100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Шрифт:
Приходящее к нам радиоизлучение испытывает влияние вещества, выбрасываемого Солнцем и движущегося в межпланетном пространстве к границам Солнечной системы (т. е. влияние солнечного ветра, о котором шла речь в предыдущей главе). Наблюдаемые из-за этого временные флуктуации радиоизлучения во многом подобны мерцанию света звезд, обусловленному движениями воздушных масс в атмосфере.
Именно для исследования подобных флуктуации, обусловленных межпланетным веществом, и был предназначен радиотелескоп, строительство которого было начато в Кембридже в 60-е годы. На площади в два гектара (где уместилось бы 57 теннисных кортов) было установлено более 2000 отдельных антенных элементов. Поскольку с помощью этого антенного поля предполагалось исследовать флуктуации излучения радиоисточников, вызванные солнечным ветром, приемное устройство было рассчитано на регистрацию быстрых изменений приходящего радиоизлучения. Прежние радиотелескопы не давали такой возможности, и поэтому кембриджский радиотелескоп как будто специально был приспособлен для открытия быстропеременных сигналов от пульсаров — открытия, которое отодвинуло на второй план ту задачу, ради которой радиотелескоп
Поскольку поворачивать гигантскую антенную систему невозможно, подобный радиотелескоп принимает радиоизлучение из узкой полосы небесной сферы, которая проходит над антенной радиотелескопа, пока Земля совершает свое суточное вращение. В июле 1967 г. строительство было закончено и начались наблюдения. Круглые сутки регистрировалась интенсивность приходящего радиоизлучения с длиной волны 3,7 метра. За неделю на 210 метрах диаграммной ленты самописец рисовал кривые интенсивности излучения от семи участков неба. Усилия были направлены на поиск стабильных радиоисточников, излучение которых «мерцает», взаимодействуя с солнечным ветром. Наблюдениями на телескопе и трудоемкой обработкой результатов занималась аспирантка Джоселин Белл. Ее интересовали быстрые флуктуации радиоизлучения от космических источников, попадающих в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.
Рассказывает Джоселин Белл
Девять лет спустя Джоселин Белл-Бернелл в своей речи на одном из приемов вспоминала о том времени, когда она под руководством Хьюиша работала в Кембридже над диссертацией. Она рассказывала о выходившей из-под пера самописца нескончаемой ленте, которую ей приходилось просматривать. После первых трех десятков метров она научилась распознавать радиоисточники, мерцающие из-за солнечного ветра, и отличать их от радиопомех земного происхождения. «Через шесть или восемь недель после начала исследований я обратила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированного самописцем. Эти отклонения не очень походили на мерцания радиоисточника; не были они похожи и на земные радиопомехи. Кроме того, мне вспомнилось, что подобные отклонения мне однажды встречались и раньше, когда регистрировалось излучение от этого же участка неба». Дж. Белл хотела вернуться к этой записи, но ее задержали другие дела. Только в конце октября 1967 г. она вновь занялась этим явлением и попыталась записать сигнал с более высоким временным разрешением. Однако источник на этот раз найти не удалось: он вновь дал о себе знать лишь к концу ноября.
«На ленте, выходящей из-под пера самописца, я видела, что сигнал состоит из ряда импульсов. Мое предположение о том, что импульсы следуют один за другим через одинаковые промежутки времени, подтвердилось сразу же, как только лента была вынута из прибора. Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды (рис. 8.1). Я тотчас же связалась с Тони Хьюишем, который читал в Кембридже лекцию для первокурсников. Первой реакцией его было заявить, что импульсы — дело рук человеческих. Это было естественно при данных обстоятельствах. Однако мне почему-то казалось возможным, что сигнал может идти и от какой-нибудь звезды. Все-таки Хьюиш заинтересовался происходящим и на другой день пришел на телескоп как раз в то время, когда источник входил в поле зрения антенны — и сигнал, к счастью, появился снова». Источник со всей очевидностью имел внеземное происхождение, поскольку сигнал появлялся всякий раз, когда телескоп оказывался направлен на этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели так, как будто их посылают люди. Быть может, это представители внеземной цивилизации? Едва ли, впрочем, сигнал шел от планеты, обращающейся вокруг звезды. [21]
21
В этом случае расстояние между соседними импульсами изменялось бы сообразно с периодом обращения планеты, поскольку расстояние до радиоисточника было бы непостоянным. Этот эффект аналогичен проиллюстрированному на рис. 10.5.
Рис. 8.1. Сигналы первого обнаруженного пульсара на ленте самописца. Хотя форма отдельных импульсов не одинакова, они следуют друг за другом через строго постоянные интервалы времени.
