С О
Д Е Р Ж А Н И Е. 1.
Новый радиотелескоп
в Кембридже. 2.
Открытие первого
пульсара
(рассказывает
Джоселин Белл). 3.
Пульсары имеет
малые размеры. 4.
Можно ли увидеть
пульсары ? 5.
Пульсар в Крабовидной
туманности
– видимая звезда. 6.
Что такое пульсары
? 7.
Томас Голд
объясняет
пульсары. 8.
Вопросы на
которые нет
ответов.а)
действительно
ли пульсары
нетронные
звезды.б)
есть ли у пульсаров
планеты.в)
как образуются
пульсары.
_ 2Пульсары. Сообщение,
опубликованное
в феврале 1968 года
в английскомжурнале
"Nature", было столь
удивительно,
что его тут же
подхва-тила
вся мировая
пресса. Группа
ученых Кембриджа,
руководимаяЭнтони
Хьюишем, извещала
о том, что ей
удалось принять
радиосиг-налы
из глубин вселенной.После
второй мировой
войны начался
расцвет радиоастроно-мии.
Космический
газ – межзвездное
вещество – обладает
способ-ностью
испускать и
поглощать
излучения в
области радиочастот.Подобно
свету, это излучение
проходит сквозь
земную атмосферу
иможет
служить дополнительным
источником
информации
о Вселенной.Исследуя
космическое
радиоизлучение,можно
получать сведения
освойствах
межзвездного
вещества в
нашей Галактике;
удается такжепринимать
и анализировать
радиоизлучение
межзвездного
газа вдругих
звездных системах.
Галактики,
дающие особенно
интенсивноерадиоизлучение,
получили название
радиогалактик.Приходящее
к нам радиоизлучение
испытывает
влияние вещества,выбрасываемого
Солнцем и движущегося
в межпланетном
пространствек
границам Солнечной
системы. Наблюдаемые
из-за этого
временныефлуктуации
радиоизлучения
во многом подобны
мерцанию светазвезд,
обусловленному
движениями
воздушных
масс в атмосфере.Именно
для исследования
подобных флуктуаций,
обусловленныхмежпланетным
веществом, и
был предназначен
радиотелескоп,
строи-тельство
которого было
начато в Кембридже
в 60-е годы. На
площа-ди
в два гектара
было установлено
более двух
тысяч отдельных
ан-тенных
элементов.
Поскольку с
помощью этого
антенного поля
пред-полагалось
исследовать
флуктуации
излучения
радиоисточников,вызванные
солнечным
ветром, приемное
устройство
было рассчитанона
регистрацию
быстрых изменений
приходящего
радиоизлучения.Прежние
радиотелескопы
не давали такой
возможности,
и по этомукембриджский
радиотелескоп
как будто специально
был приспособлендля
открытия
быстропеременных
сигналов от
пульсаров –
открытие,которое
отодвинуло
на второй план
ту задачу, ради
которой радио-телескоп
был построен:
исследования
флуктуаций
радиоизлучений,обусловленых
солнечным
ветром.Поскольку
поворачивать
гигантскую
антенну невозможно,
подоб-ный
радиотелескоп
принимает
радиоизлучение
из узкой полосы
не-
– 2 – бесной
сферы, которая
проходит над
антенной
радиотелескопа,
покаЗемля
совершает свое
суточное вращение.
В июле 1967 года
строи-тельство
было закончено
и начались
наблюдения.
Круглые сутки
ре-гистрировалась
интенсивность
приходящего
радиоизлучения
с длинойволны
3.7 метра. За неделю
на 210 метрах
диаграммной
ленты само-писец
рисовал кривые
интенсивности
излучения от
7 участков неба.Усилия
были направлены
на поиск стабильных
радиоисточников,
из-лучения
которых "мерцают",
взаимодействуя
с солнечным
ветром.Наблюдениями
на телескопе
и трудоемкой
обработкой
результатовзанималась
аспирантка
Джоселин Белл.
Ее интересовали
быстрыефлуктуации
радиоизлучений
от космических
источников,
попадающихв
поле зрения
телескопа при
суточном вращении
Земли.Девять
лет спустя
Джоселин Белл
в своей речи
на одном изприемов
вспоминала
о том времени,
когда она под
руководством
Хь-юиша
работала в
Кембридже над
диссертацией.
Она рассказывала
овыходящей
из-под пера
самописца
нескончаемой
ленте, которую
ейприходилось
просматривать.
После первых
трех десятков
метров онанаучилась
распознавать
радиоисточники,
мерцающие из-за
солнечно-го
ветра, и отличать
их от радиопомех
земного происхождения
."Через
шесть или восемь
недель после
начала исследований
я обра-тила
внимание на
какие-то отклонения
сигнала, зарегистрированно-го
самописцем.
Эти отклонения
не очень походили
на мерцания
ра-диоисточника;
не были они
похожи и на
земные радиопомехи.
Крометого,
мне вспомнилось,
что подобные
отклонения
мне однаждывстречались
и раньше, когда
регистрировалось
излучение от
этогоже
участка неба."
Дж. Белл хотела
вернуться к
этой записи,
но еезадержали
другие дела.
Только в конце
октября 1967 года
онавновь
занялась этим
явлением и
попыталась
записать сигнал
с бо-лее
высоким временным
разрешением.
Однако источник
на этот разнайти
не удалось: он
вновь дал о
себе знать лишь
к концу ноября."На
ленте, выходящей
из-под пера
самописца, я
видела, чтосигнал
состоит из ряда
импульсов. Мое
предположение
о том, чтоимпульсы
следуют один
за другим через
одинаковые
промежутки
вре-мени,
подтвердилось
сразу же, как
только лента
была вынута
изприбора.
Импульсы были
разделены
интервалом
в одну и одну
третьсекунды
( см. рис.1 ). Я тотчас
же связалась
с Тони Хьюишем,
ко-торый
читал в Кембридже
лекцию для
первокурсников.
Первой реак-цией
его было заявить,
что импульсы
– дело рук человеческих.
Этобыло
естественно
при данных
обстоятельствах.
