiens. Любопытно бы знать, заметили ли неандертальцы, обретавшиеся далеко на юге, эту вторую Луну на небосводе.

НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ

Если сверхновая — видимая вспышка взрывающейся звезды — обнаруживает энергию гораздо большую, чем обычная новая, то на основании представлений 20-х годов было бы логично заключить, что часть звезды, которая не была выброшена в пространство в виде газопылевого облака, сжалась (коллапсировала) до размеров белого карлика.

Центральная звезда Крабовидной туманности была голубоватой и горячей, такая же звезда существовала в центре туманности Гама. Может быть, и все другие остатки сверхновых имели в центре своем белых карликов, которые часто бывали слишком слабы для наблюдения? Казалось совершенно ясно, что маленькие горячие звезды в центре Крабовидной туманности и туманности Гама видны лишь потому, что эти звездные остатки оказались в относительной к нам близости.

Первое сомнение на счет того, что белые карлики могут быть единственно и повсеместно результатом звездного сжатия (коллапса), связано с работой американского астронома индийского происхождения Субрахманьяпа Чандрасекара (р. 1910). Он считал, что, когда звезда коллапсировала, образовавшийся белый карлик больше не способен иметь ядерные реакции, поэтому нельзя рассчитывать на энергию синтеза, которая могла бы удержать его от сжатия.

И все-таки белый карлик не сжимался так плотно, как можно было ожидать. Если бы атомы разрушились и материя сжалась до соприкосновения атомных ядер друг с другом, то объект, подобный нашему Солнцу, съежился бы до размеров шара диаметром всего 14 км. Белые карлики достигают в диаметре 12 000 км, и крошечные ядра все еще достаточно далеки друг от друга. Даже при такой плотности, по правде говоря, белый карлик ухитрялся каким-то образом вести себя как газ.

Чандрасекару удалось показать, что силой, удерживающей карлик в таком полусжатом состоянии, были содержащиеся в нем электроны. Электроны уже не существовали как часть атомов, но пребывали в беспорядочном движении, как своего рода электронный газ. Сближаясь, они отталкивали друг друга, и даже мощное гравитационное поле белого карлика не могло стиснуть их выше определенной точки. Чем массивнее белый карлик, тем сильнее гравитационное поле, а чем сильнее это поле, тем плотнее сжимается электронный газ. Отсюда следует: чем массивнее белый карлик, тем меньше его диаметр.

В какой-то момент способность электронного газа противостоять давлению бывает сломлена и белый карлик коллапсирует.

В 1931 г. Чандрасекар высчитал, что такая катастрофа имеет место при массе, равной 1,44 массы Солнца. Она известна как «предел Чандрасекара». Все без исключения белые карлики, масса которых была определена, имеют массу меньше 1,44 массы Солнца.

Сначала это нисколько не озадачило ученых. Ведь свыше 95 % существующих звезд имеют массу ниже предела Чандрасекара и, попросту говоря, не имеют другого выбора, как превратиться в белый карлик.

С другой стороны, даже для незначительного меньшинства звезд, масса которых выше этого предела, проблемы как будто тоже не существует. Перед коллапсом звезды взрываются и отбрасывают наружные покровы, теряя тем самым в своей массе. Чем массивнее звезда, тем сильнее будет взрыв и поэтому тем крупнее будет потеря массы. Крабовидная туманность, включающая массу, рассеянную в результате взрыва сверхновой 1054 г., имеет массу в три раза больше солнечной.

Можно было рассуждать так: каждая массивная звезда, прежде чем коллапсировать, взрывается и «сбрасывает» с себя так много собственной массы, что оставшаяся в ядре всегда будет меньше 1,44 массы Солнца и, следовательно, сожмется в белый карлик.

Однако у Чандрасекара было одно сомнение. Если звезда первоначально была настолько массивной, что даже после того, как она сбросила всю, какую могла, массу, то остаток был все еще больше 1,44 массы Солнца? В таком случае, пережив свой коллапс, она все-таки не станет белым карликом. А что же случится? Давайте продумаем до конца. Белый карлик состоит из атомных ядер и электронов. Атомные ядра построены из протонов и нейтронов. Нейтроны не имеют никакого электрического заряда, протоны имеют положительный электрический заряд, который в точности равен заряду всех остальных протонов и произвольно принимается за единицу. Иначе говоря, каждый протон имеет заряд +1.

