Пульсар в Крабовидной туманности — видимая звезда

Это удалось обнаружить описанным выше методом. Используемая аппаратура в целом работала по аналогичному принципу, только исследовался не весь участок неба сразу, а каждая звезда по отдельности. Вместо того чтобы наблюдать звезду на нескольких телеэкранах, ее свет направляли поочередно на счетчики фотонов в соответствии с периодом пульсара Крабовидной туманности. Схема подобного измерения иллюстрируется на рис. 8.7. Если свет звезды не пульсирует, то все счетчики отмечают примерно одинаковое число световых квантов. Если же от звезды идут вспышки с той же периодичностью, что и у сигналов пульсара, то будут срабатывать те счетчики, которые задействованы в момент прихода светового импульса; остальные же датчики ничего не регистрируют. Таким образом, за достаточно долгое время показания счетчиков, на которые приходится «активная» доля периода, будут большими, а показания остальных счетчиков, в которые попадает лишь фоновый свет от темного ночного неба, остаются почти на нуле. Как говорят, подобная система счетчиков «накапливает» импульс.

Рис. 8.7. Аналогичная схема, показывающая метод определения того, посылает ли звезда свет в виде импульсов. Свет с известной периодичностью (определенной по периоду радиоимпульсов) пробегает ряд счетчиков световых квантов. Здесь показано четыре счетчика, изображенных в виде ящиков, в которых «накапливаются» световые кванты (красные точки). Период делится на четыре интервала; кванты, поступившие за первый интервал, попадают в «ящик» 1, за второй в «ящик» 2 и т. д. В нашем случае больше всего квантов насчитал счетчик 3, остальные счетчики почти пусты.

В ноябре 1968 г. два молодых астронома, Уильям Джон Кок и Майкл Дисней, решили провести три ночных дежурства на 90-сантиметровом телескопе обсерватории Стюарда в Тусоне (шт. Аризона). Ни тот ни другой не имели еще опыта астрономических наблюдений, и они хотели воспользоваться ночными дежурствами, чтобы познакомиться с работой на телескопе. Они еще размышляли о том, что именно будут наблюдать, когда в начале декабря в журнале «Science» появилось сообщение об открытии пульсара в Крабовидной туманности. Это натолкнуло молодых астрономов на мысль попытаться обнаружить видимое излучение пульсара, тем более, что необходимая для этого электронная аппаратура уже имелась в институте. Дональд Тейлор построил эту аппаратуру для совершенно других целей и воспользовался ею как «приданым», чтобы быть включенным в группу наблюдателей. Итак, в отношении техники все было в порядке. И хотя никаких гарантий успеха не было никому ведь еще не удавалось отождествить пульсар с видимой звездой, — Кок и Дисней имели возможность познакомиться с работой на телескопе, а Тейлор — испытать свои приборы.

К началу января измерительная аппаратура была смонтирована на горе Китт-Пик,[22] и 11 января телескоп был впервые направлен на Крабовидную туманность. Для каждой звезды измерения проводились в течение 5000 периодов пульсара, причем за каждый период световой сигнал распределялся последовательно между несколькими счетчиками. Но ни одна звезда в исследованной области не давала накопления импульса на счетчиках, и 12 января Тейлор вернулся в Тусон. Помогать Коку и Диснею остался Роберт Мак-Каллистер, обслуживающий электронную аппаратуру. 12 января погода начала портиться, а результатов все не было. Еще две ночи, отведенные на это исследование, пропали из-за плохой погоды, и все предприятие, казалось, было обречено на неудачу.

Как часто все решает случай! Уильям Тиффт — наблюдатель, чье дежурство начиналось с 15 января, уступил незадачливым новичкам ночи 15 и 16 января, чтобы они смогли вновь попытать счастья. Здесь я прервусь и предоставлю слово самому Диснею.

