Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 21 страниц)
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]22
Китт-Пикская обсерватория расположена в 70 км от г. Тусон
[Закрыть] 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]23
После открытия миллисекундных радиопульсаров его место 5–6. – Прим. ред.
[Закрыть] 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.
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]24
В ноябре 1982 г. астрономическая общественность была взбудоражена сообщением о том, что пять астрономов с помощью радиотелескопа в Пуэрто-Рико открыли пульсар, который побил рекорд пульсара в Крабовидной туманности. Каждую секунду он посылает 642 импульса. Это означает, что нейтронная звезда вращается со скоростью более 600 оборотов в секунду. Соответственно гравитация на поверхности должна быть очень велика, чтобы звезду не разорвали центробежные силы. Позднее были открыты и другие «миллисекундные» пульсары.
[Закрыть]
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.