Все электроны тоже имеют подобные заряды, но отрицательные. Каждый электрон несет заряд, прямо противоположный заряду протона, и заряд его поэтому -1.

Протоны и электроны, обладая разноименными зарядами, притягивают друг друга, но только до определенного предела. Когда они приближаются друг к другу слишком близко, берут верх другие силы и возникает отталкивание гораздо более сильное, чем притяжение разноименных, зарядов. Это другая причина, и причина более существенная, чем взаимное отталкивание электронов, удерживающее белый карлик от чрезмерного сдавливания.

По мере того как гравитационное поле становится все сильнее, электроны приближаются друг к другу и к протонам, пока в какой-то момент их не принудят сомкнуться с протонами. Когда это случится, противоположные электрические заряды уничтожают друг друга. Вместо отрицательного электрона и положительного протона вы получаете электрически нейтральное соединение обоих. Короче, вы получаете нейтрон.

Если коллапсирующая звезда имеет массу, превышающую предел Чандрасекара, то по мере ее сжатия электроны и протоны соединяются друг с другом, образуя нейтроны, которые присоединяются к уже существующим. В коллапсирующей звезде нет ничего, кроме нейтронов, которые, будучи лишены заряда, уже никак не могут отталкивать друг друга. Тогда звезда сжимается до тех пор, пока нейтроны не соприкоснутся друг с другом. И вот — нейтронная звезда.

Нейтронная звезда, как было сказано, способна уплотнить всю массу Солнца в шар размером не более 14 км в диаметре. Такая звезда гораздо меньше и плотнее белого карлика, имеет более сильное гравитационное поле.

В 1934 г. Цвикки, начинавший свои исследования сверхновых в других галактиках, высказал догадку о возможном существовании нейтронных звезд как конечного продукта гигантских взрывов.

Он понимал, что сверхновая, отдающая энергии в миллион раз больше, чем обычная новая, должна испытывать колоссальные взрывы. Громадный взрыв должен вести и к более разрушительному коллапсу. Даже если сжимающиеся остатки были бы недостаточно массивны, чтобы исключить образование нейтронной звезды, они могли бы сокращаться с достаточной скоростью по энергии, минуя стадию белого карлика. По этой причине нейтронная звезда могла бы кончиться массой, меньшей 1,44 массы Солнца.

Спустя какое-то время американский физик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) и его ученик Джордж Михаил Волков разработали математические модели образования нейтронных звезд. Советский физик Лев Давидович Ландау (1908–1968) сделал то же самое независимо от них.

В тридцатые годы казалось вполне логичным, что результатом сверхновых было образование нейтронных звезд, но не было способа проверить это реальным наблюдением. Даже если нейтронные звезды действительно существовали, их крошечный размер, казалось, лишь подтвердил бы, что такая звезда, даже относительно близкая и наблюдаемая в крупный телескоп, выглядит чрезвычайно слабой. И если бы ее можно было увидеть, то решительно ничего нельзя было бы узнать о ней, кроме того, что она чрезвычайно слаба. Так, например, звезда в центре Крабовидной туманности была слабой, но как можно поручиться, что это нейтронная звезда, а не белый карлик? Однако, какой бы она ни была, сам факт, что ее можно видеть, склонял чашу весов в пользу белого карлика.

Впрочем, была одна смелая надежда. Сам акт катастрофического сжатия должен неизбежно сопровождаться огромным скачком температуры, поэтому поверхность нейтронной звезды в момент ее образования имела бы температуру порядка 10 000 000 °C. При такой температуре, даже допуская несколько тысяч лет остывания, ее излучение включало бы изрядную долю рентгеновских лучей.

Отсюда следует, что если звезда очень маленькая и тусклая, но из района ее нахождения в небе приходят рентгеновские лучи, то ее можно сильно подозревать в принадлежности к нейтронным.

Эта отчаянная надежда переплетается, однако, с одним грустным фактом. Рентгеновские лучи не могут пробить атмосферу: они взаимодействуют с молекулами и атомами воздуха и уже не выживают как таковые при своем подлете к земной поверхности. Поэтому нейтронные звезды, может быть, и посылают сигналы высоких энергий, но это не меняет дела, или, по крайней мере, так казалось в 30-х годах.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И РАДИОВОЛНЫ

Конечно, если бы ученые могли вести свои наблюдения за пределами земной атмосферы, все было бы по-другому.

