Текст книги "Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров"
Автор книги: Павел (Песах) Амнуэль
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)
Почему же сверхновая 1680 года была такой слабой? Дело в том, что в плоскости любой спиральной галактики, и нашей в том числе, очень много пыли и газа. Свет, проходя через эти туманности, поглощается и рассеивается. А наше Солнце находится как раз вблизи галактической плоскости. Мы видим нашу Галактику будто сквозь плотные светофильтры, сквозь темные очки. Блеск некоторых звезд доходит до нас ослабленным в десятки раз! Поэтому мы можем и не заметить даже такое явление, как вспышка сверхновой, что и показала наглядно история со звездой Д. Флэмстида.
Как же оценить, сколько сверхновых вспыхивает в Галактике, если мы их и видим-то далеко не все? Сразу скажем, что надежность таких оценок невелика, но они все же есть. За тысячу лет в небе Земли вспыхнули шесть сверхновых: в 183, 1006, 1054, 1572, 1604 и 1680 годах (правда, последнюю вспышку, кроме Д. Флэмстида, никто не наблюдал). Получается примерно одна вспышка в 170 лет.
Нужно, однако, учесть следующее. Мы наверняка не увидим вспышку, если она произошла за центром Галактики. Так что можно сказать, что лишь третья или даже четвертая часть Галактики доступна патрулированию сверхновых. И значит, реально сверхновые должны вспыхивать в Галактике в три-четыре раза чаще, то есть каждые 40–60 лет. Это не противоречит и тем оценкам, которые получены по исследованиям вспышек сверхновых в других галактиках, подобных нашей. Точность невысока? Что делать, лучшая точность оценок сейчас невозможна…
Теперь нужно подсчитать, как часто рождаются пульсары. К сожалению, частота рождений пульсаров известна с еще меньшей надежностью. За годы, прошедшие после открытия пульсаров, на эту тему было опубликовано много работ. За рубежом вели исследования Р. Манчестер, Дж. Тейлор, М. Ланг, М. Стефане, в СССР – О. X. Гусейнов и Ф. К. Касумов. Выводы всех астрофизиков в общем близки друг к другу: пульсары в Галактике возникают довольно редко, в среднем один пульсар в 30 лет – вот частота их рождения (видите, это число близко к частоте вспышек сверхновых!).
Однако вопрос о том, совпадает ли частота рождений пульсаров с частотой вспышек сверхновых, – все еще открытый вопрос. Здесь есть над чем подумать и наблюдателям, и теоретикам. Слишком уж пока невелика точность оценок.
Еще одна актуальная проблема, связанная с пульсарами: сколько времени пульсар «живет»? Сколько времени проявляет активность нейтронная звезда? Есть пульсары очень молодые (например, пульсар в Крабовидной туманности), а есть чрезвычайно старые, возраст которых перевалил за миллиард лет. Впрочем, последним оценкам особенно доверять нельзя. Они получены по измерениям замедления периода пульсаций. А если период испытал сбой, если в пульсаре много раз происходили «звездотрясения»? Конечно, среди пульсаров есть и «юноши», и «старички», астрофизиков же интересует вопрос: сколько времени пульсар живет в среднем?
Опять приходится обращаться к статистическим исследованиям. И опять оценки получаются не очень-то надежными. По-видимому, через несколько миллионов лет после образования пульсара излучение его резко ослабевает, и пульсар «выключается». Несколько миллионов лет – недолгий срок по астрономическим масштабам времени. Один галактический год – время полного оборота Солнца вокруг центра Галактики – продолжается 200 миллионов лет. Значит, пульсар в среднем «живет» всего-то одну-две галактические недели!
Причина угасания излучения пульсаров понятна: вращение нейтронной звезды тормозится, вращательная энергия уменьшается, таинственный механизм генерирует все меньше быстрых частиц. Да и магнитное поле пульсара может со временем ослабевать, и пока неизвестен механизм, который мог бы воссоздавать это поле. А может быть, как считают советские астрофизики О. X. Гусейнов и И. М. Юсифов, со временем сближаются друг с другом магнитная ось пульсара и ось вращения. Как мы уже знаем, при этом и эффект пульсара неизбежно пропадает…
Сейчас, через двадцать лет после открытия пульсаров, мы все еще ничего не знаем о том, что происходит в их недрах. Раньше говорили, что нейтронная звезда – мертвое тело. Потом оказалось – нет, она живет! Момент смерти отодвинули на несколько миллионов лет. Но может, и тогда звезда не умирает? Может, включаются новые источники энергии, не связанные с вращением? А если даже и не так, если нейтронная звезда-пульсар, прожив половину галактического месяца, угасает окончательно – неужели нет способа такую звезду все же обнаружить?
