Пульсирующие и загадочные
В феврале 1968 года в английском журнале «Nature» был опубликован материал, в котором сообщалось о принятом из uлубин Вселенной радиосигнале. Зафиксировали его ученые из Кембриджа. А вообще этот сигнал приняла аспирантка Джоселин Белл. В то время она занималась случайными отклонениями радиоизлучений от космических источников, которые может уловить телескоп при суточном вращении Земли.
Девять лет спустя о своем открытии Дж. Белл говорила следующее: «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».
К изучению странного явления Белл обратилась снова только в конце октября 1967 года. Теперь она попыталась записать сигнал с более высоким временным разрешением. Но на этот раз обнаружить источник не удалось. И только к концу ноября он заявил о себе снова.
«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, – вспоминала впоследствии Белл. – Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды… Источник со всей очевидностью имел неземное происхождение, поскольку сигнал появлялся каждый раз, когда телескоп зондировал этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели так, как будто их посылают люди…»
А вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара. В конце же января 1968 года было отправлено сообщение об этом событии в журнал «Nature». Именно в нем и говорилось об открытии первого пульсара…
Джоселин Белл первой приняла радиосигнал из Глубин Вселенной
Самым удивительным для астрономов в поведении пульсаров был тот факт, что у них очень быстро менялась интенсивность излучения.
Если, например, у наиболее быстрых переменных звезд блеск может меняться в течение одного часа, а порой и еще быстрее, а блеск белого карлика в одной из двойных звездных систем в созвездии Геркулеса изменяется с периодом 70 секунд, то пульсары намного превзошли эти результаты. Оказалось, что интенсивность радиоизлучений изменяется за десятитысячные доли секунды.
Более того, дальнейшие исследования показали, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров. А ведь это для космических масштабов мизерные размеры. Например, диаметр Земли равен примерно 13 тысячам километров.
А вскоре сообщения о вновь обнаруженных пульсарах стали поступать из многих обсерваторий мира. Сегодня астрономами зафиксировано более трехсот этих небесных тел. Периоды их лежат в пределах от 0,0016 секунд до 4,3 секунды. Кроме того, известно шестнадцать пульсаров, периоды которых менее 12 миллисекунд.
Самый близкий пульсар расположен от Земли на расстоянии около 60 парсеков, то есть в десятки раз дальше, чем ближайшие звезды. Самый же далекий пульсар находится в 25 килопарсеках от нашей планеты, т.е. далеко за центром Галактики.
Кроме Млечного Пути, пульсары отмечены и в других галактиках. Например, их обнаружили в Большом и Малом Магеллановых Облаках, а также в шаровых скоплениях.
Хотя по форме отдельные импульсы все же незначительно отличаются один от другого, тем не менее период пульсара является практически неизменным. Случается, что импульсы от пульсара внезапно пропадают, но после возобновления приема в точности повторяют прежний ритм.
Правда, еще в самом начале их изучения астрономы обнаружили, что период многих пульсаров постепенно увеличивается, то есть со временем они становятся «медленнее». В то же время частота следования импульсов меняется очень незначительно: чтобы период пульсара удвоился, должно пройти примерно 10 миллионов лет.
Невероятная анатомия пульсара
Конечно, ученых интересуют не только физические характеристики пульсаров. Им важно также знать: что же представляют сами по себе эти космические объекты?
Во-первых, следует отметить, что сегодня астрономам уже точно известно, что пульсары равномерно распределены среди звезд. Это значит, что сигналы от пульсаров достигают радиотелескопов спустя многие тысячи лет.
Из этого в свою очередь следует, что излучения пульсаров должны быть огромной интенсивности, чтобы их, учитывая гигантские расстояния, можно было зарегистрировать на Земле…
Итак, что же такое пульсары? Астрономам хорошо известно, что область пространства, в которой зафиксированы сигналы от пульсара, очень незначительна. В связи с этим возникает вполне логичный вопрос: какие процессы должны происходить в такой небольшой области столь быстро и с такой точностью, чтобы ими можно было объяснить феномен пульсара?
Возможно, это звезды, аналогичные цефеидам, периодически «раздувающиеся» и вновь сжимающиеся? Но ведь период изменения блеска цефеид составляет несколько суток, в то время как пульсары осциллируют с периодом в сотые доли секунды.
Более того, даже белые карлики, которые являются самыми плотными звездами, не в состоянии совершать столь быстрые колебания. Возникает вопрос: могут ли звезды иметь еще более высокую плотность, чем у карликов? Ведь она у них несколько тонн на кубический сантиметр?
Но еще в 1934 году некоторые ученые утверждали, что могут существовать звезды с исключительно высокой плотностью, то есть почти полностью состоящие из одних нейтронов.