Однако мне
поче-му-то
казалось возможным,
что сигнал
может идти и
от какой-ни-будь
звезды. Все-таки
Хьюиш заинтересовался
происходящим
и надругой
день пришел
на телескоп
как раз в то
время, когда
источ-ник
входил в поле
зрения антенны
– и сигнал, к
счастью, появилсяснова."
Источник со
всей очевидностью
имел неземное
происхожде-ние,
поскольку
сигнал появлялся
каждый раз
когда телескоп
оказы-вался
на этот участок
неба. С другой
стороны, импульсы
выгляделитак,
как будто их
посылают люди.
Быть может,
это представителинеземной
цивилизации
? Едва ли, в прочем,
сигнал шел от
планеты,обращающейся
вокруг звезды.
В этом случае
расстояние
между со-седними
импульсами
изменялось
бы сообразно
с периодом
обращенияпланеты,
поскольку
расстояние
до радиоисточника
было бы непосто-янно.
"Незадолго
до Рождества
я предложила
Тони Хьюишу
выступитьна
конференции
и на самом высоком
научном уровне
поставить воп-рос
о том, каким
образом следует
истолковать
эти результаты.
Мыне
верили, что
сигналы посылает
какая-то чужая
цивилизация,
од-нако
такое предположение
однажды высказывалось,
и у нас не былодоказательств,
что мы имеем
дело с радиоизлучением
естественногопроисхождения.
Если же допустить,
что где-то во
вселенной намибыли
обнаружены
живые существа,
то возникала
любопытная
пробле-ма:
как следует
обнародовать
эти результаты,
что бы это былосделано
со всей ответственностью
? Кому первому
сообщить об
этом?
В тот день мы
так и не решили
эту проблему:
я отправилась
до-мой
в полной растерянности.
Мне нужно было
писать свою
диссерта-цию,
а тут откуда-то
взялись эти
окаянные "зеленые
человечки",которые
выбрали именно
мою антенну
и рабочую частоту
телескопа,чтобы
установить
связь с землянами.
Подкрепившись
ужином, явновь
отправилась
в лабораторию,
чтобы проанализировать
еще нес-колько
лент. Незадолго
до закрытия
лаборатории
я просматривалазапись,
относящуюся
к совершенно
к другому участку
неба и на фо-не
сигнала от
мощного радиоисточника
Кассиопея А
заметила знако-мые
возмущения.
Лаборатория
закрывалась,
и мне пришлось
идти,однако
я знала, что
именно этот
участок неба
рано утром
будет вполе
зрения телескопа.
Из-за холода
что-то испортилось
в прием-ном
устройстве
нашего телескопа.
Конечно, так
всегда и бывает
!Однако
я пощелкала
выключателем,
побранилась,
посокрушалась,
иминут
пять установка
работала нормально.
И это были те
самыепять
минут, когда
появились
возмущения.
На этот раз
возмущенияимели
вид импульсов,
следующих
через 1,2 секунды.
Я положилаленты
на стол Тони
и отправилась
праздновать
Рождество.
Какаяудача
! Было совершенно
невероятно,
чтобы "зеленые
человечки"
издвух
разных цивилизаций
выбрали одну
и ту же волну
и то же времядля
посылки сигналов
на нашу планету".Вскоре
Джоселин Белл
обнаружила
еще два пульсара,
а в концеянваря
1968 года было
послано сообщение
в журнал "Nature".
В немшла
речь о первом
пульсаре.Более
всего пульсары
поразили астрономов
тем, что интенсив-ность
их излучения
изменялась
чрезвычайно
быстро. У наиболеебыстрых
переменных
звезд период,
с которым изменяется
их блеск,может
составлять
один час или
того меньше.
Блеск белого
карликав
двойной звездной
системе Новой
1934 года в созвездии
Геркулесаизменяется
с периодом 70
секунд – но пульсары
оставили этот
ре-корд
далеко позади.
На это указывали
и исследования,
проведенныев
последующие
месяцы: с чем
более высоким
временным
разрешениемрегистрировались
импульсы, тем
яснее просматривалось
их тонкаяструктура,
показывавшая,
что интенсивности
радиоизлучений
изме-няется
за десятитысячные
доли секунды.
( рис. 2 ).По
скорости изменения
интенсивности
излучения можно
оценитьразмеры
той области
пространства,
из которой оно
исходит. Расс-мотрим
для простоты
полусферу,
удаленную от
наблюдателя
на стольбольшое
расстояние,
что и невооруженным
глазом, и в телескоп
оновыглядит
просто точкой
( рис. 3 ). Пусть
на поверхности
сферыпроисходит
очень короткая
вспышка света.
Что же видит
удаленныйнаблюдатель
? Излучение
распространяется
от сферы со
скоростьюсвета.
Поскольку
расстояние
от наблюдателя
до различных
точексферы
не одинаково,
излучение,
одновременно
испущенное
всемиточками
сферы, приходит
к наблюдателю
в различные
моменты време-ни:
вначале поступает
сигнал от центра
"видимого
диска", которыйближе
всего к наблюдателю,
затем от окружающей
его области,
и,наконец,
от краев. Таким
образом, регистрируемый
наблюдателемимпульс
"размазывается"
– он имеет большую
длительность,
чем ис-ходный
короткий импульс
света. Продолжительность
импульса увели-чивается
на то время,
за которое свет
проходит расстояние,
рав-ное
радиусу сферы.
Сказанное
можно распространить
не только накороткие
световые импульсы,
но и на любые
изменения
яркости све-чения
сферы, поскольку
сигнал, соответствующий,
как уменьшению,так
и увеличению
яркости, доходит
до наблюдателя
от различныхточек
сферы за неодинаковое
время. "Размазывание"
сигнала будетнаблюдаться
и в том случае,
когда форма
излучающего
объекта от-личается
от сферической.Таким
образом, если
регистрируемые
изменения
яркости источ-ника
происходят,
скажем, за
десятитысячные
доли секунды,
то изэтого
следует, что
размеры источника
не могут быть
существеннобольше
того расстояния,
которое свет
проходит за
это время, тоесть
30 км. Если бы
источник имел
большие размеры,
то измененияяркости
"размазывались"
бы на более
длительное
время. В пределаходного
импульса
интенсивность
изменяется
в течение одной
десяти-тысячной
доли секунды;
это видно по
крутым фронтам
зубцов на ри-сунке
2. Поскольку
радиоизлучение
распространяется
со скоростьюсвета,
из этого можно
заключить, что
объект, от которого
исходитимпульс,
имеет в поперечнике
не больше нескольких
сотен километ-ров.