«Пятнадцатого днем было облачно, но к вечеру небо прояснилось. Мы начали ровно в 20 часов. Тейлор был еще в Тусоне; Кок и я сменяли друг друга у телескопа, а Мак-Каллистер работал с аппаратурой Тейлора. Для начала мы сделали замер от темного неба, в стороне от звезд. Для следующего измерения мы выбрали звезду, которую Вальтер Бааде обозначил как центральную звезду Крабовидной туманности. Всего тридцать секунд потребовалось для того, чтобы прибор показал нарастающее накопление импульса на счетчиках. Заметен был и слабый вторичный импульс, отстоящий от главного примерно на половину периода; он был значительно шире и не такой высокий. В то время как Мак-Каллистер продолжал спокойно обслуживать аппаратуру, мы с Коком поминутно переходили от истерического возбуждения к глубочайшей депрессии. Действительно ли это пульсар или просто какие-то ложные аппаратурные эффекты? Ведь частота пульсара была в точности равна половине промышленной частоты переменного тока в США. Но при повторном измерении импульс вновь появился во всей своей красе, и настроение под куполом обсерватории поднялось.

В 20.30, через полчаса после начала наблюдений, позвонил Тейлору. Он отнесся к моему сообщению скептически и предложил изменить кое-что в аппаратуре, чтобы устранить возможные ошибки. Лишь на следующую ночь, наблюдая своими глазами за накоплением импульса, он перестал сомневаться.

В 22.10 мы позвонили своим женам, и нам с трудом удалось уговорить их не приезжать тотчас же к нам на гору. В 1.22 появились облака. Наблюдения были окончены. У трех наблюдателей в обсерватории не было ни малейшего сомнения в том, что им посчастливилось открыть первый оптический пульсар». На этом кончается рассказ Диснея.

Теперь и другие астрономы стали искать подтверждения открытия. На рис. 8.8 приведены два снимка, полученные по принципу, иллюстрируемому на рис. 8.6. Пульсар, отсутствующий на правом снимке, оказывается нижней из двух центральных звезд на рис. 8.5 (он отмечен стрелками на правом и нижнем полях снимка). С помощью рис. 8.5 можно отыскать пульсар на рис. 7.6, где Крабовидная туманность изображена полностью.

Рис. 8.8. Два снимка, полученные по методу двух телевизионных изображений (см. рис. 8.6), позволяют выявить звезду со снимка на рис. 8.5, которая посылает свет импульсами в ритме пульсара Крабовидной туманности. На рис. 8.5 эта звезда помечена белыми метками на правом и нижнем полях. Сравнивая рис. 8.5 и 7.6, легко найти на снимке пульсар Крабовидной туманности, который здесь ничем не отличается от других звезд. (Фото Ликской обсерватории.)

Что такое пульсар?

После открытия пульсара в Крабовидной туманности стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны со взрывами сверхновых. По-видимому, сигналы пульсара идут от того объекта, который остается на месте взрыва сверхновой. Это предположение подтверждается и другим пульсаром, излучение которого исходит из области, где наличие газовых масс указывает на происшедший ранее взрыв сверхновой. Этот взрыв, по всей вероятности, произошел очень давно, задолго до аналогичного события в Крабовидной туманности. В созвездии Паруса разлетающиеся газовые массы выглядят уже не как компактное пятно, а как отдельные «нити», имеющие большую протяженность. Период этого пульсара на 0,09 секунды больше периода пульсара в Крабовидной туманности. Это третий[23] из самых быстрых известных пульсаров. С самого начала велся поиск этого объекта в видимой области спектра. Но успеха удалось добиться лишь в 1977 г.: письмо, полученное 9 февраля редакцией журнала «Nature», в котором говорилось об отождествлении пульсара в созвездии Паруса с видимой звездой, было подписано двенадцатью авторами. Отметим, что наряду с этими двенадцатью учеными, работающими в Англии и Австралии, в предшествующие восемь лет многие астрономы на лучших телескопах мира занимались поисками видимой звезды, «мигающей» в том же ритме, что и пульсар в созвездии Паруса. Так что становится ясно, сколь масштабному всемирному бдению был объявлен отбой этой заметкой. Между прочим, Майкл Дисней, участвовавший в открытии оптического пульсара в Крабовидной туманности, входил и в эту группу ученых.

