По следам катастрофы

Девятьсот тринадцать лет назад в созвездии Тельца вспыхнула новая звезда. Ее яркость была столь велика, что звезду видели даже днем. Старинные китайские и японские летописи подробно описывают это необыкновенное явление. Они отмечают, что «звезда-гостья» была в три раза ярче Венеры. Примерно через полгода звезда начала гаснуть и исчезла.

Замечательное явление должно было быть видно во всем мире. Любопытно, что уже в наши дни на стене одного из пещерных жилищ древних обитателей Америки нашли примитивный, но знаменательный рисунок. На нем изображена звезда вблизи Луны так, как была видна эта сверхновая в момент вспышки.

Все это происходило в 1054 году. В этом же году в Киеве умер Ярослав Мудрый. Собранное им государство стало ареной междоусобной войны. Летописцы подробно зафиксировали бурные события того времени, но ни в одной русской летописи не упоминается о небесном знамении — новой звезде. Занятые земными делами, наши предки не смотрели на небо.

4 октября 1957 года советские люди открыли космическую эру, запустив в небо первый искусственный спутник Земли. Началось планомерное наступление на тайны космоса. Стали падать последние покровы таинственности с давней загадки, которую занесла на Землю невидимая частичка, случайно залетевшая в прибор Дмитрия Владимировича Скобельцына.

Эта частичка и ей подобные принесли людям важнейшие сведения о еще не хоженых дорогах космических просторов, об истории рождения и гибели других миров, об исполинских силах, скрытых в ядре атомов материи. Они поведали и печальную повесть древней звезды, которая, внезапно вспыхнув, исчезла, не оставив, казалось, и следа…

Ключ к тайне

Мы подходим к самому фантастическому этапу исследований космических частиц. Сегодня история изучения нового мира космических лучей делает ошеломляющий, удивительный, прекрасный скачок в мир абстракций, в мир чистой догадки, фантазии, блестяще предвосхищающих действительность…

Подготовили его два советских ученых: физик-теоретик В. Л. Гинзбург и астрофизик И. С. Шкловский, создавшие признанную во всем мире теорию происхождения космических частиц.

Как ни кропотливы, как ни ювелирны были исследования ливней космических частиц, но это были явления, происходившие если и не рядом с людьми, то, во всяком случае, недалеко. Ученые при помощи приборов видели, чувствовали предмет своих исследований. И пока физики изучали космические лучи в пределах их досягаемости, они стояли на реальной почве эксперимента. Если они и не могли тотчас проверить свою теорию опытом, то, во всяком случае, надеялись сделать это рано или поздно.

Когда же дело дошло до проблемы происхождения космических частиц, ученым пришлось углубиться в мир, недоступный непосредственному вмешательству.

Но, оказывается, как мы убедимся дальше, человеческому разуму полет фантазии, карандаш и бумага могут сказать не меньше, чем плоть эксперимента.

И вот Гинзбург, молодой блестящий «теорфизик», известный замечательными по глубине и прозорливости теоретическими разработками в области строения ядра и радиоастрономии, забыв на время о других задачах, засел за теорию происхождения космических частиц.

А Шкловский, иногда неожиданно для коллег увлекающийся гипотезами, которые кажутся необычайными (кто не спорил, например, о его гипотезе искусственного происхождения спутников Марса!), заинтересовался тайной древней звезды.

Чутьем глубокого ученого Шкловский понял, что вспышка древней звезды не просто образец дыхания космоса, но ключ к совершенно новому кругу явлений. Недаром он роется в древних китайских и японских летописях, ища в намеках неведомых астрономов, в их красочном, но наивном описании грандиозных космических катастроф подтверждения мучившей его мысли. Он перечитывает историю русской науки (а во времена вспышки легендарной звезды эта наука отличалась от современной, как желудь от векового дуба) и ищет впечатления жителей Киевской Руси, которые бросили бы свет на его догадку.