Подобные размеры
чрезвычайно
малы по сравнению
с теми, скоторыми
мы привыкли
иметь дело во
Вселенной.
Диаметр белых
кар-ликов
составляет
несколько
десятков тысяч
километров;
диаметрЗемли
равен примерно
13 тыс. км. Таким
образом, сигналы
пульса-ров
несут сведения
о том, насколько
малы те области
пространстваво
вселенной, из
которых исходит
это чрезвычайно
интенсивное
ра-диоизлучение.Вскоре
из разных мест
земного шара
стали поступать
сообщенияо
вновь открываемых
пульсарах.
Сегодня их
известно более
трех-сот.
Периоды их
лежат в пределах
от 0,0016 секунд
( у PSR1937+21
) до 4,3 секунды
( у PSR 1845-19 ). Буквы PSR
обозначаютслово
"пульсар", далее
даются прямое
восхождение
в часах ( 19 5h 0)и
минутах ( 37 5m 0
) и склонение
в градусах (
-19 5о 0 ). Известношестнадцать
пульсаров,
периоды которых
менее 12 миллисекунд.Самый
далекий пульсар
находится на
расстоянии
1,3 кпк. Самыйблизкий
пульсар отдален
от Земли примерно
на 60 пк ( в десяткираз
дальше, чем
ближайшие
звезды ), а самый
далекий зафиксированна
расстоянии
около 25 кпк, т.е.
далеко за центром
Галактики.Естественно
предположить,
что пульсары
образуются
и в других га-лактиках.
Пока открыли
по одному
короткопериодическому
пульсарув
Большом и Малом
Магеллановых
Облаках. Девятнадцать
пульсаровнайдено
в шаровых скоплениях.Хотя
по форме отдельные
импульсы не
вполне повторяют
другдруга,
период пульсара
отличается
высоким постоянством.
Иногдаимпульсы
пропадают, но
после возобновления
приема следуют
в точ-ности
в прежнем ритме.Впоследствии
удалось записать
отдельные
импульсы с
более вы-соким
разрешением.
При этом выяснилось,
что они обладают
еще бо-лее
тонкой структурой,
чем показано
на рисунке
2. Рекорднаябыстрота
изменения
интенсивности
составляет
0.8*10 5-6 0 секунды.Это
означает, что
излучение
исходит из
области, не
превышающей250
метров в поперечнике.Уже
в первый год
после открытия
пульсаров
обнаружилось,
чтопериод
многих из них
постепенно
увеличивается:
со временем
пуль-сары
становятся
"медленнее".
Однако частота
следования
импульсовизменяется
очень незначительно:
чтобы период
пульсара удвоилсядолжно
пройти примерно
10 млн. лет.Что
же представляют
собой пульсары
? Находятся ли
они вблизиСолнечной
системы или
также далеки
от нас, как другие
галактики?
Легко видеть,
что пульсары
располагаются
среди звезд
нашегоМлечного
Пути. Мы уже
знаем, что светлая
полоса Млечного
Пути,которую
мы видим на
небе, это множество
звезд, расположенных
внашей
Галактике.
Особенно много
звезд удается
различить,
еслисмотреть
по направлению
к центру Галактики.
Если нанести
на кар-ту
звездного неба
все известные
пульсары, то
они окажутся
расп-ределенными
среди звезд
нашей галактики,
преимущественно
в райо-не
Млечного Пути
( рис. 4 ).Таким
образом, пульсары
распределены
в пространстве
так же,как
и звезды: они
равномерно
размещаются
среди звезд.
Это зна-чит,
что проходит
не одна тысяча
лет, пока сигналы
от несколькихпульсаров
достигнут
земных радиотелескопов.
Соответственно,
из-лучения
пульсаров
должно иметь
невероятную
интенсивность,
чтобыего,
несмотря на
гигантские
расстояния,
можно было
зарегистриро-вать
на Земле. И эта
энергия исходит
из области,
диаметр которойне
превышает 250
метров ! Как
только был
открыт первый
пульсар иего
местонахождения
на небесной
сфере было
точно определено,этот
участок неба
стали исследовать
оптическими
телескопами. Звезда,
координаты
которой попали
в область, указанную
радиоаст-рономами,
оказалась
самой обыкновенной.
По всей видимости,
онане
имела ничего
общего с приходящим
по этому направлению
ради-оизлучением.
Сам же пульсар
оставался
невидимым.Осенью
1968 года были
обнаружены
сигналы с периодом
всеголишь
0.03 секунды от
пульсара в
Крабовидной
туманности.
Сигналыпульсара
шли из облака,
образованного
остатками
Сверхновой
1054года,
отмеченной
в китайских
и японских
летописях.
Нельзя лиотождествить
с пульсаром
какой-либо из
звездно подобных
объектовКрабовидной
туманности
?Как
же определить,
является ли
невидимая
звезда источникомпульсирующего
радиоизлучения
или нет ? Быть
может, оптическоеизлучение
от звезды тоже
пульсирует
? Однако человеческий
глазнеспособен
заметить пульсации
света от столь
слабого источника.Неособенно
выручает и
фотографические
методы: в том
месте, гдена
фотопластинку
попадает свет
звезды она
засвечивается
вне за-висимости
от того, пульсирует
попадающий
на нее свет или
нет.Поэтому,
чтобы выявить
пульсации
видимого излучения
звезды,приходится
применят специальные
методы. С телескопом
соединяюттелевизионную
камеру, и оптическое
изображение
передается
на двателеэкрана
( рис. 5 ). Период
импульсов
радиоизлучения
нам ужеизвестен;
в течение одной
половины периода
изображение
поступаетна
экран А, а в течение
другой половины
– на экран В. Если
види-мое
излучение
объекта пульсирует
в том же ритме,
что и радиоиз-лучение,
то может в принципе
получиться
так, что импульс
будетвсегда
наблюдаться
на экране А, а
на экране В
изображение
посту-пает
в те промежутки,
когда импульса
нет. Те источники,
свет ко-торых
пульсирует
с иной периодичностью,
будут иметь
на обоих эк-ранах
одинаковую
яркость. Остается,
таким образом,
только срав-нить
изображения
на двух экранах,
чтобы выяснить,
не изменяетсяли
видимая яркость
какой-либо
звезды с тем
же периодом,
что ра-диоизлучение.То,что
пульсар в
Крабовидной
туманности
– видимая звездаудалось
обнаружить
описанным выше
методом. Используемая
аппара-тура
работала по
аналогичному
принципу, только
исследовался
невесь
участок неба
сразу, а каждая
звезда по
отдельности.
