Томас Голд объясняет пульсары

Коллеги-астрономы называли его Томми. Он родился в Австрии и вовремя успел эмигрировать в Англию. Там он учился, некоторое время работал вместе с Германом Бонди, как и он сам, эмигрантом, и с Фредом Хойлом, а затем переехал в США. Об открытии пульсаров он узнал, будучи преподавателем Корнельского университета в г. Итака (шт. Нью-Йорк). И вот, в то время как в научных журналах одна за другой публиковались скороспелые попытки объяснить существование пульсаров (сводившиеся, главным образом, к попыткам спасти гипотезу пульсирующих звезд), мысль Томми Голда пошла в совершенно ином направлении.

К регулярным периодическим движениям небесных тел относится и собственное вращение объектов. Солнце, например, совершает полный оборот вокруг своей оси за 27 суток; существуют звезды, которые вращаются гораздо быстрее. Не связана ли строгая периодичность пульсаров с каким-либо вращательным движением? Тогда объект должен был бы совершать полный оборот менее чем за секунду-в случае пульсара в Крабовидной туманности тридцать оборотов в секунду! Звезда, однако, не может вращаться сколь угодно быстро, поскольку при слишком высокой скорости она будет разрушена центробежными силами. Предельная скорость вращения звезды определяется величиной гравитации на поверхности звезды; для белого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секунду. Если бы скорость вращения белого карлика соответствовала периоду пульсара в Крабовидной туманности, то он не выдержал бы действия центробежных сил. С большей скоростью могла бы вращаться лишь более плотная звезда.

Это возвращает нас к нейтронным звездам: вероятно, периодические «вспышки» пульсара объясняются вращением нейтронной звезды. Для этого нейтронная звезда должна совершать оборот вокруг своей оси за долю секунды, и это вполне возможно: сила тяжести на поверхности нейтронной звезды достаточно велика. Нейтронная звезда может вращаться и гораздо быстрее.

Гипотезу Томми Голда, согласно которой пульсары являются вращающимися нейтронными звездами, астрофизики сразу же приняли как наиболее правдоподобную. Вековое увеличение периода пульсара объяснялось бы тогда постепенным замедлением вращения нейтронной звезды. Это вполне естественно: можно предположить, что энергия, посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения, черпается за счет энергии вращения нейтронной звезды. Вращение могло бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излучение, хотя в действительности торможение сильнее.

Ученые пришли к выводу, что энергия, высвобожденная в результате замедления вращения пульсара в Крабовидной туманности, расходуется не только на излучение самого пульсара, но и на излучение всей туманности. Этим разрешается и еще одно затруднение.

В то время как свечение обычных туманностей — например, планетарной туманности на рис. 7.5 или туманности Ориона на рис. 12.1 — обусловлено излучением атомов, свечение Крабовидной туманности имеет совершенно иное происхождение. Электроны, обладающие в результате взрыва Сверхновой огромной энергией, движутся здесь со скоростью, близкой к скорости света. В магнитном поле туманности электроны движутся по круговым орбитам, излучая при этом свет. Оставался нерешенным вопрос, почему эти электроны с 1054 г. движутся все так же быстро, почему они не замедлились, теряя свою энергию на излучение. Со временем интенсивность излучения должна ослабевать, и свечение Крабовидной туманности меркнуть. По-видимому, электроны пополняют свою энергию за счет какого-то внешнего источника. Теперь этот источник был найден. Если Томми Голд прав, то в Крабовидной туманности находится вращающаяся нейтронная звезда, которая, возможно, через свое магнитное поле передает энергию окружающему газу. Как гигантский пропеллер, вращается нейтронная звезда в туманности, обеспечивая электронам высокую скорость, а Крабовидной туманности — большую яркость. Запаса энергии вращения нейтронной звезды хватит еще на много тысячелетий.

Итак, мы нашли механизм, объясняющий регулярность посылаемых пульсаром импульсов. Однако нужно еще понять, как именно возникает радиоизлучение. Поскольку речь идет не о непрерывной волне, а об импульсе, при котором в течение большей части периода энергия равна нулю и лишь кратковременно энергия очень велика, можно предположить, что звезда посылает излучение в определенном направлении и мы регистрируем его в тот момент, когда луч вращающейся звезды-прожектора «чиркает» по Земле — точно так же, как с корабля видят луч вращающегося фонаря на маяке.

По всей видимости, нейтронная звезда обладает магнитным полем, подобно Земле, но значительно более сильным (мы вернемся к этому в гл. 10 в связи с рентгеновскими звездами). Предположим, что магнитная ось звезды не совпадает, как и у Земли, с ее осью вращения. При вращении нейтронной звезды магнитное поле также вращается, и получается картина, показанная на рис. 8.10: на поверхности вращающейся нейтронной звезды, обладающей магнитным полем, где нейтроны вновь превращаются в протоны и электроны, господствуют мощные электрические силы, под действием которых заряженные частицы уносятся прочь от звезды. Частицы движутся вдоль магнитных силовых линий в пространстве. Их энергии достаточно для того, чтобы Крабовидная туманность и сегодня, через тысячу лет после своего возникновения, могла светиться. Движение заряженных частиц поперек магнитных силовых линий затруднено, поэтому они покидают нейтронную звезду, главным образом в области ее магнитных полюсов, уходя вдоль искривленных силовых линий. Это схематически показано на рис. 8.10. Электроны, как самые легкие частицы, покидают звезду с самой большой скоростью, близкой, по всей видимости, к скорости света. Двигаясь со столь высокой скоростью по искривленной траектории, электрон излучает энергию, причем не во все стороны, а преимущественно в направлении своего движения. Таким образом, излучение звезды в целом направлено вдоль выходящих из звезды силовых линий магнитного поля. А так как магнитное поле вращается вместе со звездой, вращаются и конические пучки выходящего излучения. Удаленный наблюдатель видит их в тот момент, когда он попадает в один из этих двух конусов; для него нейтронная звезда будет вспыхивать с частотой, соответствующей скорости ее вращения. Многие астрофизики сегодня считают, что эта модель, напоминающая вращающийся прожектор морского маяка, во многом верна.