А догадка заключалась в том, что звезда, исчезнувшая из поля зрения древних астрономов, должна иметь непосредственное отношение к происхождению космических лучей, тайне, давно волнующей умы исследователей. Теоретические соображения и расчет подсказали ученому, что если на месте древней погасшей звезды, произошла катастрофа, если звезда, разгоревшись вдруг ярким пламенем, взорвалась, то она должна была превратиться в газовую туманность, опутанную паутиной магнитных полей. Вещество ее разлетелось во все стороны с большой скоростью. Электроны были не в состоянии вырваться из плена магнитных полей туманности и остались блуждать в них, излучая радиоволны и свет. Протоны же преодолели силу магнитных полей туманности и стали космическими странницами. Они и должны составлять большинство частиц, которые мы называем первичными частицами космических лучей.

Листая летописи

Получив такой ответ теории, ученые взглянули на небо. Действительно, как раз в районе, указанном древними хрониками, мерцала еле видимая туманность, по форме напоминающая краба. Вот почему Шкловский жадно перелистывал пожелтевшие страницы, желая отождествить Крабовидную туманность с древней звездой и… боясь ошибиться! Если теория верна, если действительно в глубине веков произошло то, что подсказало ему воображение, Крабовидная туманность должна быть источником мощного радиоизлучения.

В это время быстро входила в силу новая наука — радиоастрономия. Она обещала разгадку многих тайн вселенной тому, кто овладеет шифром радиоволн, приходящих на Землю из разных уголков космоса. И на загадку древней звезды ответила радиоастрономия.

Шкловский рассказывает:

— Мысль о том, что Крабовидная туманность может быть сильным источником радиоизлучения, возникла у меня еще в 1948 году. В 1949 году в Крыму по моей просьбе была сделана попытка обнаружить радиоизлучения от нее. Увы!.. На имевшемся в то время в обсерватории радиотелескопе наблюдения можно было проводить только тогда, когда источник радиоизлучения восходит над морем. По невезению место восхода туманности было закрыто горами, не хватало нескольких градусов по азимуту.

В том же 1949 году австралийцы обнаружили очень сильное радиоизлучение Крабовидной туманности, обнаружили случайно. Излучение оказалось неожиданно мощным.

Изучив наблюдения радиоастрономов, ученые окончательно уяснили судьбу древней звезды. Действительно, примерно 5909 лет назад в небе произошла гигантская катастрофа. Невидимая глазу звездочка внезапно разгорелась ярким пламенем и взорвалась, превратившись в слабую туманность, хорошо видимую в обычные телескопы. Пять тысяч лет шел свет от места катастрофы до Земли и, достигнув ее в 1054 году, рассказал эту историю. Но в то время люди не были подготовлены к пониманию рассказа светового луча.

К счастью, кроме света, продукты взрыва звезды излучают радиоволны, которые были недоступны нашим предкам, но теперь расшифрованы учеными. Эти радиоволны и поведали нам повесть о погибшем светиле.

Не все поверили в эту теорию астрофизиков. Ведь астрофизики, как шутят «земные» физики, часто ошибаются, но никогда не сомневаются. Неясными были некоторые тонкости явления, которые полностью разъяснились в 1954 году благодаря работам советских радиоастрономов. А затем, через два года, их подтвердили и американские ученые, проверив наблюдения на самом большом оптическом телескопе.

Через века

Но неужели только эта бывшая звезда — источник космических частиц? — задали себе вопрос исследователи. Чтобы проверить это, Гинзбург провел расчет. Оценив мощность радиоизлучения от Крабовидной туманности, он подсчитал количество электронов, блуждающих в плену мощной магнитной ловушки этой туманности. А так как при взрыве должно родиться приблизительно одинаковое количество электронов и протонов, то нетрудно было сравнить их число с числом космических частиц, обнаруженных в космосе. Оказалось, что результаты расчета не совпадают с данными экспериментов.

Почему? — взволновались ученые. Ответ был один: значит, не только эта древняя звезда — поставщик космических частиц. Должны быть и другие.

И Шкловский снова ищет на страницах истории упоминания о вспышках новых и сверхновых звезд — так названы звезды, рождающие космические частицы. И находит то, что ищет! Находит описание вспышки звезды, которое мы вынесли в эпиграф.

«В период Тай-Хэ, в четвертый год, во вторую луну, была видна необыкновенная звезда возле западной стены Синего дворца. В седьмую луну она исчезла».

Вот какой неточный адрес оставили древние наблюдатели! Но ученые нашли место катастрофы.