Вместотого
чтобы наблюдать
звезду на нескольких
телеэкранах,
ее светнаправляли
поочередно
на счетчики
фотонов в
соответствии
с пери-одом
пульсара Крабовидной
туманности.
Схема подобного
измеренияиллюстрируется
на рис.6. Если
свет звезды
не пульсирует,
то всесчетчики
отмечают примерно
одинаковое
число световых
квантов.Если
же от звезды
идут вспышки
с той же периодичностью,
что и усигналов
пульсара, то
будут срабатывать
те счетчики,
которые за-действованы
в момент прихода
светового
импульса; остальные
жедатчики
ничего не
регистрируют.
Таким образом,
за достаточнодолгое
время показания
счетчиков, на
которые приходится
"актив-ная"
доля периода,
будут большими,
а показания
остальных
счетчи-ков,
в которые попадает
лишь фоновый
свет от темного
ночного не-ба,
остаются почти
на нуле. Как
говорят, подобная
система счет-чиков
"накапливает"
импульс.В
ноябре 1968 года
два молодых
астронома,
Уильям Джон
Кок иМайкл
Дисней, решили
провести три
ночных дежурства
на 90-санти-метровом
телескопе
обсерватории
Стюарда в Тусоне
( штат Аризона).
Ни тот ни другой
не имели еще
опыта астрономических
наблюде-ний,
и они хотели
воспользоваться
ночными дежурствами,
чтобыпознакомиться
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 Крабовиднойтуманности.
Это натолкнуло
молодых астрономов
на мысль попытать-ся
обнаружить
видимое излучение
пульсара, тем
более, что необхо-димая
для этого
электронная
аппаратура
уже имелась
в институте.Дональд
Тейлор построил
эту аппаратуру
для совершенно
других це-лей
и воспользовался
ею как "приданым",
чтобы быть
включенным
вгруппу
наблюдателей.
Итак, в отношении
техники все
было в поряд-ке.
И хотя никаких
гарантий успеха
не было – никому
ведь еще неудавалось
отождествить
пульсар с видимой
звездой,- Кок
и Диснейимели
возможность
познакомиться
с работой на
телескопе, а
Тейлор-
испытать свои
приборы.К
началу января
измерительная
аппаратура
была смонтированана
горе Китт-Пик
( в 70 км от города
Тусона ), и 11 января
те-лескоп
был впервые
направлен на
Крабовидную
туманность.
Для каж-дой
звезды измерения
проводились
в течение 5000
периодов пульса-ра,
причем за каждый
период световой
сигнал распределялся
после-довательно
между несколькими
счетчиками.
Но ни одна звезда
висследованной
области не
давала накопления
импульса на
счетчи-ках,
и 12 января Тейлор
вернулся в
Тусон. Помогать
Коку и Диснеюостался
Роберт Мак-Каллистер,
обслуживающий
электронную
аппара-туру.
12 января погода
начала портиться,
а результатов
все небыло.
Еще две ночи,
отведенные
на это исследование,
пропалииз-за
плохой погоды,
и все предприятие,
казалось, было
обреченона
неудачу.Как
часто все решает
случай ! Уильям
Тиффт – наблюдатель,чье
дежурство
начиналось
с 15 января, уступил
незадачливым
но-вичкам
ночи 15 и 16 января,
чтобы они смогли
вновь попытатьсчастья.
Здесь предоставим
слово самому
Диснею."Пятнадцатого
днем было облачно,
но к вечеру
небо проясни-лось.
Мы начали ровно
в 20 часов. Тейлор
был еще в Тусоне;
Кок ия
сменяли друг
друга у телескопа,
а Мак-Каллистер
работал с ап-паратурой
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 Крабовид-ной
туманности.
Всего тридцать
секунд потребовалось
для того,чтобы
прибор показал
нарастающее
накопление
импульса на
счетчи-ках.
Заметен был
и слабый вторичный
импульс, отстоящий
от глав-ного
примерно на
половину периода;
он был значительно
шире и нетакой
высокий. В то
время как
Мак-Каллистер
продолжал
спокойнообслуживать
аппаратуру,
мы с Коком поминутно
переходили
от исте-рического
возбуждения
к глубочайшей
депрессии.
Действительно
лиэто
пульсар или
просто какие-то
ложные аппаратурные
эффекты?Ведь
частота пульсара
была в точности
равна половине
промышлен-ной
частоты переменного
тока в США. Но
при повторном
измеренииимпульс
вновь появился
во всей своей
красе, и настроение
под ку-полом
обсерватории
поднялось.В
20.30, через полчаса
после начала
наблюдений,
позвонилТейлору.
Он отнесся к
моему сообщению
скептически
и предложилизменить
кое-что в аппаратуре,
чтобы устранить
возможные
ошибки.Лишь
на следующую
ночь, наблюдая
своими глазами
за накоплениемимпульса,
он перестал
сомневаться.В
1.22 появились
облака. Наблюдения
были окончены.
У трехнаблюдателей
в обсерватории
не было ни малейшего
сомнения в том,что
им посчастливилось
открыть первый
оптический
пульсар".Теперь
и другие астрономы
стали искать
подтверждения
откры-тия.После
открытия пульсара
в Крабовидной
туманности
стало ясно,что
пульсары каким-то
образом связаны
со взрывами
сверхновых.По-видимому,
сигналы пульсары
идут от того
объекта, который
ос-тается
на месте взрыва
сверхновой.
