Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Перельман Марк Ефимович

В белый карлик, после сброса оболочки, может обратиться звезда, масса которой составляла не более 1,4 от массы Солнца (чандрасекаровский предел [65] , примерно тогда же аналогичный результат получил и Л. Д. Ландау). Это очень плотные образования, их радиус порядка 1 % от радиуса Солнца, а плотность до тысячи кг на куб. см. Давление в них, которое противостоит силам гравитационного сжатия, обусловлено принципом Паули: вспомним, что никакие два фермиона, в частности два электрона, не могут иметь одинаковые квантовые числа, поэтому в такой звезде спектр энергий частиц должен быть велик, и их соответствующие импульсы не позволяют ей продолжать сжатие.

65

 Субрахманьян

Чандрасекар (1910–1995, Нобелевская премия 1983 г.), астрофизик и математик, племянник Ч. В. Рамана, лауреата Нобелевской премии по физике 1930 г. Вместе с ним премию получил Уильям А. Фоулер (1911–1995) за теорию происхождения всех элементов, вплоть до тяжелых, в ходе эволюции звезд.

Если же масса звезды выше чандрасекаровского предела, то наступает гравитационный коллапс (от латинского «коллапсус» — ослабевший, одряхлевший), ее дальнейшее сжатие. Для звезд с массой не больше 2–3 масс Солнца оно заканчивается на стадии нейтронной звезды, более массивные звезды преобразуются в релятивистские черные дыры.

Нейтронную звезду можно представить себе как одно гигантское атомное ядро: большинство протонов при его образовании превращается в нейтроны, испуская при этом нейтрино и позитроны, аннигилирующие с электронами, которые были в среде (впервые предположение о возможности существования таких объектов выдвинул в 1932 г. Л. Д. Ландау). Поэтому плотность вещества в них достигает 10¹⁴ г/см³ (до млрд тонн на куб. см), температура в центре в начале процесса 10¹¹ градусов, а интенсивность всплеска излучения такова, что за 10-100 с она падает в сто раз. У нейтронных звезд должны существовать твердые нейтронные кора и ядро, между которыми находится жидкая — из нейтронов! — оболочка и тому подобные чудеса.

Итак, момент образования нейтронной звезды должен характеризоваться коротким всплеском излучения нейтрино. Именно такой всплеск повезло зафиксировать, как описано выше, группе Масатоси Косиба в момент образования сверхновой звезды SN1987А. Таким образом, был подтвержден один из сценариев образования сверхновых, самых ярких из наблюдаемых вспышек (в нашей Галактике их зафиксировано шесть, последняя — вспышка сверхновой Кеплера — произошла в 1604 г.).

А что должно наблюдаться на месте этой вспышки?

5. Открытие пульсаров

Астрономические наблюдения издавна проводили лишь в видимой области спектра, но для выявления физических процессов в небесных телах нужно следить за всем спектром электромагнитного излучения. Развитие радиолокации в годы войны 1939–1945 гг. позволило начать разработку методов и устройств радиоастрономии (необходимо отметить большую роль В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского в создании ее методов). Исследования в этом диапазоне во много раз расширили понимание процессов на Солнце и в межзвездном газе и привели к открытию целого ряда источников, не видимых в оптическом диапазоне или не проявлявших в нем каких-либо особенностей (так были, в частности, открыты целые радиогалактики).

В Кембридже в 1960-е гг. был построен радиотелескоп, состоящий из сочетания более 2000 отдельных антенных элементов, установленных на площади в два гектара. Такой телескоп, конечно, не вращается — он просматривает определенные участки неба, меняющиеся с вращением Земли. Среди прочих наблюдениями на нем и обработкой результатов под руководством Энтони Хьюиша (р. 1924) занималась аспирантка Джоселин Белл: ее темой были быстрые флуктуации радиоизлучения от космических источников, попадающих в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.

0 том, что при этом случилось в июле 1967 г., она спустя несколько лет вспоминала так: «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… Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды. 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».

С одной стороны, источник, по всей очевидности, 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? Хьюиш и Белл попросту перепугались: вдруг им сигнализируют инопланетяне, представились почему-то какие-то «зеленые человечки»!

Сейчас наблюдается такое количество пульсаров, что в нашей Галактике их должно быть около миллиона. Уже несколько десятилетий ведутся наблюдения удаленных галактик, чтобы установить, сколько взрывов сверхновых происходит в среднем за столетие. А это позволит выяснить, 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?

Но если это не «азбука Морзе», а естественный процесс, излучение некоего «пульсара», то как он может происходить с таким малым периодом — около секунды с повторениями импульсов? У наиболее «быстрых» переменных звезд период изменения блеска может составлять один час или того меньше, но ведь не секунды!

По скорости изменения интенсивности излучения можно оценить размеры той области пространства, из которой оно исходит, — до нас ведь свет от разных частей участка доходит за чуть разное время.

Из наблюдаемой длительности импульсов можно было заключить, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров.

«Если 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… 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.

Было совершенно невероятно, чтобы „зеленые человечки" из двух разных цивилизаций выбрали одну и ту же волну и то же время для отправки сигналов на нашу планету».

Поскольку в сообщении 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».