Астрономы внимательно взглянули через самые крупные телескопы на место, указанное им радиоастрономами. Они увидели в этой точке неба маленькое туманное волокно. При наблюдении сквозь синий светофильтр оно по форме напоминало арку. В красных лучах обнаружились и другие клочья и обрывки туманности. Это был очень слабый источник света — известная астрономам туманность Кассиопеи.

Радиоастрономам же открылась совсем иная картина. В радиолучах туманность Кассиопеи предстала ослепительно яркой. Именно здесь когда-то давно произошла вспышка сверхновой. И произошло это ни более ни менее как 1600 лет назад, в 369 году нашей эры, в четвертый год периода Тай-Хэ по китайской хронологии.

Так началось отождествление ныне видимых туманностей с некогда вспыхнувшими и погасшими звездами.

Увлеченный почти детективной задачей разгадывания многовековых загадок, И. Шкловский восклицает:

— Успехи новейшей науки — радиоастрономии, опирающиеся на сверхсовременные достижения радиофизики, электроники, теоретической физики и астрофизики, оказываются тесно связанными с текстами хроник, написанных древними астрономами Китая! Труд этих людей спустя тысячелетия ожил и как драгоценное сокровище вошел в фонд науки середины XX века!

Поющие галактики

Но и сверхновые оказались не единственными поставщиками космических частиц. Нашелся еще один вид небесных источников, рождающих космические частицы — радиогалактики.

К ним ученые отнесли чрезвычайно интересный объект — туманность, видимую в созвездии Лебедя, расположенную далеко за пределами нашей Галактики. Этот объект оказался мощнейшим источником радиоволн. «Яркость» источника Лебедь-Α в радиолучах раз в 500 больше яркости «спокойного» Солнца! Мощность его радиоизлучения во столько же раз превышает мощность крупнейшей из созданных трудом человека радиостанций, во сколько раз вся энергия, излучаемая Солнцем, превосходит энергию, излучаемую свечой, да еще ослабленную в 10 тысяч раз по сравнению с обыкновенными свечами.

Но учтите, ведь созвездие Лебедя расположено на чудовищном расстоянии от Земли. Свет от него идет к Земле 650 миллионов лет! А поток радиоизлучения его сильнее, чем радиоизлучение Солнца, отстоящего от нас всего на расстоянии в 8 световых минут.

Внимательно изучая созвездие Лебедя, ученые, к своему удивлению, обнаружили в нем две очень слабые карликовые галактики, как бы прилепившиеся друг к другу. Этот объект оказался настолько любопытным и загадочным, что поссорил многих ученых.

Открыв этот сверхмощный источник радиоволн, физики, конечно, задумались над причиной такого мощного излучения. Им, естественно, захотелось узнать механизм рождения радиоволн в этом источнике. В сверхновых звездах радиоволны являлись результатом взрыва. А в радиогалактике Лебедя?

Бааде, американский ученый, который первым наблюдал этот объект, опубликовал удивительное предположение. Это была настолько оригинальная, неожиданная гипотеза, что она захватила многих ученых и долгое время считалась общепризнанной. «Это, несомненно, две столкнувшиеся галактики!» — утверждал он. Хотя в космосе с его бесконечными просторами столкновение двух галактик так же мало вероятно, как столкновение двух птиц в воздухе, однако это именно такой случай. Радиоволны же, по мнению Бааде, родились в результате катастрофы.

Это была очень эффектная гипотеза, сразу нашедшая многочисленных сторонников.

Усомнился в ней только крупнейший советский астрофизик В. А. Амбарцумян. По ряду соображений он пришел к выводу, что два ядра в туманности Лебедя — это отнюдь не результат столкновения галактик. Наоборот, решил он, здесь мы видим редкий случай деления галактик — распад огромной звездной системы на две части.

— Бааде (он умер недавно) был очень талантливым ученым, — рассказывал Амбарцумян, — редким по своей страсти к науке. И азартным спорщиком. Чтобы убедить других и еще больше убедиться самому в справедливости своей новой теории, мысли, предположения, он, встретив коллегу, молниеносно вовлекал его в спор.