Единственный путь выйти за атмосферу — применить ракету. Об этом выходе говорил Ньютон еще в 1687 г. Однако между осознанием и возможностью применить ракеты в практических целях лежала «дистанция огромного размера».

И все же это время пришло. Во время второй мировой войны немцы быстро продвигались вперед в деле использования ракет-носителей благодаря работам Вернера фон Брауна (1912–1977). Они намеревались использовать их как боевое оружие и преуспели бы в этом, но, к счастью для союзников, было уже слишком поздно. Немцам не хватило времени, чтобы развернуть их в достаточном количестве и отдалить свое поражение.

После войны, однако, и Соединенные Штаты и Советский Союз продолжили ракетные исследования, начав с того, на чем остановились немцы. В 1949 г. Соединенным Штатам удалось послать ракеты достаточно высоко, заставив их выйти за пределы атмосферы, а в 1957 г. Советский Союз с помощью ракеты-носителя вывел объект на околоземную орбиту.

Теперь появилась возможность работать с рентгеновскими лучами, поступающими прямо из космоса, и сразу же мог быть решен ряд проблем.

Например, спектр солнечной короны (его внешней атмосферы) обладал спектральными линиями, неотождествимыми с линиями известных элементов. Некоторые подумывали даже о том, что в солнечной короне существует неизвестный прежде элемент — «корониум».

Напротив, шведский физик Бенгт Эдлен (р. 1906) держался мнения, что названные линии — это атомы известных элементов, только находящихся в необычных состояниях: ведь солнечная корона имеет температуру 1 000 000 °C или выше.

Как же проверить, существует корониум или нет? Если Эдлен был прав, то сверхгорячая солнечная корона должна в изобилии посылать рентгеновские лучи, но в 1940 г. еще не было метода обнаружения этих лучей, даже если они и существовали.

С появлением ракет положение изменилось. В 1958 г. американский астроном Герберт Фридман использовал пуски шести ракет, которые поднимались высоко над атмосферой и были способны обнаружить рентгеновские лучи Солнца, если б таковые существовали. В самом деле, эти лучи были обнаружены, солнечная корона имела температуру, предсказанную Эдленом, спектральные линии были линиями обычных элементов, находившихся в очень необычных условиях, а корониума не существовало.

Однако излучение Солнцем рентгеновских лучей преувеличено. Эти рентгеновские лучи легко получить лишь потому, что Солнце расположено к нам очень близко. Даже самые близкие к нам звезды, звезды системы Альфы Центавра, находятся в 270 000 раз дальше, чем Солнце. Если бы интенсивность рентгеновского излучения одной из звезд системы Альфы Центавра равнялась солнечной, то дошедший до нас ее рентгеновский луч составил бы 1/70 000 000 000 долю энергии аналогичного луча Солнца и мы попросту не смогли бы его заметить. Рентгеновские лучи от звезд, ушедших еще дальше, имеют еще меньшую вероятность быть обнаруженными.

Отсюда следует, что если Вселенная состоит только из звезд, подобных Солнцу, то очень сомнительно, что теми видами регистрирующих систем, какими мы сегодня располагаем, могли бы обнаружить какой-то иной источник рентгеновского излучения, кроме нашего Солнца. Но, с другой стороны, если бы существовали какие-то особые звезды с рентгеновским излучением огромной интенсивности (какими, например, могли быть нейтронные звезды), то их бы обнаружили.

Теперь было чрезвычайно важно определить, какие рентгеновские источники, если таковые вообще существуют, могли быть в небе: ведь каждый такой источник означал возможность какого-то сюрприза.

В 1963 г. Фридман обнаруживает внесолнечный источник рентгеновского излучения, и в последующие годы открывается множество других подобных источников. В 1969 г., например, был запущен спутник Земли, который был специально предназначен для обнаружения рентгеновских источников. Он был запущен с побережья Кении в пятую годовщину провозглашения ее независимости и был назван «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». Спутник зарегистрировал 161 источник рентгеновского излучения, половина — за пределами нашей Галактики.

Это было одно из открытий, благодаря которым в 60-х годах астрономы начали осознавать, что Вселенная гораздо более неспокойное место, чем было принято думать. Кажущееся спокойствие и безмятежность ночного неба были обманчивы.

Одним из источников рентгеновского излучения в небе была Крабовидная туманность.