Это предположение
подтвержда-ется
и другим пульсаром,
излучение
которого исходит
из области,где
наличие газовых
масс указывает
на происшедший
ранее взрывсверхновой.
Этот взрыв,
по всей вероятности,
произошел
оченьдавно,
задолго до
аналогичного
события в Крабовидной
туманности.В
созвездии
Паруса разлетающиеся
газовые массы
выглядят уже
некак
компактное
пятно, а как
отдельные
"нити", имеющие
большуюпротяженность.
Период этого
пульсара на
0,09 секунды больше
пе-риода
пульсара в
Крабовидной
туманности.
Это третий из
самыхбыстрых
известных
пульсаров.(
После открытия
миллисекундных
ра-диопульсаров
его место 5-6). С
самого начала
велся поиск
этогообъекта
в видимой области
спектра. Но
успеха удалось
добитьсялишь
в 1977 году: письмо,
полученное
9 февраля редакцией
журнала"Nature",
в котором говорилось
об отождествлении
пульсара в соз-вездии
Паруса с видимой
звездой, было
подписано
двенадцатью
ав-торами.
Отметим, что
наряду с этими
двенадцатью
учеными, работа-ющими
в Англии и
Австралии, в
предшествующие
восемь лет
многиеастрономы
на лучших телескопах
мира занимались
поисками видимойзвезды,
"мигающей"
в том же ритме,
что и пульсар
в созвездии
Па-руса.
Так что становится
ясно, сколь
масштабному
всемирному
бде-нию
был объявлен
отбой этой
заметкой. Между
прочим, Майкл
Дис-ней,
участвоваший
в открытии
оптического
пульсара в
Крабовиднойтуманности,
входил и в эту
группу ученых.У
всех остальных
пульсаров нет
и следа излучения
в видимойобласти.
Это наводит
на следующую
мысль. Что бы
ни представлялисобой
пульсары, они
возникают в
результате
взрыва сверхновой.Вначале
период пульсара
мал – еще меньше,
чем у пульсара
в Кра-бовидной
туманности.
Такой пульсар
излучает не
только в радиоди-апазоне,
но и в видимой
области спектра.
С течением
времени час-тота
импульсов
уменьшается.
Не более чем
за тысячу лет
периодпульсара
становится
равным периоду
пульсара в
Крабовидной
туман-ности,
а затем достигает
и периода пульсара
в созвездии
Паруса.Наряду
с увеличением
периода ослабевает
и интенсивность
излуче-ния
в видимой области.
Когда период
пульсара превышает
одну се-кунду,
его оптическое
излучение давно
уже исчезло,
и его удаетсяобнаружить
лишь по импульсам
в радиодиапазоне.
Поэтому с видимы-ми
источниками
отождествлены
лишь два пульсара
с самыми коротки-ми
периодами. Они
относятся к
самым молодым
пульсарам, и
вокругних
удается даже
различить
газовые облака
– останки сверхновых.Более
старые пульсары
давно уже растратили
свою способность
из-лучать
в видимой области.Но
что же такое
пульсары ? Что
остается, когда
жизнь звездызаканчивается
гигантским
взрывом ? Мы
уже знаем, что
пространс-твенная
область, из
которой исходит
излучение
пульсара, должнабыть
очень малой.
Какие же процессы
могут происходить
в стольмалой
области так
быстро и с такой
регулярностью,
чтобы можнобыло
привлечь их
к объяснению
феномена пульсара
? Быть может,это
звезды которые,
подобно цефеидам,
периодически
"раздуваются"и
вновь сжимаются
? Но в таком случае
плотность
звездного ве-щества
должна быть
очень высокой,
так как лишь
тогда период
ос-цилляций
может быть
достаточно
мало ( вспомним,
что период
изме-нения
блеска цефеид
составляет
несколько суток
). Нас же интере-суют
объекты, которые
способны
осциллировать
с периодом
сотыедоли
секунды. Даже
самые плотные
из звезд, белые
карлики, неспособны
совершать
столь быстрые
колебания.
Возникает
вопрос:могут
ли звезды иметь
еще более высокую
плотность,
оставляющиепо
плотности
далеко позади
белые карлики
с их тонными
на куби-ческий
сантиметр ?Первое
соображение
на этот счет
высказали
советский физик
идва
астронома из
Пасадены задолго
до обнаружения
пульсаров. ЛевЛандау
(1908-1968) в 1932 году доказал,
что вещество
с еще болеевысокой
плотностью
может находиться
в равновесии
с гравитацион-ными
силами. Тогда
же в Пасадене
на самом большом
по тем време-нам
телескопе в
мире работал
выходец из
Германии Вальтер
Бааде.Он
был, несомненно,
одним из лучших
астрономов-наблюдателей
на-шего
столетия. Там
же работал и
швейцарец Фриц
Цвикки, человекстоль
же напористый,
сколь и неистощимый
на выдумки. Еще
в 1934году
эти два ученых
утверждали,
что смогут
существовать
звезды сисключительно
высокой плотностью
– как предсказывал
и Ландау,-звезды,
состоящие почти
полностью из
одних нейтронов.
В 1939 го-ду
физики Роберт
Оппенгеймер
и Джордж Волков
поместили в
амери-канском
физическом
журнале "Physical
Review" статью о
нейтронныхзвездах.
Имя одного
из авторов
этой статьи
стало известно
вовсем
мире задолго
до того, как
астрономы
всерьез занялись
нейт- ронными
звездами:
Оппенгеймер
сыграл ведущую
роль в созданииамериканской
атомной бомбы.Оппенгеймер
и Волков доказали,
что звездное
вещество, в ко-тором
электроны и
протоны соединились
в нейтроны,
может удержи-ваться
в виде шара с
собственными
гравитационными
силами. Знаясвойства
нейтронного
вещества, можно
осуществить
теоретическиерасчеты
нейтронных
звезд. Анализ
математической
модели нейтрон-ной
звезды показывает,
что плотность
ее должна быть
очень вели-ка:
масса, равная
солнечной,
заключена в
объеме шара
с попереч-ником
30 км. – в кубическом
сантиметре
содержится
миллиарды тонннейтронной
материи ( рис.