Так было и на одной из международных научных конференций, где Бааде встретился с Амбарцумяном. Обоих занимала проблема двойственности галактик.

— Скорость одного ядра отличается от скорости другого, — отстаивал свою точку зрения Бааде.

— Скорость одного ядра отличается от скорости другого, — пользовался тем же аргументом Амбарцумян для утверждения своей, противоположной, точки зрения.

Так каждый аргумент Бааде, отразившись от Амбарцумяна, поражал американца.

Говорят, что в споре рождается истина. Особенно это относится к научной дискуссии, из горнила которой выходят и безупречные формулировки законов природы и предсказания еще не виданных явлений.

Но не всякий спор плодотворен. Если дискуссия не основана на фактах, не подкреплена результатами безупречных наблюдений, она не дает ничего нового. Так, домна, лишенная руды, наполненная пустой породой, не дает металла. Из нее вытечет только шлак.

Короче говоря, каждому из спорящих надо было найти такое доказательство, которое бы начисто отметало точку зрения противника и однозначно подтверждало его собственную.

Цвет молодости

Вскоре Амбарцумян нашел такие доказательства. Какова вероятность, рассуждал он, столкновения двух галактик таких размеров, как оба ядра туманности Лебедь-Α? Эта туманность — очень маленький в астрономическом смысле объект, весьма малая галактика. Во вселенной имеются гиганты сверхгалактики, намного превышающие по числу содержащихся в них звезд и по размерам обе части той галактики, которую мы видим в созвездии Лебедя.

Но ученые никогда не наблюдали столкновения таких гигантов, хотя столкновение больших объектов гораздо вероятнее, чем встреча двух маленьких. Это значит, что столкновение малых галактик практически невероятно.

Второе доказательство вытекало из тончайших наблюдений астрономов Бюраканской обсерватории Академии наук Армянской ССР, руководимой Амбарцумяном. Они обратили внимание, что в некоторых случаях из центра гигантской галактики исходит струя, которая заканчивается карликовой галактикой голубого цвета в отличие от обычного для «старых» галактик желтого и красного цвета. Но голубой цвет — признак молодости космических объектов. Это был очевидный пример выброса молодой галактики-малютки из большой, материнской. Как видно, соединяющая струя — «пуповина» должна со временем исчезнуть, дав возможность «малютке» начать самостоятельную жизнь. Такие галактики-крошки были обнаружены возле многих гигантов.

Почему же Лебедь-Α должна быть исключением? Несомненно, что два ядра — это признак ее деления, признак активного процесса звездообразования.

А чем объяснить радиоизлучение, мощным потоком возникающее при этом процессе?

Дело в том, что время от времени старые галактики как бы набухают, проявляют тенденцию к делению и выбрасывают мощные облака газа, содержащего в себе свободные электроны. Они-то и являются причиной радиоизлучения. А где есть электроны, там естественны и космические частицы — быстрые протоны.

Эти замечательные работы армянских астрономов не только утвердили новую точку зрения на образование звезд, не только опровергли старую теорию, которая укоренилась еще в XIX веке и утверждала, что эволюция идет от разрежения к уплотнению, от менее плотных тел к более плотным. Эти новые наблюдения не только подтвердили, что местами рождения новых галактик являются центры старых. Они опровергли теорию сталкивающихся галактик и послужили основой современной теории эволюции вселенной.

Для ученых, занимающихся проблемой происхождения космических частиц, из этих работ стало ясно, что процессами, рождающими космические частицы, являются не только взрывы сверхновых, но и деление радиогалактик, что космические частицы порождает не только смерть звездных миров, но и их рождение.

Щедрость сверхновых

Природа, очень щедра на космические частицы. Нужно упомянуть еще по крайней мере об одном источнике космических частиц в нашей солнечной системе. Правда, он был обнаружен еще раньше, чем появилась гипотеза о вспышках сверхновых. Этот источник — наше Солнце. В периоды повышенной активности, когда поверхность светила бороздят и колышут огнедышащие протуберанцы, Солнце выбрасывает большое количество космических частиц. Во время Международного геофизического года удалось установить, что случается это в среднем один раз в месяц.