Способ есть, и мы его уже обсуждали. Вспомним идею Я. Б. Зельдовича о том, что огромное поле тяжести нейтронной звезды должно притягивать газ и разгонять его до скорости около 100 тысяч км/с. Когда такой газ достигает поверхности нейтронной звезды, возникает, говорили мы, рентгеновское излучение. Открытие пульсаров отвлекло нас от обсуждения этой идеи. Но астрофизики об аккреции никогда не забывали. Пока считается, что нейтронная звезда, замедлив вращение, перестает быть радиомаяком, аккреция остается единственным физическим процессом, наблюдая который мы можем надеяться отыскать старые нейтронные звезды. Впрочем, они уже давно открыты! В ходе расследования мы уже говорили о рентгеновских источниках. Гипотеза о том, что это горячие нейтронные звезды, быстро погибла. И осталась жить гипотеза об аккреции.
Большинство ярких рентгеновских источников – это двойные звездные системы. Одна звезда в системе – обычная. А вторая – релятивистская: нейтронная звезда или даже черная дыра. Мы говорили, что звезды, эволюционируя, «худеют», теряют вещество. В двойной системе звезда теряет массу охотнее – ведь рядом находится другая звезда, и ее тяготение буквально «выдирает» вещество с поверхности звезды-соседки. Возникает поток плазмы – струя течет от обычной звезды к релятивистской. Около релятивистской звезды образуется нагретый до миллионов градусов газовый диск, где и возникает рентгеновское излучение.
И вот что важно. Если нейтронная звезда одиночна (как, например, южная звезда в Крабовидной туманности), то измерить ее массу прямыми наблюдениями невозможно – современная астрономия таких методов не знает. Иначе обстоит дело, если нейтронная звезда входит в двойную систему. Законы Кеплера связывают период обращения звезд в двойной системе, расстояния между звездами и их массы. Период обращения звезд друг около друга надежно и очень точно определяется из наблюдений. Например, в системе рентгеновского источника Геркулес Х-1 нейтронная звезда, обращаясь около звезды обычной, каждые 1,7 суток скрывается за ней. Происходит затмение рентгеновского источника. Значит, и период обращения звезд в этой системе равен именно 1,7 суток. Теперь можно оценить и массы звезд. По современным данным, нейтронная звезда здесь имеет массу 1,3–1,5 массы Солнца. Такая же нейтронная звезда находится в системе Центавр Х-3 и, видимо, в знаменитой системе Скорпион Х-1, первом из открытых рентгеновских источников.
А вот в системе Лебедь Х-1 нейтронной звезды, по-видимому, нет. Дело в том, что релятивистская звезда здесь имеет массу не менее 3 масс Солнца. Нейтронная звезда не может быть такой массивной! Так утверждает теория. Значит, здесь черная дыра? Астрофизики все больше склоняются к мнению, что так оно и есть. Но сомнения все же остаются, потому что все аргументы – косвенные. Да, масса релятивистского компонента велика. Но, может, теория все-таки ошибается? Существуют работы, согласно которым нейтронная звезда может обладать массой до 5 масс Солнца. Да, рентгеновский источник Лебедь Х-1 обладает странной особенностью – его излучение испытывает хаотические колебания яркости, меняясь за очень короткое время – сотые доли секунды. Это совсем не характерно для нейтронной звезды-пульсара, но похоже на то, как должен излучать газ вблизи от черной дыры. Но и это лишь косвенная улика! И все же астрофизики почти уверены в том, что в системе Лебедь Х-1 находится черная дыра.
