Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 21 страниц)
Судьба вещества, оказавшегося в межзвездном пространстве
Межзвездное пространство нашей Галактики нельзя считать абсолютно пустым: в нем существуют скопления газа и пыли. В гл. 12 мы увидим, что из межзвездного газа могут образовываться новые звезды. Частично межзвездный газ остался еще со времен формирования нашей Галактики. Впоследствии из этого газа образовались все звезды, которые, как мы видели, «возвращают» часть своего вещества в межзвездное пространство. Таким образом, межзвездное вещество смешано с газами, которые звезды потеряли за время своей жизни. Зародыши пылевых частиц образуются путем конденсации под действием звездного ветра. Так, например, от звезды R Северной Короны разлетаются облака черной пыли, которые ослабляют ее свет. В межзвездном пространстве на зародышах пылевых частиц постепенно осаждаются атомы газов и образуют твердую оболочку частицы. Так происходит рост зародышей пылевых частиц. Эти частицы растут до тех пор, пока не разрушатся. Разрушение частиц может произойти из-за взаимного соударения, столкновения с высокоэнергетичными частицами космических лучей, или за счет испарения, если они окажутся поблизости от горячей звезды. Межзвездное вещество постоянно пополняется газами, «улетевшими» с поверхности звезд. Поэтому химический состав межзвездного вещества постепенно изменяется. Это вещество обогащается тяжелыми элементами, образовавшимися в недрах звезд. Таким образом, звезды существенным образом определяют свойства межзвездного вещества, из которого в свою очередь образуются новые звезды.
При взрывах сверхновых такое обогащение межзвездной материи происходит особенно быстро, поскольку, как мы увидим в гл. 11, во время таких взрывов в межзвездное пространство выбрасывается много тяжелых элементов. Скорости разлета части вещества при взрыве сверхновой настолько велики, что оно быстро заполняет весь объем нашей Галактики. Это частицы вездесущего космического излучения, которое мы наблюдаем и у поверхности Земли.
То, что после взрыва сверхновой остаются и другие объекты, кроме расширяющегося светящегося облака и космического излучения, впервые стало известно в 1968 году.
Глава 8
Пульсары, которые не пульсируют
Сообщение, опубликованное в феврале 1968 года в английском журнале «Nature», было столь удивительным, что его тут же подхватила вся мировая пресса. Группа ученых в Кембридже, руководимая Энтони Хьюишем, извещала о том, что ей удалось принять радиосигналы из глубин Вселенной.
Новый радиотелескоп в Кембридже
После второй мировой войны начался расцвет радиоастрономии. Космический газ – межзвездное вещество – обладает способностью испускать и поглощать излучение в области радиочастот. Подобно свету, это излучение проходит сквозь земную атмосферу и может служить дополнительным источником информации о Вселенной. Исследуя космическое радиоизлучение, можно получать сведения о свойствах межзвездного вещества в нашей Галактике; удается также принимать и анализировать радиоизлучение межзвездного газа в других звездных системах. Галактики, дающие особенно интенсивное радиоизлучение, получили название радиогалактик.
Приходящее к нам радиоизлучение испытывает влияние вещества, выбрасываемого Солнцем и движущегося в межпланетном пространстве к границам Солнечной системы (т. е. влияние солнечного ветра, о котором шла речь в предыдущей главе). Наблюдаемые из-за этого временные флуктуации радиоизлучения во многом подобны мерцанию света звезд, обусловленному движениями воздушных масс в атмосфере.
Именно для исследования подобных флуктуации, обусловленных межпланетным веществом, и был предназначен радиотелескоп, строительство которого было начато в Кембридже в 60-е годы. На площади в два гектара (где уместилось бы 57 теннисных кортов) было установлено более 2000 отдельных антенных элементов. Поскольку с помощью этого антенного поля предполагалось исследовать флуктуации излучения радиоисточников, вызванные солнечным ветром, приемное устройство было рассчитано на регистрацию быстрых изменений приходящего радиоизлучения. Прежние радиотелескопы не давали такой возможности, и поэтому кембриджский радиотелескоп как будто специально был приспособлен для открытия быстропеременных сигналов от пульсаров – открытия, которое отодвинуло на второй план ту задачу, ради которой радиотелескоп был построен: исследование флуктуации радиоизлучения, обусловленных солнечным ветром.
Поскольку поворачивать гигантскую антенную систему невозможно, подобный радиотелескоп принимает радиоизлучение из узкой полосы небесной сферы, которая проходит над антенной радиотелескопа, пока Земля совершает свое суточное вращение. В июле 1967 г. строительство было закончено и начались наблюдения. Круглые сутки регистрировалась интенсивность приходящего радиоизлучения с длиной волны 3,7 метра. За неделю на 210 метрах диаграммной ленты самописец рисовал кривые интенсивности излучения от семи участков неба. Усилия были направлены на поиск стабильных радиоисточников, излучение которых «мерцает», взаимодействуя с солнечным ветром. Наблюдениями на телескопе и трудоемкой обработкой результатов занималась аспирантка Джоселин Белл. Ее интересовали быстрые флуктуации радиоизлучения от космических источников, попадающих в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.