Для астрономов это не явилось неожиданностью. Если бы им пришлось выбирать точку неба, в которой можно обнаружить рентгеновское излучение, все до одного, несомненно, выбрали бы Крабовидную туманность. Во-первых, это был явный результат взрыва сверхновой — самого катастрофического события, могущего произойти со звездой. Во-вторых, взрыв этот был относительно близким и относительно недавним. Кроме того, огромное возмущение и быстрое расширение туманности были явным предвестником тех высоких температур, которые могли порождать рентгеновские лучи.

В сущности, там были два возможных источника рентгеновского излучения. Одним был быстро расширяющийся объем газа и пыли, составляющий собственно туманность, другим — маленькая горячая звезда в центре, остаток взрыва, который мог быть нейтронной звездой.

В 1964 г. Луна в своем движении по небу должна была пересечь Крабовидную туманность. Мало-помалу она должна была надвигаться на туманность.

Если рентгеновские лучи брали свое начало от горячих вихревых газов самой туманности, то по мере ее затмения Луной интенсивность их излучения снижалась бы постепенно, шаг за шагом. Если рентгеновские лучи в целом исходили из центра предполагаемой нейтронной звезды, то интенсивность излучения должна была ослабевать по мере того, как Луна заслоняла собой туманность, затем резко упасть в момент, когда она скроет маленькую звезду, и продолжить медленное ослабление по мере затмения остальной части туманности.

Когда подошло время затмения, была запущена ракета для регистрации рентгеновских лучей, но из полученной информации оказалось, что сила излучения снижалась равномерно. Никаких признаков внезапного падения. Надежды обнаружить нейтронную звезду не осталось. И все же не окончательно. Тот факт, что и центральная звезда, и окружающее ее газовое облако могли в равной мере служить рентгеновским источником, говорил о возможности перепутать две вещи. Если б только удалось найти что-нибудь, что могло бы характеризовать саму звезду, а не окружающие ее газы, загадка могла быть разрешена.

Но чем могло быть это «что-нибудь»? Ответ пришел, и совсем неожиданно.

Рентгеновские и гамма-лучи составляют высокоэнергетическую часть электромагнитного спектра. На другом его конце, конце низкой энергии, находятся радиоволны.

Радиоволны, в сущности, проницают атмосферу не более, чем рентгеновские лучи. Что касается радиоволн, то проблема здесь в верхнем слое атмосферы, богатом электрически заряженными частицами, — ионосфере. Ионосфера стремится отражать радиоволны так, что те из них, которые исходят от Земли и направлены вверх от нее, отражаются обратно на Землю. Равным образом радиоволны, поступающие от астрономических объектов, отражаются ионосферой в космос и никогда не попадают на земную поверхность.

Однако дело обстоит иначе с диапазоном самых коротких радиоволн — микроволи. Длина микроволн очень коротка сравнительно с радиоволнами («микро» по-гречески означает «короткий»), но она значительно больше, чем длина обычных световых волн или даже длина излучения в инфракрасном диапазоне.

Это сводится к тому, что в электромагнитном спектре есть две области, излучение в которых может, с небольшими потерями, проходить сквозь земную атмосферу. Первая — это видимая область света, вторая — микроволновый диапазон, причем последний значительно шире.

Мы знаем о существовании «окна света» с тех пор, как сами существуем, так как у нас есть глаза, способные чувствовать свет, и мы видим Солнце, Луну, планеты, звезды. Но микроволновое «окно» мы не можем обнаружить никаким естественным органом чувств, и мы стали понимать это только последние полвека.

Микроволновое «окно» было открыто совсем случайно американским радиоинженером Карлом Янским (1905–1950). Работая в компании «Белл Телефон», он пытался засечь постоянный источник помех, который примешивался к радиоприему. Приемное устройство Янского все время отмечало какое-то шипение, приходящее с неба. Казалось сначала, что это действие микроволн, приходящих от Солнца, но с течением времени источник шума удалялся все дальше от Солнца, и к 1932 г. Янский обнаружил, что источник этот находится в созвездии Стрельца. Теперь мы знаем, что сигналы эти приходили из центра Галактики.