Что ж, обнаружить и старую нейтронную звезду, давно переставшую быть пульсаром, и даже черную дыру можно, если они находятся в двойной системе, если они «вытягивают» к себе вещество звезды-соседки. Увидеть мы можем, но речь идет о том, чтобы узнать – сколько их, этих старых нейтронных звезд и этих загадочных черных дыр. Ведь мы взялись ответить на вопрос: как часто они образуются? Всегда ли при взрывах сверхновых? Пульсары нам ответа не дали – слишком ненадежны, неточны числа. Не помогут и рентгеновские двойные системы – здесь статистика еще хуже, очень многое приходится оценивать «на глазок»… Так и не могут астрономы-наблюдатели даже через двадцать лет после открытия пульсаров ответить на простой, казалось бы, но очень каверзный вопрос, заданный Ф. Цвикки более чем полвека назад.
* * *
Если не могут помочь наблюдения, может быть, обратиться к теории?
Теорию вспышек массивных звезд как сверхновых начали впервые разрабатывать в 1966 году У. Фаулер и Ф. Хойл. Их коллеги С. Колгейт и Р. Уайт продолжили исследования, рассмотрев, как могут взрываться менее массивные звезды – до 1,5 массы Солнца.
Вы еще не забыли о противоречии, о котором говорилось в начале этой главы? Коллапс протекает очень быстро – за минуты или даже секунды должна выделиться энергия до 1053 эрг. Но такая большая энергия не может выделиться так быстро. Нам неизвестен механизм, который мог бы отобрать у звезды и рассеять в пространстве 1053 эрг энергии за считанные секунды! Как избавиться от противоречия? Либо отказаться от быстрого коллапса, либо придумать «холодильник», который отбирал бы у звезды излишки энергии и рассеивал их. Оставлять энергию в коллапсирующем ядре звезды нельзя – огромные, в сотни миллиардов градусов, температуры замедлят коллапс и могут даже остановить его, а нам это вовсе ни к чему. Что делать?
Воспользуемся опять теорией решения изобретательских задач – ведь нам нужно сделать научное изобретение. В ТРИЗ первый шаг к решению задачи заключается в формулировке так называемого ИКР – идеального конечного результата. Что должно произойти в идеальном случае? В идеальном случае выделяющаяся потенциальная энергия должна превращаться в такой вид энергии, который сам и беспрепятственно исчезал бы из звезды. Была энергия – и нет ее! А все остальное вещество и не почувствовало.
Психологическая инерция возражает – это невозможно… Но все-таки, что мешает энергии сразу исчезнуть из звезды? Мешает плотное вещество звезды, которое при коллапсе еще больше уплотняется. Энергия пробирается наружу постепенно, преодолевая слой за слоем. Мы уже говорили раньше, что тепло, выделившееся в центре Солнца, достигнет его поверхности через многие годы. При коллапсе все процессы идут быстрее, потому что температура значительно выше, но и тогда речь идет о днях, часах, но не о секундах!
Итак, помеха ясна: звезда непрозрачна для энергии. Что нужно сделать, чтобы устранить помеху?
Нужно сделать звезду прозрачной. Разве нет в природе частиц, для которых прозрачна любая звезда? Частиц, которые способны пронизать звезду и, не почувствовав этого, улететь в космос? Есть такие частицы – нейтрино!
Итак, нужно, чтобы в сжимающемся ядре звезды прошли реакции с выделением нейтрино. Нейтрино уйдут в пространство и унесут весь излишек энергии. Все 1053 эрг, не избавившись от которых мы не сможем сформировать нейтронную звезду.
Именно такое решение и описали в своей работе С. Колгейт и Р. Уайт. При катастрофическом коллапсе электроны захватываются протонами, возникают нейтроны и нейтрино. Реакция нейтронизации, мы уже говорили о ней. В сущности, мы убиваем двух зайцев. Получаем нейтроны, из которых состоит нейтронная звезда, и нейтрино, которые уносят огромную энергию. После С. Колгейта и Р. Уайта было проведено очень много расчетов катастрофического коллапса, и сейчас уже общепризнанно, что именно нейтрино и антинейтрино уносят из звезды практически всю выделившуюся гравитационную энергию. Около 1053 эрг.
