Пульсары имеют малые размеры

Более всего пульсары поразили астрономов тем, что интенсивность их излучения изменялась чрезвычайно быстро. У наиболее «быстрых» переменных звезд период, с которым изменяется их блеск, может составлять один час или того меньше. Блеск белого карлика в двойной звездной системе Новой 1934 года в созвездии Геркулеса (мы вернемся к этой системе в гл. 9) изменяется с периодом 70 секунд-но пульсары оставили этот рекорд далеко позади. На это указывали и исследования, проведенные в последующие месяцы: с чем более высоким временным разрешением регистрировались импульсы, тем яснее просматривалась их тонкая структура, показывавшая, что интенсивность радиоизлучения изменяется за десятитысячные доли секунды (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Отдельный импульс, полученный с высоким временным разрешением. Сигнал пульсара имеет сложную тонкую структуру.

По скорости изменения интенсивности излучения можно оценить размеры той области пространства, из которой оно исходит. Рассмотрим для простоты полусферу, удаленную от наблюдателя на столь большое расстояние, что и невооруженным глазом, и в телескоп она выглядит просто точкой (рис. 8.3). Пусть на поверхности сферы происходит очень короткая вспышка света. Что же видит удаленный наблюдатель? Излучение распространяется от сферы со скоростью света. Поскольку расстояние от наблюдателя до различных точек сферы неодинаково, излучение, одновременно испущенное всеми точками сферы, приходит к наблюдателю в различные моменты времени: вначале поступает сигнал от центра «видимого диска», который ближе всего к наблюдателю, затем от окружающей его области, и, наконец, от краев. Таким образом, регистрируемый наблюдателем импульс «размазывается» — он имеет большую длительность, чем исходный короткий импульс света. Продолжительность импульса увеличивается на то время, за которое свет проходит расстояние, равное радиусу сферы. Сказанное можно распространить не только на короткие световые импульсы, но и на любые изменения яркости свечения сферы, поскольку сигнал, соответствующий как уменьшению, так и увеличению яркости, доходит до наблюдателя от различных точек сферы за неодинаковое время. «Размазывание» сигнала будет наблюдаться и в том случае, когда форма излучающего объекта отличается от сферической.

Рис. 8.3. Световой импульс (слева вверху), испускаемый сферической поверхностью, для удаленного наблюдателя размазывается во времени (внизу справа), поскольку сигналы от разных точек поверхности приходят не одновременно.

Таким образом, если регистрируемые изменения яркости источника происходят, скажем, за десятитысячные доли секунды, то из этого следует, что размеры источника не могут быть существенно больше того расстояния, которое свет проходит за это время, т. е. 30 километров. Если бы источник имел большие размеры, то изменения яркости «размазывались» бы на более длительное время. В пределах одного импульса интенсивность изменяется в течение одной десятитысячной доли секунды; это видно по крутым фронтам зубцов на кривой на рис. 8.2. Поскольку радиоизлучение распространяется со скоростью света, из этого можно заключить, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров. Подобные размеры чрезвычайно малы по сравнению с теми, с которыми мы привыкли иметь дело во Вселенной. Диаметр белых карликов составляет несколько десятков тысяч километров; диаметр Земли равен примерно 13 000 километров. Таким образом, сигналы пульсаров несут сведения о том, насколько малы те области пространства во Вселенной, из которых исходит это чрезвычайно интенсивное радиоизлучение.

Вскоре из разных мест земного шара стали поступать сообщения о вновь открываемых пульсарах. Сегодня их известно более трехсот. Периоды их лежат в пределах от нескольких сотых до 4,3 секунды. Хотя по форме отдельные импульсы не вполне повторяют друг друга, период пульсара отличается высоким постоянством. Иногда импульсы пропадают, но после возобновления приема следуют в точности в прежнем ритме.

Впоследствии удалось записать отдельные импульсы с более высоким разрешением. При этом выяснилось, что они обладают еще более тонкой структурой, чем показано на рис. 8.2. Рекордная быстрота изменения интенсивности составляет 0,8 х 10^-6 секунды. Это означает, что излучение исходит из области, не превышающей 250 метров в поперечнике.

Уже в первый год после открытия пульсаров обнаружилось, что период многих из них постепенно увеличивается: со временем пульсары становятся «медленнее». Однако частота следования импульсов изменяется очень незначительно: чтобы период пульсара удвоился, должно пройти примерно 10 миллионов лет.