7 ). Но нейтронные
звезды, если
заста-вить
их осциллировать,
будут делать
это гораздо
быстрее, чемпульсары.
Поэтому в качестве
объяснения
периода пульсаров
объем-ная
осцилляция
нейтронных
звезд не происходит.Итак,
мы вновь вернулись
к тому, с чего
начали. Мы искалиплотные
звездоподобные
объекты, которые
могли бы совершать
дос-таточно
быстрые колебания,-
и белые карлики
оказались
слишкоммедленными,
а гипотетические
нейтронные
звезды слишком
быстрыми.Об
открытии пульсаров
Томас Голд
узнал, будучи
преподавате-лем
Корнельского
университета
в городе Итака
( штат Нью-Йорк
).И
вот, в то время
как в научных
журналах одна
за другой публико-вались
скороспелые
попытки объяснить
существование
пульсаров (сводившиеся,
главным образом,
к попыткам
спасти гипотезу
пульси-рующих
звезд ), мысль
Томаса Голда
пошла в совершенно
ином нап-равлении.К
регулярным
периодическим
движениям
небесных тел
относятсяи
собственное
вращение объекта.
Солнце, например,
совершает пол-ный
оборот вокруг
своей оси за
27 суток; существуют
звезды, ко-торые
вращаются
гораздо быстрее.
Не связано ли
строгая периодич-ность
пульсаров с
какими-либо
вращательным
движением ?
Тогдаобъект
должен был бы
совершать
полный оборот
менее чем за
секун-ду
– в случае пульсара
в Крабовидной
туманности
тридцать оборо-тов
в секунду ! Звезда,
однако не может
вращаться сколь
угоднобыстро,
поскольку при
слишком высокой
скорости она
будет разру-шена
центробежными
силами. Предельная
скорость вращения
звездыопределяется
величиной
гравитации
на поверхности
звезды; для бе-лого
карлика этот
предел равен
примерно одному
обороту в секун-ду.
Если бы скорость
вращения белого
карлика соответствовала
пе-риоду
пульсара в
Крабовидной
туманности,
то он не выдержал
быдействия
центробежных
сил. С большей
скоростью могла
бы вращатьсялишь
более плотная
звезда.Это
возвращает
нас к нейтронным
звездам: вероятно,
периоди-ческие
"вспышки"
пульсара объясняются
вращением
нейтронной
звез-ды.
Для этого нейтронная
звезда должна
совершать
оборот вокругсвоей
оси за доли
секунды, и это
вполне возможно:
сила тяжестина
поверхности
нейтронной
звезды достаточно
велика. Нейтроннаязвезда
может вращаться
гораздо быстрее.Гипотезу
Томаса Голда,
согласно которой
пульсары являютсявращающимися
нейтронными
звездами,
астрофизики
сразу же приняликак
наиболее
правдоподобную.
Вековое увеличение
периода пульсараобъяснялось
бы тогда постепенным
замедлением
вращения нейтроннойзвезды.
Это вполне
естественно:
можно предположить,
что энергия,посылаемая
пульсаром в
виде электромагнитного
излучения,
черпа-ется
за счет энергии
вращения нейтронной
звезды. Вращение
моглобы
постепенно
замедляться
только из-за
потерь энергии
на излуче-ние,
хотя в действительности
торможение
сильнее.Ученые
пришли к выводу,
что энергия,
высвобожденная
в ре-зультате
замедления
вращения пульсара
Крабовидной
туманности,расходуется
не только на
излучение
самого пульсара,
но и на из-лучение
всей туманности.
Этим разрешается
еще одно затруднение.В
то время как
свечение обычных
туманностей
– например, пла-нетарной
туманности
или туманности
Ориона – обусловлена
излуче-нием
атомов, свечение
Крабовидной
туманности
имеет совершенноиное
происхождение.
Электроны,
обладающие
в результате
взрывасверхновой
огромной энергией,
движутся здесь
со скоростью,
близ-кой
к скорости
света. В магнитном
поле туманности
электроны дви-жутся
по круговым
орбитам, излучая
при этом свет.
Оставался нерешенным
вопрос, почему
эти электроны
с 1054 года движутся
всетакже
быстро, почему
они не замедлились,
теряя свою
энергию наизлучение.
Со временем
интенсивность
излучения
должна ослабе-вать,
и свечение
Крабовидной
туманности
меркнуть.
По-видимому,электроны
пополняют свою
энергию за счет
какого-то внешнего
ис-точника.
Теперь этот
источник был
найден. Если
Томас Голд
прав,то
в Крабовидной
туманности
находится
вращающаяся
нейтроннаязвезда,
которая, возможно,
через свое
магнитное поле
передаетэнергию
окружающему
газу. Как гигантский
пропеллер,
вращаетсянейтронная
звезда в туманности,
обеспечивая
электронам
высокуюскорость,
а Крабовидной
туманности
– большую яркость.
Запасаэнергии
вращения нейтронной
звезды хватит
еще на много
тысячеле-тий.Итак,
мы нашли механизм,
объясняющий
регулярность
посылаемыхпульсарами
импульсов.
Однако нужно
еще понять, как
именно возни-кает
радиоизлучение.
Поскольку речь
идет не о непрерывной
волне,а
об импульсе,
при котором
в течение большей
части периода
энер-гия
равна нулю и
лишь кратковременно
энергия очень
велика, можнопредположить,
что звезда
посылает излучение
в определенном
нап-равлении
и мы регистрируем
его в тот момент,
когда луч вращаю-щейся
звезды-прожектора
"чиркает" по
Земле – точно
так же, как скорабля
видят луч
вращающегося
фонаря на маяке.По
всей видимости,
нейтронная
звезда обладает
магнитным по-лем,
подобно Земле,
но значительно
более сильным.
Предположим,что
магнитная ось
звезды не совпадает,
как и у Земли,
с ее осьювращения.