Профессиональные астрономы не могли тотчас же последовать за открытием Янского, потому что в то время еще не было хорошо разработанных методов для обнаружения микроволн. Но один из радиолюбителей-энтузиастов — Грот Ребер (р. 1911), прослышав о сообщении Янского, соорудил в 1937 г. параболический детектор-антенну прямо у себя во дворе. (В то время ему было шестнадцать лет). Это был первый радиотелескоп, и с его помощью Ребер прочесывал небо в поисках отдельных радиоисточников. Так он сделал первую радиокарту неба.

Примерно в то же время шотландский физик Роберт Уатсон-Уатт (1892–1973) в числе других совершенствовал метод определения направления и расстояния невидимых объектов с использованием пучка микроволн. Микроволны должны были отражаться от объекта, и это отражение можно зарегистрировать. Направление, из которого пришли отраженные микроволны, указывало направление, в котором находился объект, а интервал времени между посылкой микроволнового луча и регистрацией его отражения давал расстояние до него. Этот метод получил название радара.

Во время второй мировой войны радар оказался неоценимым средством, и ко дню окончания войны была наработана солидная техника посылки и приема микроволн. Это означало, что после войны астрономы могли детально изучать и анализировать микроволновое излучение отдаленных звездных скоплений. Все лучше и лучше строились радиотелескопы, и все больше делалось поразительных, большей частью неожиданных, открытий. Произошла настоящая астрономическая революция, которую по своему значению можно сравнить лишь с той, что пришла с изобретением телескопа три с половиной века назад.

ПУЛЬСАРЫ

В 1964 г. астрономы стали замечать, что радиоисточники не обязательно бывают постоянными, во всяком случае, не более постоянными, чем источники света. Световые волны в зависимости от температуры в разной степени преломляются атмосферой. Так как атмосфера включает области с разными температурами, а температуры эти меняются во времени, то слабый свет, излучаемый звездами, искривляется в ту или другую сторону, направление света все время чуть-чуть меняется и кажется, что звезда «мерцает». Радиоволны точно так же произвольно отклоняются заряженными частицами атмосферы, и кажется, что они тоже «мерцают».

Чтобы исследовать это быстрое мигание, или мерцание, необходимо было иметь специально сконструированные телескопы; один из них изобрел английский астроном Энтони Хьюиш (р. 1924). Телескоп состоял из 2048 отдельных приемных устройств, раскинувшихся на площади 18 000 м².

В июле 1967 г. радиотелескоп Хьюиша начал «прочесывать» небо с целью обнаружения и изучения мерцающих радиоисточников. За пультом была его студентка, английский радиоастроном Сьюзен Джоселина Белл (р. 1943).

В августе Сьюзен заметила что-то необычное. Отмечалось отчетливое мерцание одного источника между Вегой и Альтаиром, которое наблюдалось в полночь, когда обычно мерцания почти не было. Более того, мерцание это, казалось, приближалось и удалялось. Она обратила на это внимание Хьюиша, и к ноябрю стало ясно, что над этим стоило призадуматься.

Радиотелескоп был приспособлен для производства ускоренной записи, и оказалось, что на мерцание накладывались периодические вспышки радиации, которые были очень короткими, продолжаясь не более 1/20 доли секунды. Вот, оказывается, почему мерцание приближалось и удалялось. Пока источник не прослушивался очень тщательно, вплотную, инструмент, «ощупывающий» его, пропускал тот момент, когда приходила вспышка радиации, но обычно попадал в интервалах между вспышками.

Вспышки радиации продолжались, и было обнаружено, что они являлись через короткие и очень регулярные интервалы. Интервалы между вспышками равнялись 1 1/3 секунды, или, уточняя до восьмого десятичного знака, вспышки приходили с интервалом 1,33730109 с.

В небе до сих пор не наблюдалось ничего, что происходило бы так регулярно и с такими краткими интервалами. Чем бы ни было вызвано это явление, оно было беспрецедентным! По-видимому, это было что-то циклическое. Это, видимо, был астрономический объект, который обращался вокруг другого, или вращался вокруг своей оси, или пульсировал и по какой-то причине порождал вспышку микроволн при каждом обращении, или обороте, или пульсации.

Пульсация показалась сначала лучшим объяснением, и Хьюиш назвал это «пульсирующей звездой» (Pulsating Sourses of Radioemission); это название очень скоро сократилось и превратилось в «пульсар».