В это время на Солнце возникают взрывные процессы. Выброшенные из его недр частицы ускоряются магнитными полями и выплескиваются далеко за пределы околосолнечного пространства. Иногда вся солнечная система становится гигантской ловушкой космических частиц. И эти скопления не так уж безобидны, как кажется на первый взгляд.

Только искусственные спутники Земли и космические ракеты помогли установить степень опасности для будущих космонавтов этого интенсивного потока частиц и разработать защитные меры.

Источники радиоизлучения и, следовательно, источники космических частиц были найдены даже в ядре нашей Галактики и во многих других звездных скоплениях.

— Мы обнаружили столько источников космических частиц, — говорит В. Гинзбург, — что уже надо гадать, где они не рождаются.

Но все-таки основными поставщиками кирпичиков материи для вселенной оказались сверхновые звезды, эти космические вулканы.

Чтобы убедиться в этом, Гинзбургу пришлось решить такую непростую задачу. Учитывая, как часто вспыхивают в галактике сверхновые звезды, и зная, сколько частиц при этом рождается (как мы уже говорили, это можно выяснить, исходя из величины потока радиоизлучения), В. Гинзбургу оставалось рассчитать, сколько же космических частиц родилось в результате вспышек сверхновых звезд за 400 миллионов лет — средний век космической частицы. Результат подсчетов оказался поразительным!

За это время должно было образоваться примерно столько космических частиц, сколько и наблюдается в действительности. Значит, несомненно: вспышки сверхновых звезд способны обеспечить компенсацию гибнущих от старости космических частиц, а значит, эти вспышки — основной источник космических частиц во вселенной. Все остальные источники — звезды, молодые галактики и другие, вместе взятые, вносят лишь малый вклад в вечный круговорот космических странниц.

Так Амбарцумян, Гинзбург и Шкловский набросали картину событий, которые разворачивались в течение многих столетий на расстоянии в сотни тысяч световых лет от нас.

Теперь наблюдения радиоастрономов позволили надежно подтвердить эту теорию.

…1010 и 1954 годы. Кто бы мог подумать, что события этих двух лет, между которыми пролегли века, имеют такое близкое отношение друг к другу, так тесно переплетутся на дорогах научного поиска. Наши далекие предки не обратили внимания на такое грандиозное и загадочное явление природы, как вспышка звезды, происшедшая в 1054 году. Лишь наши современники, вооруженные всей мощью сегодняшней науки, смогли сопоставить эти явления и разрешить одну из сложнейших загадок природы.

Как варятся атомы

Да, это были фантастические страницы истории космических лучей. Но ради чего же вписали их ученые? Может быть, их влекло только естественное стремление к знанию? Ведь понять тайну происхождения космических лучей — это значит познать процессы, происходящие при рождении и смерти звездных миров!

Не нужно говорить, как это интересно и важно. Но эта задача имеет и другие стороны, еще более актуальные.

Представив себе процессы, которые должны происходить при взрывах звезд, ученые вдруг ясно поняли: да ведь именно при вспышках сверхновых варятся все химические элементы тяжелее гелия! И медь, и железо, и свинец, в общем все элементы таблицы Менделеева. Все вещества, из которых состоит и наша Земля и вся вселенная.

Стало ясно, что, если бы не эти редкие космические взрывы, мир состоял бы преимущественно из атомов водорода и гелия.

А совсем недавно многие придерживались совершенно другой точки зрения. Еще в 1957 году некоторые думали иначе. И один из видных специалистов по космическим частицам писал: «После обнаружения в космических лучах тяжелых ядер мало кому придет в голову обращаться к представлениям о взрывном характере происхождения космических лучей во вселенной: уж очень странно было бы, если бы при этих процессах тяжелые ядра сохранились как нечто целое, получая вдобавок колоссальные энергии».

Вот как в наши дни, при бурном развитии науки, быстро меняются взгляды, как быстро сметаются неверные представления.

Понимание процессов, происходящих при формировании небесных тел и галактик, дает ключ к разгадке многих проблем строения материи. Эти процессы часто с трудом поддаются объяснению на основе известных законов теоретической физики. Академик Амбарцумян говорит, что это, вероятнее всего, связано с тем, что в таких процессах доминирующую роль играют многие глубокие свойства вещества, которые не проявляют себя в физических опытах, производимых в земных лабораториях. Поэтому можно быть уверенным, что тщательное изучение физических явлений, протекающих в отдаленнейших областях космоса, поможет еще глубже развить наши знания об основных физических свойствах вещества и о закономерностях развития материи.