Нейтрино в принципе могут унести и всю энергию без остатка. На самом же деле в процессе катастрофического сжатия наступает момент, когда даже вездесущие нейтрино не могут больше «продраться» сквозь вещество звезды. Нейтрино начинают поглощаться. Те нейтрино, которые успели покинуть звезду, уносят почти всю энергию, а те, что остались вдруг запертыми, наталкиваются на вещество ядра как на стенку, поглощаются этим веществом, передают ему свою, все еще большую энергию, и… оболочка, получив запас энергии и импульса, разлетается. Взрыв сверхновой!
Это хорошая идея. И от энергетической проблемы избавились, и взрыв сверхновой получили. Но каждую идею нужно подтверждать расчетами. Такие расчеты были в большом количестве проведены в СССР (группа В. С. Имшенника) и в США (группа Д. Арнетта). Проделана огромная работа, следствием которой стал странный вывод: взрыва не происходит. То есть оболочка, поглотив нейтрино и напитавшись энергией, конечно, разлетается, но… поглощенной энергии оказывается слишком мало, и скорость разлета получается небольшой, раз в двадцать меньше наблюдаемой. Все равно как если бы вместо взрыва гранаты лопнул воздушный шарик…
Советские ученые С. С. Герштейн, Л. Н. Иванова, В. С. Имшенник и другие в конце концов заключили, что взрыв все же можно получить, если принять: ядро коллапсирующей звезды имеет аномально большую плотность. Нереальную по нынешним представлениям: около 5 тысяч т/см3. Чтобы получить такую плотность в ядре, советские ученые ввели еще одно допущение – коллапсирует звезда в двойной системе, да еще при условии, что на нее перетекает вещество с поверхности соседней, нормальной звезды. Возникает внешнее давление, которое и позволяет ядру коллапсирующей звезды сжаться больше, чем обычно. Но тогда получается, что сверхновые могут вспыхивать лишь в тесных двойных системах, да не в любых, а в тех, где идет процесс перетекания вещества. А как же быть с одиночными звездами?
Возникает очередное противоречие. С одной стороны, мы утверждаем, что при взрыве звезды образуется звездный остаток и выбрасывается оболочка – так говорят наблюдения. А с другой стороны, теория утверждает, что при взрыве звезда может разлететься полностью. Либо коллапсировать практически без взрыва. Либо оболочка без звездного остатка, либо звездный остаток без оболочки. А нам нужно и то и другое. Ясно, что нужно что-то менять либо в теории (так мы придем к научному изобретению), либо в интерпретации наблюдений (а это уже пахнет возможным открытием!).
Конечно, прежде всего нужно усовершенствовать теорию. При коллапсе в звезде протекают сложнейшие физические процессы. Кто станет утверждать, что расчеты учли хотя бы основные явления и эффекты, не говоря о массе побочных, которые представляются несущественными, а на деле могут оказаться важнейшими? Теория описывает явления упрощенно, чего-то в расчетах явно недостает. Например, обычно не учитываются ни вращение звезды, ни ее магнитное поле. Это действительно чрезвычайно трудно учесть – никакая ЭВМ за разумное время не рассчитает коллапс магнитной вращающейся звезды. Ясно, однако, что магнитное поле и вращение могут играть при коллапсе не второстепенную роль. Впервые об этом написал советский астрофизик Г. С. Бисноватый-Коган в 1970 году. Идея была достаточно проста. Ядро звезды сжимается, при этом его магнитное поле возрастает во много раз. Оболочка звезды падает вслед за ядром, но все же немного отстает и поэтому не может вращаться вокруг оси с такой же точно скоростью, что и ядро. А ведь ядро и оболочка связаны силовыми линиями общего для них магнитного поля! Ядро вращается быстрее оболочки, и магнитные силовые линии наматываются на него. В результате вращение ядра тормозится, а вращение оболочки ускоряется. Оболочка вращается все быстрее и быстрее. Наконец, скорость вращения оболочки становится больше скорости убегания! Мощные центробежные силы мгновенно расшвыривают оболочку – вот и взрыв. И не нужно никакого ядерного горючего. Все делают вращательная и магнитная энергии.
Нужно, однако, чтобы энергия вращения ядра передавалась в оболочку достаточно быстро. Коллапс продолжается считанные секунды, и за это время магнитное поле, играя роль посредника, должно успеть «перекачать» из ядра звезды в оболочку огромную энергию, достаточную для эффекта вспышки сверхновой.