Рассказывает Джоселин Белл
Девять лет спустя Джоселин Белл-Бернелл в своей речи на одном из приемов вспоминала о том времени, когда она под руководством Хьюиша работала в Кембридже над диссертацией. Она рассказывала о выходившей из-под пера самописца нескончаемой ленте, которую ей приходилось просматривать. После первых трех десятков метров она научилась распознавать радиоисточники, мерцающие из-за солнечного ветра, и отличать их от радиопомех земного происхождения. «Через шесть или восемь недель после начала исследований я обратила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированного самописцем. Эти отклонения не очень походили на мерцания радиоисточника; не были они похожи и на земные радиопомехи. Кроме того, мне вспомнилось, что подобные отклонения мне однажды встречались и раньше, когда регистрировалось излучение от этого же участка неба». Дж. Белл хотела вернуться к этой записи, но ее задержали другие дела. Только в конце октября 1967 г. она вновь занялась этим явлением и попыталась записать сигнал с более высоким временным разрешением. Однако источник на этот раз найти не удалось: он вновь дал о себе знать лишь к концу ноября.
«На ленте, выходящей из-под пера самописца, я видела, что сигнал состоит из ряда импульсов. Мое предположение о том, что импульсы следуют один за другим через одинаковые промежутки времени, подтвердилось сразу же, как только лента была вынута из прибора. Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды (рис. 8.1). Я тотчас же связалась с Тони Хьюишем, который читал в Кембридже лекцию для первокурсников. Первой реакцией его было заявить, что импульсы – дело рук человеческих. Это было естественно при данных обстоятельствах. Однако мне почему-то казалось возможным, что сигнал может идти и от какой-нибудь звезды. Все-таки Хьюиш заинтересовался происходящим и на другой день пришел на телескоп как раз в то время, когда источник входил в поле зрения антенны – и сигнал, к счастью, появился снова». Источник со всей очевидностью имел внеземное происхождение, поскольку сигнал появлялся всякий раз, когда телескоп оказывался направлен на этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели так, как будто их посылают люди. Быть может, это представители внеземной цивилизации? Едва ли, впрочем, сигнал шел от планеты, обращающейся вокруг звезды.[21]21
В этом случае расстояние между соседними импульсами изменялось бы сообразно с периодом обращения планеты, поскольку расстояние до радиоисточника было бы непостоянным. Этот эффект аналогичен проиллюстрированному на рис. 10.5.
[Закрыть]
Рис. 8.1. Сигналы первого обнаруженного пульсара на ленте самописца. Хотя форма отдельных импульсов не одинакова, они следуют друг за другом через строго постоянные интервалы времени.
«Незадолго до Рождества я предложила Тони Хьюишу выступить на конференции и на самом высоком научном уровне поставить вопрос о том, каким образом следует истолковать эти результаты. Мы не верили, что сигналы посылает какая-то чужая цивилизация, однако такое предположение однажды высказывалось, и у нас не было доказательств, что мы имеем дело с радиоизлучением естественного происхождения. Если же допустить, что где-то во Вселенной нами были обнаружены живые существа, то возникала любопытная проблема: как следует обнародовать эти результаты, чтобы это было сделано со всей ответственностью? Кому первому сообщить о них? В тот день мы так и не решили эту проблему: я отправилась домой в полной растерянности. Мне нужно было писать свою диссертацию, а тут откуда-то взялись эти окаянные „зеленые человечки“, которые выбрали именно мою антенну и рабочую частоту моего телескопа, чтобы установить связь с землянами. Подкрепившись ужином, я вновь отправилась в лабораторию, чтобы проанализировать еще несколько лент. Незадолго до закрытия лаборатории я просматривала запись, относящуюся к совершенно другому участку неба, и на фоне сигнала от мощного радиоисточника Кассиопея А заметила знакомые возмущения. Лаборатория закрывалась, и мне пришлось уйти, однако я знала, что именно этот участок неба рано утром будет в поле зрения телескопа. Через несколько часов я вернулась в обсерваторию. Из-за холода что-то испортилось в приемном устройстве нашего телескопа. Конечно, так всегда и бывает! Однако я пощелкала выключателями, побранилась, посокрушалась, и минут пять установка работала нормально. И это были те самые пять минут, когда появились возмущения. На этот раз возмущения имели вид импульсов, следующих через 1,2 секунды. Я положила ленты на стол Тони и отправилась праздновать Рождество. Какая удача! Было совершенно невероятно, чтобы „зеленые человечки“ из двух разных цивилизаций выбрали одну и ту же волну и то же время для посылки сигналов на нашу планету».
Вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара, а в конце января 1968 г. было послано сообщение в журнал «Nature». В нем шла речь о первом пульсаре. Джоселин Белл-Бернелл вспоминает: «За несколько дней до опубликования заметки Тони Хьюиш выступил на семинаре в Кембридже с докладом о полученных результатах. Казалось, все кембриджские астрономы пришли на семинар, по их интересу и энтузиазму я впервые поняла, какую революцию мы затеяли. Был здесь и профессор Хойл, и мне вспоминается его заключительный комментарий. Он сказал, что ему впервые приходится слышать о подобных звездах, и он еще не успел как следует обдумать этот вопрос. Однако ему кажется, что это должны быть не белые карлики, а останки сверхновых».
Поскольку в сообщении, опубликованном в журнале «Nature», было упомянуто, что первоначально астрономы Кембриджа не исключали возможности того, что сигналы посланы другой цивилизацией, вскоре там появились представители прессы. «Когда журналисты обнаружили, что здесь замешана женщина, они проявили еще большую активность. Меня фотографировали стоящей на стуле, сидящей на стуле, стоящей на стуле и рассматривающей какие-то диаграммы, сидящей на стуле, уставившись на какие-то диаграммы. Один из журналистов заставил меня бегать с воздетыми руками: глядите, друзья, я сделала настоящее открытие! (Архимед и не знал, чего ему в ту пору удалось избежать!) При этом журналисты расспрашивали меня о страшно важных вещах: например, выше я ростом или ниже, чем принцесса Маргарет».
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.)