Теперь, когда Хьюиш знал, как пульсары излучают свои микроволны, эти объекты стало легко обнаруживать. Каждый импульс производил достаточно сильную вспышку микроволн. Трудность, однако, заключалась в том, что обычные радиотелескопы не могли уловить величину отдельной вспышки, а только среднюю величину излучения за какой-то период времени. Если вспышки усреднялись с состоянием покоя межвспышечных периодов, то уровень микроволновой интенсивности составлял лишь одну двадцать седьмую часть пика вспышки, а эта средняя величина недостаточно высока, чтобы быть особенно заметной.

Радиотелескоп Хьюиша мог регистрировать вспышки, и он начал «прочесывать» небо в поисках других излучений того же рода. К февралю 1968 г. было открыто еще три пульсара, и Хьюиш счел себе вправе сообщить о своем открытии.

Многие тут же включились в поиски, и скоро было обнаружено еще пять пульсаров. К началу 80-х годов уже было отождествлено около четырехсот пульсаров.

Один из пульсаров был открыт в октябре 1968 г. там, где всегда можно было наткнуться на что-то неожиданное, — в Крабовидной туманности. Оказалось, что он имеет гораздо более частую пульсацию, чем первый найденный. Его период всего 0,033099 с, другими словами, микроволновые вспышки возникают 30 раз в секунду. Другой пульсар позднее был обнаружен в центре туманности Гама.

Путаницы здесь уже не было. Если бы речь шла о постоянном излучении, будь то рентгеновские лучи или радиоволны, то было бы очень непросто отличить излучение, идущее от центральной звезды, от той ее части, которая исходит от туманности. Но очень быстрая и регулярная пульсация могла быть запеленгована точно, поскольку поступала она из одной точки, а не из целого пространства. И эта одна точка в Крабовидной туманности совпадала с центральной звездой, как совпадала она с центральной звездой и в туманности Гама.

Возникла мысль, что точно так же, как центральная звезда планетарной туманности — белый карлик, центральная звезда остатка сверхновой — пульсар. Иначе говоря, звезда, которая, взрываясь, становится сверхновой, коллапсирует в пульсар.

Но что такое пульсар?

Краткий период микроволновых импульсов показывает, что пульсар может пульсировать, вращаться или обращаться в течение каких-то секунд, иногда даже маленькой доли секунды. Ни одно тело не способно выдержать столь быстрые циклические изменения любого рода, если только оно не очень мало и не имеет очень сильного гравитационного поля, чтобы удержать его от разрушения в результате инерционных нагрузок от такого быстрого вращения.

Единственный известный объект, и малый по размеру, и с очень сильным собственным гравитационным полем, — это белый карлик, но даже и он недостаточно мал, а его гравитация недостаточно сильна для этого. Не оставалось ничего другого, как предположить, что пульсаром была нейтронная звезда. По крайней мере, у нее и размеры незначительные, и достаточно сильное гравитационное поле, непохоже, чтобы нейтронная звезда с ее неимоверно мощным гравитационным полем могла пульсировать. Не могла она в доли секунды и обращаться вокруг любого другого объекта (даже другой нейтронной звезды). Все же, за исключением всего прочего, оставалось одно, и это одно было: вращающаяся нейтронная звезда. Теоретически нейтронная звезда могла вращаться не только 30 раз в секунду, как это делает пульсар Крабовидной туманности, но даже тысячу и более раз в секунду. В ноябре 1982 г. был обнаружен пульсар, который посылал вспышки микроволн 640 раз в секунду, поэтому, судя по всему, он являлся нейтронной звездой, совершающей оборот вокруг своей оси немногим более чем за 1/1000 часть секунды. Его назвали «миллисекундным пульсаром».

Но почему вращающаяся нейтронная звезда должна обязательно посылать микроволновые вспышки?

Некоторые астрономы, в том числе Томас Голд (р. 1920), австриец по происхождению, занялись изучением этой проблемы. Они считали, что такая чрезвычайно уплотненная звезда должна иметь очень мощное магнитное поле и магнитные силовые линии должны как бы закручиваться спирально вокруг быстро крутящейся нейтронной звезды.

Учитывая чрезвычайно высокую температуру нейтронной звезды, она, по-видимому, должна испускать быстрые электроны, единственные объекты, движущиеся достаточно быстро, чтобы оторваться от звездной поверхности вопреки сильной гравитации. Поскольку электроны имеют электрический заряд, они будут улавливаться магнитными силовыми линиями, и единственное место, откуда они могут вырваться на волю, — это магнитные полюса нейтронной звезды. Эти магнитные полюса должны находиться на противоположных сторонах звезды, но не обязательно на полюсах вращения. (Магнитные полюса Земли, например, довольно далеки от ее полюсов вращения).