Рис. 8.10. Возможная модель возникновения сигналов пульсара. Вблизи магнитных полюсов N и S вращающейся нейтронной звезды электроны вылетают с близкой к световой скоростью вдоль магнитных силовых линий в пространство. При этом они излучают вблизи звезды энергию в направлении, близком к направлению вылета (красные волнистые стрелки). Поэтому от звезды в пространство идут два конуса излучения (справа), которые вращаются вместе со звездой. Эти конусы бегут в пространстве, как лучи двух прожекторов. Наблюдатель регистрирует излучение, только когда оказывается в луче. Ему кажется, что нейтронная звезда вспыхивает с частотой, соответствующей частоте ее вращения.

Вопросы, на которые нет ответов

Весной 1969 г. две обсерватории независимо одна от другой обнаружили, что медленное, но неуклонное нарастание периода пульсара нарушилось и интервал между двумя соседними импульсами сократился (рис. 8.11). Затем период вновь стал увеличиваться с прежней скоростью. Мы приняли, что пульсар является вращающейся нейтронной звездой, вращение которой постепенно замедляется из-за передачи энергии в окружающую среду. Что же могло заставить звезду ускорить свое вращение?

Рис. 8.11. Скачкообразное изменение периода пульсара. Период пульсара постепенно увеличивается, затем скачком уменьшается (справа вверху) и снова продолжает расти.

Изменение периода происходит скачкообразно. Физики-ядерщики, лучше знакомые с нейтронами, чем астрофизики, высказали такое предположение. На поверхности нейтронной звезды образовались прочные корки-«плиты», которые при охлаждении нейтронной звезды, оставшейся после взрыва сверхновой, отрываются одна от другой. В результате подобных сдвигов и оползней скорость вращения нейтронной звезды может увеличиваться. Объясняет ли это резкое сокращение периода, которое с тех пор наблюдалось уже неоднократно? Глобальные движения земной коры действительно сказываются на скорости вращения Земли и, следовательно, на продолжительности суток. Наблюдается ли нечто подобное и у пульсаров? Не являются ли наблюдаемые скачки их периода свидетельством происходящих в них катаклизмов? В последнее десятилетие значительные успехи достигнуты в новой области наблюдательной астрономии — так называемой гамма-астрономии. Гамма-излучение можно рассматривать как свет с очень малой длиной волны, еще более короткой, чем у рентгеновского излучения. Гамма-излучение обладает очень высокой энергией: отдельный гамма-квант несет примерно в миллион раз больше энергии, чем квант видимого света. Однако гамма-излучение, как и рентгеновское, почти не проходит сквозь атмосферу Земли, поэтому исследование приходящих из Вселенной гамма-лучей началось лишь после того, как с помощью ракет и спутников наблюдения стали осуществляться из космоса. К наиболее впечатляющим открытиям в области гамма-астрономии относится тот факт, что многие пульсары посылают импульсы и в гамма-диапазоне. Благодаря огромной энергии гамма-квантов складывается впечатление, что именно гамма-излучение является для пульсаров основным, в то время как радиоизлучение, по которому пульсары были впервые обнаружены, оказывается скорее побочным эффектом, который можно уподобить звуку, сопровождающему разрыв снаряда. Гамма-импульсы идут в том же ритме, что и радиоимпульсы, но не совпадают с ними. Явления, связанные с гамма-излучением пульсаров, до сих пор не поняты.

С точки зрения астрономов пульсары представляют еще одну сложность. В настоящее время уже известно такое количество пульсаров, что можно предположить существование в одной только нашей Галактике около миллиона активно действующих пульсаров. С другой стороны, несколько последних десятилетий ведутся наблюдения удаленных галактик с целью установить, какое количество взрывов сверхновых происходит в среднем за столетие. Это позволяет сделать вывод о том, сколько нейтронных звезд возникло с древнейших времен в нашем Млечном Пути. Оказывается, что число пульсаров значительно превосходит то количество нейтронных звезд, которое могло образоваться в результате взрывов сверхновых. Значит ли это, что пульсары могут возникать и иным путем? Быть может, некоторые пульсары образуются не в результате взрывов звезд, а в ходе менее эффектных, но более упорядоченных и мирных процессов?[24]

За открытие пульсаров Энтони Хьюишу в 1974 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Открытие действительно было выдающимся, и лишь название оказалось неточным. Пульсары вовсе не пульсируют. Это название дали им тогда, когда еще полагали, что это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширяются и сжимаются. Теперь мы знает, что пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды. Однако название прижилось. Но можем ли мы быть полностью уверены в том, что Томми Голд прав? Действительно ли пульсары — это нейтронные звезды? Тень сомнения оставалась у астрофизиков до тех пор, пока не были обнаружены рентгеновские звезды. Но о них мы узнаем в гл. 10.

Глава 9