По оценкам Г. С. Бисноватого-Когана, магнитное поле оказалось достаточно эффективным посредником. Но в 1971 году П. Р. Амнуэль, О. X. Гусейнов и Ф. К. Касумов рассчитали модель такого процесса, и оказалось, что взрыв может произойти лишь при выполнении двух условий. Первое: магнитное поле между ядром и оболочкой должно быть не дипольным, как обычно предполагалось, а направленным по радиусам. Это еще ничего, при быстром сжатии звезды силовые линии растягиваются, и магнитное поле вполне может действительно стать радиальным вместо дипольного. Второе условие более жесткое. Оболочка разлетается лишь в том случае, если звезда, еще будучи обычной, очень быстро вращалась. Это существенное ограничение. Встречаются, конечно, звезды и с очень быстрым вращением, но их немного…
В 1974 году Г. С. Бисноватый-Коган тоже обратился к расчетам этой модели (она получила название магнито-ротационного взрыва). Совместно с Ю. П. Поповым и А. А. Самохиным он рассчитал сложную модель коллапса с вращением и магнитным полем, учел гидродинамику явления, температуру оболочки, излучение нейтрино и… получил практически тот же результат: взрыв возможен, но требует совершенно нереальных значений магнитного поля…
Так была похоронена еще одна гипотеза, еще одна ячейка из морфологического ящика «теория вспышек сверхновых» оказалась далекой от реальности.
Никто, впрочем, еще не пробовал объединить все теории, в том числе и те, о которых мы не рассказывали. Ведь в звезде одновременно начинаются и ядерные реакции с выделением нейтрино, и магнитная намотка… Возможно, объединив все теории, мы и получим тот эффект, который никакая теория в отдельности дать не может?
Но этого еще не сделано, и наше расследование причин взрывов сверхновых так и не доведено до конца. Мы довольно четко представляем, как звезда рождается, как она живет. Довольно четко представляем, какие ядерные реакции идут в ее недрах, как и почему звезда «на старости лет» становится красным гигантом. «Загробную» жизнь звезды в стадии пульсара мы представляем уже значительно хуже. Почему все-таки ускоряются в недрах нейтронной звезды частицы, как они излучают – это еще неясно. И еще менее ясно, как протекает агония звезды, как наступает ее клиническая смерть. Это напоминает наши представления об эволюции человека. Археология дает нам все фазы эволюции самого человека и все фазы его жизни в образе обезьяны. Но вот переходное существо – уже не обезьяна, но еще не человек – где оно?
Возможно, что в ближайшие годы правильная теория взрывов сверхновых будет создана. Ну а если поиск ведется в неправильном направлении? Ведь методики выбора идей из морфологического ящика пока не существует. Исследователи по-прежнему полагаются на метод проб и ошибок. А проблема взрыва сверхновой очень сложна. Возможно, нужны тысячи проб, из которых пока сделаны лишь сотни?
Отсутствие эвристора открытий и научных изобретений сильно осложняет жизнь. Теория решения изобретательских задач была создана в первом приближении за десять лет, но продолжает развиваться и сейчас. Сколько времени нужно ждать, пока появится эвристор открытий? Сейчас делаются лишь первые шаги. Что мы умеем? Умеем пользоваться некоторыми правилами ТРИЗ – если научная задача сводится к изобретению, а не к открытию. Можем предсказать и открытие, если удачно воспользуемся фантограммой. Знаем методы развития творческого воображения, а это уже большое достижение.
Вы помните кинофильм «Девять дней одного года»? Там был такой эпизод: физики весело смеются над плакатом «Откроем новую элементарную частицу в текущем квартале». Их веселье понятно – ведь до сих пор работа мысли исследователя окутана таким густым туманом, что упоминание возможности планирования открытий вызывает смех. Но всегда ли так будет?
Надеемся, что нет.
Конец расследования. Заключение
Расследование гибели звезды в 1054 году подошло к концу. Мы внимательно изучили все обстоятельства, аргументы, доказательства и прочие материалы по делу. И можем теперь вынести такое официальное заключение:
1. Янг Вэй-Тэ в 1054 году, Тихо Браге в 1572 году, Иоганн Кеплер в 1604 году и Джон Флэмстид в 1680 году наблюдали на небе звезды, неожиданно вспыхивавшие и исчезавшие несколько месяцев спустя. Эти вспышки (за исключением вспышки 1680 года) были значительно ярче вспышек так называемых новых звезд. Звезда-гостья 1054 года была видна даже днем! Эти необычные вспышки выделены в особую группу и названы сверхновыми.