У всех остальных пульсаров нет и следа излучения в видимой области. Это наводит на следующую мысль. Что бы ни представляли собой пульсары, они возникают в результате взрыва сверхновой. Вначале период пульсара мал еще меньше, чем у пульсара в Крабовидной туманности. Такой пульсар излучает не только в радиодиапазоне, но и в видимой области спектра. С течением времени частота импульсов уменьшается. Не более чем за тысячу лет период пульсара становится равным периоду пульсара в Крабовидной туманности, а затем достигает и периода пульсара в созвездии Паруса. Наряду с увеличением периода ослабевает и интенсивность излучения в видимой области. Когда период пульсара превышает одну секунду, его оптическое излучение давно уже исчезло, и его удается обнаружить лишь по импульсам в радиодиапазоне. Поэтому с видимыми источниками отождествлены лишь два пульсара с самыми короткими периодами. Они относятся к самым молодым пульсарам, и вокруг них удается даже различить газовые облака — останки сверхновых. Более старые пульсары давно уже растратили свою способность излучать в видимой области.

Но что же такое пульсары? Что остается, когда жизнь звезды заканчивается гигантским взрывом? Мы уже знаем, что пространственная область, из которой исходит излучение пульсара, должна быть очень малой. Какие же процессы могут происходить в столь малой области так быстро и с такой регулярностью, чтобы можно было привлечь их к объяснению феномена пульсара? Быть может, это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически «раздуваются» и вновь сжимаются? Но в таком случае плотность звездного вещества должна быть очень высокой, так как лишь тогда период осцилляции может быть достаточно малым (вспомним, что период изменения блеска цефеид составляет несколько суток). Нас же интересуют объекты, которые способны осциллировать с периодом в сотые доли секунды. Даже самые плотные из известных нам звезд, белые карлики, неспособны совершать столь быстрые колебания. Возникает вопрос: могут ли звезды иметь еще более высокую плотность, звезды, оставляющие по плотности далеко позади белые карлики с их тоннами на кубический сантиметр?

Первые соображения на этот счет высказали один советский физик и два астронома из Пасадены задолго до обнаружения пульсаров. Лев Ландау (1908–1968) в 1932 г. доказал, что вещество с еще более высокой плотностью может находиться в равновесии с гравитационными силами. Тогда же в Пасадене на самом большом по тем временам телескопе в мире работал выходец из Германии Вальтер Бааде. Он был, несомненно, одним из лучших астрономов-наблюдателей нашего столетия. Там же работал и швейцарец Фриц Цвикки, человек столь же напористый, сколь и неистощимый на выдумки. Еще в 1934 г. эти два ученых утверждали, что смогут существовать звезды с исключительно высокой плотностью — как предсказывал и Ландау, — звезды, состоящие почти полностью из одних нейтронов. В 1939 г. физики Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков поместили в американском физическом журнале «Physical Review» статью о нейтронных звездах. Имя одного из авторов этой статьи стало известно во всем мире задолго до того, как астрономы всерьез занялись нейтронными звездами: Оппенгеймер сыграл ведущую роль в создании американской атомной бомбы.

Оппенгеймер и Волков доказали, что звездное вещество, в котором электроны и протоны соединились в нейтроны, может удерживаться в виде шара собственными гравитационными силами. Зная свойства нейтронного вещества, можно осуществить теоретический расчет нейтронных звезд. Анализ математической модели нейтронной звезды показывает, что плотность ее должна быть очень велика: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с поперечником 30 километров в кубическом сантиметре содержатся миллиарды тонн нейтронной материи (рис. 8.9). Но нейтронные звезды, если заставить их осциллировать, будут делать это гораздо быстрее, чем пульсары. Поэтому в качестве объяснения периода пульсаров объемная осцилляция нейтронных звезд не подходит.

Рис. 8.9. Солнце, белый карлик, Земля и нейтронная звезда в сравнении между собой. От Солнца на рисунке поместился только край.

Итак, мы вновь вернулись к тому, с чего начали. Мы искали плотные звездоподобные объекты, которые могли бы совершать достаточно быстрые колебания, — и белые карлики оказались слишком медленными, а гипотетические нейтронные звезды слишком быстрыми.