При вращении
нейтронной
звезды магнитное
поле так жевращается,
и поучается
картина, показанная
на рисунке 8 :
на по-верхности
вращающейся
нейтронной
звезды, обладающей
магнитнымполем,
где нейтроны
вновь превращаются
в протоны и
электроны,господствуют
мощные электрические
силы, под действием
которыхзаряженные
частицы уносятся
прочь от звезды.
Частицы движутсявдоль
магнитных
силовых линий
в пространстве.
Их энергии
доста-точно
для того, чтобы
Крабовидная
туманность
и сегодня, черезтысячу
лет после своего
возникновения,
могла светиться.
Движениезаряженных
частиц поперек
магнитных
силовых линий
затруднено,поэтому
они покидают
нейтронную
звезды, главным
образом в облас-ти
ее магнитных
полюсов, уходя
вдоль искривленных
силовых линий.Это
схематически
показано на
рисунке 9. Электроны,
как самыелегкие
частицы покидают
звезду с самой
большой скоростью,
близ-кой,
по всей видимости,
к скорости
света. двигаясь
со столь вы-сокой
скоростью по
искривленной
траектории,
электрон излучаетэнергию,
причем не во
все стороны,
а преимущественно
в направле-нии
своего движения.
Таким образом,
излучение
звезды в целомнаправлено
вдоль выходящих
из звезды силовых
линий магнитногополя.
А так как магнитное
поле вращается
вместе со звездой,
вра-щаются
и конические
пучки выходящего
излучения.
Удаленный
наблю-датель
видит их в тот
момент, когда
он попадает
в один из этихдвух
конусов; для
него нейтронная
звезда будет
вспыхивать
с час-тотой,
соответствующей
скорости ее
вращения. Многие
астрофизикисегодня
считают, что
эта модель,
напоминающая
вращающийся
про-жектор
морского маяка,
во многом верна.Весной
1969 года две обсерватории
независимо
одна от другойобнаружили,
что медленное,
но неуклонное
нарастание
периодапульсара
нарушилось
и интервал
между двумя
соседними
импульсамисократился
( рисунок 9 ). Затем
период вновь
стал увеличиватьсяс
прежней скоростью.
Мы приняли, что
пульсар является
вращающей-ся
нейтронной
звездой, вращение
которой постепенно
замедляетсяиз-за
передачи энергии
в окружающею
среду. Что же
могло заста-вить
звезду ускорить
свое вращение?Изменение
периода происходит
скачкообразно.
Физики-ядерщики,лучше
знакомые с
нейтронами,
чем астрофизики,
высказали
такоепредположение.
На поверхности
нейтронной
звезды образовалисьпрочные
корки – "плиты",
которые при
охлаждении
нейтронной
звез-ды,
оставшейся
после взрыва
сверхновой,
отрываются
одна за дру-гой.
В результате
подобных сдвигов
и оползней
скорость вращениянейтронной
звезды может
увеличиваться.
Объясняет ли
это резкоесокращение
периода, которое
с тех пор наблюдалось
уже неоднод-нократно
? Глобальные
движения земной
коры действительно
сказы-ваются
на скорости
вращения Земли
и, следовательно,
на продолжи-тельности
суток. Наблюдается
ли нечто подобное
и у пульсаров
?Не
являются ли
наблюдаемые
скачки их периода
свидетельством
про-исходящих
в них катаклизмов
?В
последнее
десятилетие
значительные
успехи достигнуты
в но-вой
области наблюдательной
астрономии
– так называемой
гам-ма-астрономии.
Гамма-излучение
можно рассматривать
как свет сочень
малой длиной
волны, еще более
короткой, чем
у рентгеновс-кого
излучения.
Гамма-излучение
обладает очень
высокой энергией:отдельный
гамма-квант
несет примерно
в миллион раз
больше энер-гии,
чем квант видимого
света. Однако
гамма-излучение,
как ирентгеновское,
почти не проходит
сквозь атмосферу
Земли, поэтомуисследование
приходящих
из Вселенной
гамма-лучей
началось лишьпосле
того, как с
помощью ракет
и спутников
наблюдения
сталиосуществляться
из космоса. К
наиболее впечатляющим
открытиям вобласти
гамма-астрономии
относится тот
факт, что многие
пульсарыпосылают
импульсы и в
гамма-диапазоне.
Благодаря
огромной энер-гии
гамма-квантов
складывается
впечатление,
что именно
гамма-из-лучение
является для
пульсаров
основным, в то
время как радиоиз-лучение,
по которому
пульсары были
впервые обнаружены,
оказыва-ется
скорее побочным
эффектом, который
можно уподобить
звуку,сопровождающему
разрыв снаряда.
Гамма-импульсы
идут в том жеритме,
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 однусложность.
В настоящее
время уже известно
такое количество
пуль-саров,
что можно
предположить
существование
в одной только
нашейГалактике
около миллиона
активно действующих
пульсаров. С
другойстороны,
несколько
последних
десятилетий
ведутся наблюдения
уда-ленных
галактик с
целью установить,
какое количество
взрывовсверхновых
происходит
в среднем за
столетие. Это
позволяет сде-лать
вывод о том,
сколько нейтронных
звезд возникло
с древнейшихвремен
в нашем Млечном
Пути. Оказывается,
что число пульсаровзначительно
превосходит
то количество
нейтронных
звезд, котороемогло
образоваться
в результате
взрывов сверхновых.
Значит лиэто,
что пульсары
могут возникать
и иным путем
? Быть может,
не-которые
пульсары образуются
не в результате
взрывов звезд,
а входе
менее эффектных,
но более упорядоченных
и мирных процессов?В
ноябре 1982 года
астрономическая
общественность
была взбу-доражена
сообщением
о том, что пять
астрономов
с помощью радио-телескопа
в Пуэрто-Рико
открыли пульсар,
который побил
рекордпульсара
в Крабовидной
туманности.