2. В связи с исключительностью явления была выдвинута гипотеза о том, что вспышка сверхновой свидетельствует о гибели звезды. Научное расследование поставило перед собой цель провести оперативный розыск тела погибшей звезды.
3. В ходе изучения обстоятельств дела был сделан вывод о том, что вспышка сверхновой связана с финальной фазой жизни звезды. Более того: лишь те звезды, которые имеют «в старости» массы больше 1,4 массы Солнца, могут закончить жизненный путь таким грандиозным взрывом. Менее массивные звезды умирают без шума, сбрасывая оболочку (планетарную туманность) и превращаясь в белые карлики. После гибели массивных звезд, согласно теории, ПОЯВЛЯЮТСЯ нейтронные звезды или черные дыры. Эти звезды называются релятивистскими и описываются теорией тяготения Эйнштейна.
4. Был начат оперативный розыск нейтронных звезд и черных дыр, причем астрофизики придерживались предположения о том, что эти объекты являются мертвыми телами, не проявляющими собственной активности.
5. В 1967 году были открыты пульсары – нейтронные звезды, излучающие радиоимпульсы с очень строго выдержанным периодом между ними. Таким образом, версия о том, что нейтронные звезды являются мертвыми телами, была опровергнута. Чрезвычайно высокая активность пульсаров заставила усомниться в том, что катастрофический коллапс является смертью звезды. Нет – происходит лишь смена «образа жизни», переход звезды в новое качественное состояние. Звезда продолжает жить «по-новому», в образе пульсара.
6. Были исследованы причины, которые вызывают перемену в образе жизни звезды. Экспертиза показала невозможность в настоящее время надежно и правильно описать процесс взрыва сверхновой.
7 Нет пока и совершенно надежных доказательств существования черных дыр. В настоящее время известны несколько «подозреваемых», но однозначного подтверждения того, что обнаружены именно черные дыры, нет.
8. Научное расследование велось методом проб и ошибок, что требовало значительной непроизводительной затраты мыслительной энергии и обладало малым коэффициентом полезного действия. Были исследованы возможные методы интенсификации научной работы: морфологический анализ, методы фантограмм и приемов, мозговой штурм, синектика. Предпочтение отдано алгоритмической методике прогнозирования научных изобретений и открытий.
9. Очень важно обучение методам развития творческого воображения. Упражнения по развитию воображения заставляют мыслить более широко и раскованно, преодолевать психологическую инерцию, систематически исследовать все варианты решений научной задачи, сколь бы безумными эти решения не представлялись.
10. Таким образом, завершая расследование «гибели» звезды, мы делаем окончательный вывод:
Не гибель, нет, а новое рожденье —
Вот, что гласит сверхновой появленье!
* * *
Однако… Мы так рады завершению работы, что заговорили стихами? Впрочем, речь идет не о завершении работы, а о начале нового расследования. Наука не имеет конца, одна загадка сменяет другую. Чего было больше в нашем расследовании – разгадывания загадок или загадывания?
Новых загадок было побольше… И значит, работы хватит еще надолго. И чем сложнее окажутся научные загадки, тем больше фантазии должны будут проявлять наблюдатели в розыске «подозреваемых». Прогресс ускоряется, сегодня ученый обязан думать быстрее и лучше, чем вчера.
Исследования становятся все сложнее. Морфологические ящики явлений и интерпретаций раздаются вширь и вглубь. Ученый должен обладать недюжинной фантазией, творческое воображение его должно взлетать все выше и выше, иначе он, даже будучи знатоком, рискует «плавать» на поверхности океана, лишь смутно догадываясь о чудесах и красотах, скрытых глубоко…
Судить труд ученых будет история. Она скажет, кто был прав, и кто ошибался. И произнесет суровый приговор любой идее, любой теории. Но одно можно сказать твердо: Вселенная вечна, а значит, вечна и наука. Вселенная – самый большой выдумщик – неисчерпаема на загадки. Отгадывать их – самое большое удовольствие.