Так, раздумывая о тайне рождения космических частиц, ученые поневоле затрагивают проблемы рождения всей вселенной, всего окружающего нас мира.

Неразгаданный кроссворд

Проблема происхождения космических частиц неожиданно скрестилась с еще одной очень важной проблемой.

Разгадав тайну рождения космических частиц — а мы близки к этому, — можно будет и на Земле воссоздать процессы, рождающие частицы столь высокой энергии.

Прошло то время, когда (как это было в тридцатых годах) физики, мечтавшие о бомбардировке ядер космическими частицами, считались фантазерами. О них говорили, что это схоласты, занимающиеся выяснением надуманных вопросов вроде того, сколько чертей может поместиться на кончике булавки.

Теперь для изучения строения материи ученые строят на Земле источники искусственных космических частиц — ускорители. Один из крупнейших — синхрофазотрон в Дубне. Но и ему далеко до природных ускорителей. Космические ускорители иногда посылают на Землю столь мощные частицы, что каждая из них, фигурально выражаясь, может зажечь на мгновение электрическую лампочку. Правда, такие частицы природа дарит весьма скупо. Но именно о них мечтают физики.

Однако создать на основе освоенных принципов ускорители космической мощности невозможно. Посудите сами — установка, дающая поток частиц, подобных космическим, должна иметь магнит длиной около 20 километров. Вес железа этого магнита составит сотни тысяч тонн! Если ученые захотят осуществить такой фантастический проект, то для его выполнения потребуются десятки лет. Для одного лишь питания ускорителя понадобится построить мощную электростанцию.

Поэтому, чтобы увеличить энергию искусственных космических частиц до тех величин, которые встречаются в природе, нужны принципиально новые методы их ускорения.

Советские ученые уже разрабатывают новые принципы построения ускорителей, которые должны приблизить энергию ускоренных частиц к предельной энергии космических частиц.

При этом будут применяться специальные магниты весом «всего» в 10–20 тысяч тонн. Но для управления процессом ускорения придется использовать кибернетическую систему, включающую в себя электронную вычислительную машину. А пока физики широко пользуются частицами, прилетающими из глубин вселенной. Родившись при астрофизических катаклизмах, эти быстрые частицы пронизывают все космическое пространство. Но как летят они: равномерно, как дождь, или стаями, как птицы?

Ученые изучают законы движения космических частиц на Земле и даже над нею, в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве.

Уже на втором искусственном спутнике полетели в межзвездное пространство крошечные «сигарки». Эти счетчики не определяют, какая частица залетела в них, но зато добросовестно ведут им счет. Подобные труженики вместе со спутником успевали за полтора часа облететь вокруг земного шара и подсчитать частицы космических лучей, летящие из бездны вселенной. За следующие обороты они повторяли свои подсчеты и, таким образом, собирали совершенно уникальные сведения.

С уважением берешь в руки хрупкую трубочку счетчика. Его металлическая поверхность ребриста. Это предохраняет от повреждений. Электрические импульсы от счетчиков попадали в специальную схему, которая подсчитывала их. Результат подсчета передавался на Землю по радио.

Миниатюрные счетчики проработали на втором спутнике семь дней и помогли установить изменение интенсивности космических лучей во времени. На следующих спутниках и ракетах данные пополнялись. Теперь можно сопоставить полученные результаты с различными астрономическими явлениями, с различными предположениями о законах движения невидимых частиц.

Новейшие данные подсказывают, что во вселенной путешествуют огромные резервуары, наполненные частицами. Эти гигантские сгустки частиц формируются магнитными полями, пульсирующими в космическом пространстве. Этот механизм древен как мир и почти так же загадочен… В нем ключ к пониманию работы космического ускорителя. Но ключ этот еще не найден.

Когда он отыщется?

Ученые с азартом решают кроссворд, но не обычный, журнальный, а тот, который загадывает человеку природа. Еще одна-две буквы, последнее недостающее звено, и угаданное слово откроет, наконец, тайну.