«Незадолго до Рождества я предложила Тони Хьюишу выступить на конференции и на самом высоком научном уровне поставить вопрос о том, каким образом следует истолковать эти результаты. Мы не верили, что сигналы посылает какая-то чужая цивилизация, однако такое предположение однажды высказывалось, и у нас не было доказательств, что мы имеем дело с радиоизлучением естественного происхождения. Если же допустить, что где-то во Вселенной нами были обнаружены живые существа, то возникала любопытная проблема: как следует обнародовать эти результаты, чтобы это было сделано со всей ответственностью? Кому первому сообщить о них? В тот день мы так и не решили эту проблему: я отправилась домой в полной растерянности. Мне нужно было писать свою диссертацию, а тут откуда-то взялись эти окаянные „зеленые человечки“, которые выбрали именно мою антенну и рабочую частоту моего телескопа, чтобы установить связь с землянами. Подкрепившись ужином, я вновь отправилась в лабораторию, чтобы проанализировать еще несколько лент. Незадолго до закрытия лаборатории я просматривала запись, относящуюся к совершенно другому участку неба, и на фоне сигнала от мощного радиоисточника Кассиопея А заметила знакомые возмущения. Лаборатория закрывалась, и мне пришлось уйти, однако я знала, что именно этот участок неба рано утром будет в поле зрения телескопа. Через несколько часов я вернулась в обсерваторию. Из-за холода что-то испортилось
Вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара, а в конце января 1968 г. было послано сообщение в журнал «Nature». В нем шла речь о первом пульсаре. Джоселин Белл-Бернелл вспоминает: «За несколько дней до опубликования заметки Тони Хьюиш выступил на семинаре в Кембридже с докладом о полученных результатах. Казалось, все кембриджские астрономы пришли на семинар, по их интересу и энтузиазму я впервые поняла, какую революцию мы затеяли. Был здесь и профессор Хойл, и мне вспоминается его заключительный комментарий. Он сказал, что ему впервые приходится слышать о подобных звездах, и он еще не успел как следует обдумать этот вопрос. Однако ему кажется, что это должны быть не белые карлики, а останки сверхновых».
Поскольку в сообщении, опубликованном в журнале «Nature», было упомянуто, что первоначально астрономы Кембриджа не исключали возможности того, что сигналы посланы другой цивилизацией, вскоре там появились представители прессы. «Когда журналисты обнаружили, что здесь замешана женщина, они проявили еще большую активность. Меня фотографировали стоящей на стуле, сидящей на стуле, стоящей на стуле и рассматривающей какие-то диаграммы, сидящей на стуле, уставившись на какие-то диаграммы. Один из журналистов заставил меня бегать с воздетыми руками: глядите, друзья, я сделала настоящее открытие! (Архимед и не знал, чего ему в ту пору удалось избежать!) При этом журналисты расспрашивали меня о страшно важных вещах: например, выше я ростом или ниже, чем принцесса Маргарет».
Пульсары имеют малые размеры
Более всего пульсары поразили астрономов тем, что интенсивность их излучения изменялась чрезвычайно быстро. У наиболее «быстрых» переменных звезд период, с которым изменяется их блеск, может составлять один час или того меньше. Блеск белого карлика в двойной звездной системе Новой 1934 года в созвездии Геркулеса (мы вернемся к этой системе в гл. 9) изменяется с периодом 70 секунд-но пульсары оставили этот рекорд далеко позади. На это указывали и исследования, проведенные в последующие месяцы: с чем более высоким временным разрешением регистрировались импульсы, тем яснее просматривалась их тонкая структура, показывавшая, что интенсивность радиоизлучения изменяется за десятитысячные доли секунды (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Отдельный импульс, полученный с высоким временным разрешением. Сигнал пульсара имеет сложную тонкую структуру.
По скорости изменения интенсивности излучения можно оценить размеры той области пространства, из которой оно исходит. Рассмотрим для простоты полусферу, удаленную от наблюдателя на столь большое расстояние, что и невооруженным глазом, и в телескоп она выглядит просто точкой (рис. 8.3). Пусть на поверхности сферы происходит очень короткая вспышка света. Что же видит удаленный наблюдатель? Излучение распространяется от сферы со скоростью света. Поскольку расстояние от наблюдателя до различных точек сферы неодинаково, излучение, одновременно испущенное всеми точками сферы, приходит к наблюдателю в различные моменты времени: вначале поступает сигнал от центра «видимого диска», который ближе всего к наблюдателю, затем от окружающей его области, и, наконец, от краев. Таким образом, регистрируемый наблюдателем импульс «размазывается» — он имеет большую длительность, чем исходный короткий импульс света. Продолжительность импульса увеличивается на то время, за которое свет проходит расстояние, равное радиусу сферы. Сказанное можно распространить не только на короткие световые импульсы, но и на любые изменения яркости свечения сферы, поскольку сигнал, соответствующий как уменьшению, так и увеличению яркости, доходит до наблюдателя от различных точек сферы за неодинаковое время. «Размазывание» сигнала будет наблюдаться и в том случае, когда форма излучающего объекта отличается от сферической.
Рис. 8.3. Световой импульс (слева вверху), испускаемый сферической поверхностью, для удаленного наблюдателя размазывается во времени (внизу справа), поскольку сигналы от разных точек поверхности приходят не одновременно.
Таким образом, если регистрируемые изменения яркости источника происходят, скажем, за десятитысячные доли секунды, то из этого следует, что размеры источника не могут быть существенно больше того расстояния, которое свет проходит за это время, т. е. 30 километров. Если бы источник имел большие размеры, то изменения яркости «размазывались» бы на более длительное время. В пределах одного импульса интенсивность изменяется в течение одной десятитысячной доли секунды; это видно по крутым фронтам зубцов на кривой на рис. 8.2 . Поскольку радиоизлучение распространяется со скоростью света, из этого можно заключить, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров. Подобные размеры чрезвычайно малы по сравнению с теми, с которыми мы привыкли иметь дело во Вселенной. Диаметр белых карликов составляет несколько десятков тысяч километров; диаметр Земли равен примерно 13 000 километров. Таким образом, сигналы пульсаров несут сведения о том, насколько малы те области пространства во Вселенной, из которых исходит это чрезвычайно интенсивное радиоизлучение.