Можно ли увидеть пульсары?

Что же представляют собой пульсары? Находятся ли они вблизи Солнечной системы или так же далеки от нас, как другие галактики? Легко видеть, что пульсары располагаются среди звезд нашего Млечного Пути. Мы уже знаем, что светлая полоса Млечного Пути, которую мы видим на небе, это множество звезд, расположенных в плоскости нашей Галактики. Особенно много звезд удается различить, если смотреть по направлению к центру Галактики. Если нанести на карту звездного неба все известные пульсары, то они окажутся распределенными среди звезд нашей Галактики, преимущественно в районе Млечного Пути (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Распределение 300 пульсаров на небе. Вся небесная сфера спроецирована на овальную координатную сетку; Млечный Путь тянется вдоль горизонтальной оси («экватора»); центр Млечного Пути находится в середине координатной сетки. Пульсары, как видно, располагают в основном вблизи Млечного Пути (по А. Лайну)

Таким образом, пульсары распределены в пространстве так же, как и звезды: они равномерно размещаются среди звезд. Это значит, что проходит не одна тысяча лет, пока сигналы от некоторых пульсаров достигнут земных радиотелескопов. Соответственно, излучение пульсаров должно иметь невероятную интенсивность, чтобы его, несмотря на гигантские расстояния, можно было зарегистрировать на Земле. И эта энергия исходит из области, диаметр которой не превышает 250 метров! Как только был открыт первый пульсар и его местонахождение на небесной сфере было точно определено, этот участок неба стали исследовать оптическими телескопами. Звезда, координаты которой попали в область, указанную радиоастрономами, оказалась самой обыкновенной. По всей видимости, она не имела ничего общего с приходящим по этому направлению радиоизлучением. Сам же пульсар оставался невидимым.

Осенью 1968 г. были обнаружены сигналы с периодом всего лишь 0,03 секунды от пульсара в Крабовидной туманности. Сигналы пульсара шли из облака, образованного останками Сверхновой 1054 года, отмеченной в китайских и японских летописях! Нельзя ли отождествить с пульсаром какой-либо из звездоподобных объектов в Крабовидной туманности (см. рис. 7.6 и 8.5)?

Рис. 8.5. Центральная область Крабовидной туманности (ср. с рис. 7.6). Изображенный здесь участок легко соотнести с областью в центре фотографии на рис. 7.6. (Снимок получен в первичном фокусе рефлектора Шейна Ликской обсерватории Дж. Скарглем.)

Как же определить, является ли видимая звезда источником пульсирующего радиоизлучения или нет? Быть может, оптическое излучение от звезды тоже пульсирует? Однако человеческий глаз не способен заметить пульсации света от столь слабого источника. Не особенно выручают и фотографические методы: в том месте, где на фотопластинку попадает свет звезды, она засвечивается вне зависимости от того, пульсирует попадающий на нее свет или нет.

Поэтому, чтобы выявить пульсации видимого излучения звезды, приходится применять специальные методы. С телескопом соединяют телевизионную камеру, и оптическое изображение передается на два телеэкрана (рис. 8.6). Период импульсов радиоизлучения нам уже известен; в течение одной половины периода изображение поступает на экран А, а в течение другой половины-на экран В. Если видимое излучение объекта пульсирует в том же ритме, что и радиоизлучение, то может в принципе получиться так, что импульс будет всегда наблюдаться на экране А, а на экран В изображение поступает в те промежутки, когда импульса нет. Те источники, свет которых пульсирует с иной периодичностью, будут иметь на обоих экранах одинаковую яркость. Остается, таким образом, только сравнить изображения на двух экранах, чтобы выяснить, не изменяется ли видимая яркость какой-либо звезды с тем же периодом, что и радиоизлучение.

Рис. 8.6. Так определяют, светит ли звезда постоянно или испускает отдельные импульсы. Вверху: прямое изображение группы звезд. Ниже показан график световых импульсов одной из звезд. С помощью телевизионной камеры изображение поочередно подается на два экрана А и В; во время импульса изображение всегда попадает на экран А; пауза приходится всегда на экран В. Сравнивая изображения на двух экранах, можно определить звезду, свет которой пульсирует. (Для иллюстрации принципа взято изображение ковша Большой Медведицы; в действительности показанная здесь звезда не является пульсаром; она совершенно безобидна и светит равномерно.)