Анализ же модели таких звезд показывает, что их плотность должна быть очень велика: в шаре диаметром 30 километров должна быть заключена масса, равная солнечной. Иначе говоря, в одном кубическом сантиметре такой звезды содержатся миллиарды тонн нейтронной материи. Но нейтронные звезды, если заставить их осциллировать, будут делать это гораздо быстрее, чем пульсары.
Крабовидная туманность с пульсаром в центре
Казалось бы, на этом основании участие нейтронной звезды в появлении пульсаров можно было отбросить.
Но тут на сцене появляется преподаватель Корнельского университета Томас Голд, предположивший, что, возможно, периодичность пульсаров связана с вращательным движением неизвестного объекта, который должен совершать полный оборот менее чем за секунду.
Однако для звезды имеется определенный предел вращения. И связано это с тем, что при слишком высокой скорости она будет разрушена центробежными силами. В целом же предельная скорость вращения звезды определяется величиной гравитации на ее поверхности. Например, для белого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секунду. Чтобы вращаться с большей скоростью, звезда должна иметь и более высокую плотность.
А такую плотность, как известно, имеют нейтронные звезды. И Голд предположил, что скорее всего периодические «вспышки» пульсара и объясняются вращением нейтронной звезды, которая совершает один оборот вокруг своей оси за доли секунды. И такая ситуация вполне вероятна, поскольку сила тяжести на поверхности нейтронной звезды достаточно велика. Кроме того, нейтронная звезда может иметь и более высокую скорость вращения.
Таким образом, согласно гипотезе Томаса Голда, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды. Астрофизики приняли ее без особых колебаний. Ведь в соответствии с этой гипотезой вековое увеличение периода пульсара можно было объяснить постепенным замедлением вращения нейтронной звезды.
Можно предположить, что энергия, посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения, черпается за счет энергии вращения нейтронной звезды. Вращение же постепенно замедляется лишь из-за потерь энергии на излучение.
Осенью 1968 года астрономы зафиксировали сигналы с периодом всего лишь 0,03 секунды, которые посылал объект, обнаруженный в Крабовидной туманности. Сигналы пульсара шли из облака, образованного остатками сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году, что отмечено в китайских и японских летописях.
Вскоре было установлено, что со временем вращение пульсара замедляется. Опираясь на гипотезу Голда, ученые пришли к выводу, что энергия, высвобожденная в результате замедления вращения пульсара Крабовидной туманности, расходуется не только на излучение самого пульсара, но и на излучение всей туманности. Это позволяло разобраться еще с одной проблемой пульсаров.
В то время как свечение обычных туманностей связано с излучением атомов, свечение Крабовидной туманности имеет совершенно иную природу. В этом случае электроны, получившие в результате взрыва сверхновой огромную энергию, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Двигаясь по круговым орбитам в магнитном поле туманности, электроны излучают свет.
Но вот почему у этих электронов с 1054 года не уменьшилась скорость, и они продолжают по-прежнему двигаться быстро, хотя и теряют энергию на излучение, ученые объяснить долгое время не могли. Ведь со временем интенсивность излучения должна падать и свечение Крабовидной туманности слабеть. Получалось, что электроны черпают дополнительную энергию из какого-то внешнего источника.
Теперь этот источник, предположительно, определен. Им является вращающаяся нейтронная звезда, которая, вероятно, через свое магнитное поле передает энергию окружающему газу. Как гигантский пропеллер вращается нейтронная звезда в Крабовидной туманности, обеспечивая ей удивительную яркость, а электронам – огромную скорость.
В 1990 году астрономы из Великобритании недалеко от центра Млечного Пути зафиксировали нейтронную звезду, у которой скорость вращения достигает 86 раз в секунду. Ее назвали psr 174424 А.
Но даже не скорость вращения удивила исследователей, а тот факт, что радиосигнал из этого источника несколько раз в неделю исчезает на шесть часов. Это второй из известных науке так называемых двойных пульсаров.
Первый из них был обнаружен в 1988 году. Находится он примерно в трех тысячах световых лет от нашей планеты. Его период равен около 1,6 миллисекунды.
Астрономы предполагают, что оба пульсара «пожирают» своих невидимых с Земли спутников. Кроме того, исследователи предполагают, что пульсары излучают огромное количество энергии, которой вполне хватает на разогрев поверхности звезды-спутника.
Период колебания излучения вновь открытого пульсара говорит о том, что он находится на иной (скорее всего более ранней) стадии своего развития, чем первый двойной пульсар. Также не исключено, что спутник имеет немалые размеры, поэтому пульсар временами «выхватывает» из него большое количество газов, которые затем в виде облака начинают обращаться вокруг пульсара и по этой причине временами перекрывают собой его излучение.