Когда электроны удаляются от нейтронной звезды, следуя круто изогнутой траектории, обусловленной магнитными силовыми линиями, они теряют энергию в виде россыпи радиации, в частности россыпи микроволн. При вращении нейтронной звезды один или же оба магнитных полюса пересекают луч «земного зрения», и мы получаем всплеск микроволн всякий раз, как это случается. Так пульсирует нейтронная звезда. Чем быстрее вращение, тем чаще пульсирование.

Так как возникающая радиация по мере потери ускользающими электронами своей энергии должна присутствовать на всей длине электромагнитного спектра, мы должны получать от вращающейся нейтронной звезды импульсы света, а также импульсы микроволн.

Однако свет пульсара в центре Крабовидной туманности кажется нам совершенно ровным. И это так, поскольку пульсар мерцает 30 раз в секунду; мы просто не можем воспринимать его иначе, подобно тому как на киноэкране мы видим движущееся изображение, хотя на самом деле на экран проецируется последовательность стоп-кадров со скоростью шестнадцать кадров в секунду.

В январе 1969 г., спустя три месяца после того, как впервые был обнаружен пульсар Крабовидной туманности, его свет был исследован методом стробоскопии, т. е. свет этот пропускали через щель, которая была открыта в течение всего одной тридцатой доли секунды. Когда это было сделано и звезда сфотографирована через очень краткие интервалы времени, обнаружилось, что у нее есть короткие интервалы света и такие же короткие интервалы темноты. Вспыхивая и потухая, звезда мерцала 30 раз в секунду. Это был «оптический пульсар».

Голд подчеркивал, что если отождествление пульсара с вращающейся нейтронной звездой правильно, то тогда эти нейтронные звезды медленно, но верно теряют свою энергию и скорость их вращения должна очень медленно, но неуклонно снижаться. Вспышка радиации должна приходить со все более длительной задержкой.

Когда 900 лет назад во время взрыва сверхновой образовалась Крабовидная туманность, она, по-видимому, вращалась в своих осях со скоростью 1000 оборотов в секунду. Она быстро теряла энергию, и за 900 лет существования, наверное, более 97 % ее было унесено в пространство. Эта утечка происходила до тех пор, пока она не стала кружиться со скоростью 30 оборотов в секунду. Период вращения должен со временем увеличиться еще больше, хотя, безусловно, это увеличение будет все более и более медленным.

Для проверки предположения Голда был тщательно измерен период вращения пульсара Крабовидной туманности, и оказалось, что его вращение действительно замедляется. Интервал между импульсами удлиняется каждый день на 34–48 миллиардных долей секунды, и при этой скорости вращения указанный интервал удвоится за 1200 лет.

Тот же феномен наблюдался и у других пульсаров, где период вращения оказался более долгим, чем у пульсара Крабовидной туманности, и где степень замедления поэтому тоже оказалась более медленной. Первый из открытых пульсаров, период вращения которого в 40 раз дольше, чем у пульсара Крабовидной туманности, замедляет свое вращение со скоростью, которая удвоит этот период по прошествии 16 млн. лет.

По мере того как пульсар замедляет свое вращение и удлиняет период пульсации, его импульсы слабеют. К тому времени, когда продолжительность периода перешагнет за четыре секунды, отдельные импульсы в энергетическом отношении будут не сильнее, чем общий фон Вселенной, фон, на котором их невозможно будет уже различить. И все же пульсары как обнаружимый объект будут напоминать о себе еще 3–4 млн. лет.

Однако существует одна деталь, которая не укладывается в описанную здесь четкую модель. Недавно открытый миллисекундный пульсар, о котором уже шла речь, делает один оборот быстрее чем за 1/1000 секунды, и, следовательно, должен быть очень молодым. Но остальные его параметры говорят о том, что на самом деле это очень старый пульсар. Плюс ко всему его период совсем не имеет заметной склонности к удлинению.

По какой же причине? Что удерживает его в столь быстром вращении? Самое разумное предположение — пульсар приобретает массу от близлежащей звезды-компаньона, при этом вращение его убыстряется.