каждую секунду
он посылает642
импульса. Это
означает, что
нейтронная
звезда вращается
соскоростью
600 оборотов в
секунду. Соответственно
гравитация
наповерхности
должна быть
очень велика,
чтобы звезду
не разорвалицентробежные
силы. Позднее
были открыты
и другие миллисекундныепульсары.Группа
астрономов,
возглавляемая
Э.Дж.Лайном (
Великобрита-ния
), обнаружила
вблизи центра
Млечного Пути
быстровращающуюсянейтронную
звезду. Ее
пульсирующее
радиоизлучение
достигает Зем-лю
86 раз в секунду.
Пульсару,
находящемуся
в пределах
шаровогоскопления
Терциан 5, присвоено
наименование
PSR 1744-24 А. Понесколько
раз в неделю
радиосигнал
из этого источника
исчезаетна
шесть часов.
Это второй,
ставший известным
науке двойнойпульсар.
Первый из них,
открытый двумя
годами ранее,
находится примерно
в трех тысячах
световых лет
от нас. Его период
равеноколо
1,6 мс. Отличительная
особенность
этих двух пульсаров:
обаони,
по-видимому,
"пожирают"
своих невидимых
для нас спутников.Очевидно,
пульсары излучают
такое количество
энергии, что
еехватает
на разогрев
поверхности
звезды-спутника.
При этом обра-зуется
вихрь, способный
вызывать "затмение"
радиоизлучения
быст-ровращающегося
пульсара. Масса
же спутника
при этом уменьшается.Период
колебания
излучения
"новичка"
указывает на
то, что он на-ходится
на иной ( вероятно,
более ранней
) стадии своего
разви-тия,
чем первый
двойной пульсар.
Скорее всего,
спутник достаточ-но
велик, чтобы
пульсар мог
временами
"выхватывать"
из негобольшое
количество
газов, которое
за тем в виде
облака начинаетнезависимо
обращаться
вокруг пульсара
и временами
перекрыватьсобой
его излучение.
Такое газовое
облако, подходя
близко кпульсару,
вторгается
в его магнитное
поле, вызывая
вспышки рент-геновского
излучения.Большой
интерес среди
астрономов
вызвало сообщение
о том,что
А.Вольщан и
Д.Фрейл, работая
на гигантском
радиотелескопеобсерватории
Арисибо ( Пуэрто-Рико
), в конце 1991 года
обнару-жили
две планеты,
которые обращаются
вокруг пульсара
PSR1257+12.
Пульсар расположен
на расстоянии
1600 световых лет
отнас
( в созвездии
Девы ). Это нейтронная
звезда, обращающаяся
соскоростью
1 оборот за 6,2 мс.
Постепенное
изменение
периода го-ворит
о том, что пульсар
входит в систему,
включающую
два не-больших
тела, вероятно,
планеты. Их
масса примерно
втрое превы-шают
массу Земли,
а период обращения
вокруг пульсара
у одной изних
составляет
67, а у другой – 95
суток. Сотрудники
Астрономи-ческого
института в
Кембридже (
Великобритания
) И.Стивенс,М.Рис
и Ф.Подсядловский
пришли к следующему
выводу: пульсар
PSR1257+12
разрушил своего
компаньона,
а две планеты
возникли в ре-зультате
этого процесса.
Ученые разработали
модель, где
исчез-нувший
компаньон –
обычная звезда,
сходная с нашим
Солнцем, новдвое
менее массивная.Он
обращался
вокруг пульсара
со скоростью1
оборот в сутки.
Часть массы
этой звезды
обрушилась
на пульсар,уменьшив
его период
обращения всего
на несколько
миллисекунд.При
токам быстром
вращении пульсар
превратился
в мощный источникизлучения,
причем внешние
слои звезды
начали бурно
расширяться
ипокидать
звезду. Еще в
1988 году астрономы
обсерватории
Арисибооткрыли
пульсар ( он
получил прозвище
"Черная вдова"
), которыйтакже
"поедает" своего
компаньона.
Теряя один
внешний слой
задругим,
звезда постепенно
уменьшается
в массе. Силы
тяготения ееослабевают,
пока, наконец,
звезда не разорвется
на части за ка-кие-нибудь
несколько
часов. Ее вещество
распределяется
по орбитеи
образует вокруг
пульсара узкое
газовое кольцо.
Затем это коль-цо
превращается
в плоский тонкий
газовый диск,
очень сходный
стем,
что окружал
Солнце во время
образования
планет. По мнениюкембриджских
исследователей,
диск нового
пульсара должен
поро-дить
свои планеты.
Другие теории,
объясняющие
возникновение
пла-нет
у пульсаров,
исходят из
осуществления
довольно редкого
собы-тия
– столкновения
"бродячего"
пульсара со
звездой, уже
обладав-шей
планетами, или
же слияние двух
белых карликов,
которое при-водит
к рождению
пульсара,
окруженного
газовым диском.
Теперьдело
за радиоастрономами.
Они могут проверить
предположение
отом,
что "припульсарные"
планеты – совсем
не редкость
во Вселен-ной.За
открытие пульсаров
Энтони Хьюишу
в 1974 году была
присуж-дена
Нобелевская
премия по физике.
Открытие
действительно
быловыдающемся,
и лишь название
оказалось не
точным. Пульсары
вовсене
пульсируют.
Это название
дали им тогда,
когда еще полагали,что
это звезды,
которые, подобно
цефеидам,
периодически
расширя-ются
и сжимаются.
Теперь мы знаем,
что пульсары
– это вращающие-ся
нейтронные
звезды. Однако
название прижилось.
Но можем ли мыбыть
полностью
уверены в том,
что Томас Голд
прав ? Действитель-но
ли пульсары
– это нейтронные
звезды ? Тень
сомнения остава-лась
у астрофизиков
до тех пор, пока
не были обнаружены
рентге-новские
звезды. Но это
уже другая тема
для реферата.
2СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ 1.
Р. Киппенхан100
миллиардов
солнцМосква
"Мир" 1990 г. 2.
С. ДанлопАзбука
звездного небаМосква
"Мир" 1990 г.3.
Энциклопедический
словарьюного
астрономаМосква
"Педагогика"
1980 г.4.
Журнал "ЗемляиВселенная"1/92
; 1/91 ; 5/92 ;