|
Радиопульсары Сорок лет назад, в конце 1967 г., в Кембридже (Великобритания) будущий нобелевский лауреат Энтони Хьюиш (Antony Hewish) и его аспирантка Джоселин Белл (Jocelyn Bell) зарегистрировали, как они сначала полагали, сигналы от внеземных цивилизаций…
Эти сигналы вполне соответствовали предполагавшемуся тогда характеру посланий от носителей инопланетного разума и представляли собой импульсное излучение с ярко выраженной модуляцией, в которой обязана была содержаться некая информация. Период между импульсами сохранялся с очень большой точностью и равнялся 1,337 секунды. В те годы технически развитые цивилизации за пределами Земли считались весьма агрессивными — такая точка зрения была вызвана многочисленными фантастическими романами, красочно живописующими завоевание нашей планеты пришельцами. Поэтому авторы сочли за благо скрыть от научной и мировой общественности результаты своих наблюдений, зашифровав их под кодовым названием "маленькие зеленые человечки" ("small green men"). Однако любознательность ученых заставляла их исследовать заинтриговавшую область пространства, и вскоре там были обнаружены еще три источника с очень похожим характером излучения. Не подлежало сомнению, что открытие четырех однотипных внеземных цивилизаций — событие практически невероятное. К тому же появились описания естественных объектов, способных испускать импульсное излучение: белых карликов, известных астрономам уже более сотни лет (не исключалась возможность их пульсации), и гипотетических вращающихся нейтронных звезд. В начале 1968 г. в журнале "Nature" была опубликована первая статья, посвященная этим необычным источникам, которые получили название ПУЛЬСАРЫ (сокращенное от английского pulsating stars). После появления первых печатных работ по пульсарам к кембриджским исследователям присоединились радиоастрономы из СССР (Пущино), Австралии (Молонгло) и США (Аресибо). 
Пока периоды открытых пульсаров были порядка секунды, астрофизики разрабатывали обе гипотезы об их природе, высказанные авторами открытия. Однако после обнаружения пульсара с периодом 33 мс (1/30 секунды) в знаменитой Крабовидной туманности, сформировавшейся на месте появления "звезды-гостьи" (так было записано в китайских летописях 1054 г. о вспышке Сверхновой в созвездии Тельца), осталась только гипотеза вращающейся нейтронной звезды, поскольку белые карлики не могут пульсировать с такими короткими периодами. Что же касается вращения, то и белые карлики, и тем более обычные звезды при таких скоростях были бы разрушены центробежной силой. Взрыв Сверхновой происходит тогда, когда в недрах звезды прекращаются термоядерные реакции, и вызываемое ими внутреннее давление больше не может противостоять силе тяжести. Внешние слои начинают сжиматься и падают на центральную часть. При этом в центре звезды образуется ядро с массой порядка массы Солнца (2x10'1" кг) и радиусом, сравнимым с радиусом Земли (~10000 км), что приводит к появлению белого карлика. Если же масса "предсверхновой" очень велика (например, 10 масс Солнца), то радиус внутренней части оказывается равным 10 км, и образуется нейтронная звезда. При этом выделяется огромное количество энергии. Часть внешних слоев, не успевшая долететь до центрального ядра, за счет этой энергии выбрасывается в пространство, образуя быстро расширяющуюся раскаленную оболочку, что воспринимается внешним наблюдателем как появление новой, не видимой ранее звезды. Во время сжатия центральной части звезды с атомов сначала "обдираются" электронные оболочки, и образуются голые ядра тех элементов, которые сформировались в процессе ядерных реакций. Но сжатие продолжается, и сами ядра атомов начинают разваливаться на нуклоны (протоны и нейтроны), а затем протоны и электроны тоже объединяются в нейтроны с выделением частицы нейтрино — эти процессы как раз и служат основным источником энергии, "ответственной" за взрыв. Если плотность в центре такой звезды превысит ядерную (примерно 1015 г/см! или больше), что допускается в целом ряде моделей, возможен развал нуклонов на составляющие их части. В настоящее время такими составляющими считаются кварки. При появлении этих частиц в свободном состоянии могут образовываться странные звезды (по названию одного из кварков — странного кварка S), еще более компактные, по сравнению с нейтронными звездами. При таких чудовищных плотностях (миллиард тонн в одном кубическом сантиметре!) совершенно изменяются свойства вещества. Объединившиеся в пары "выжившие" протоны становятся сверхпроводящими, т.е. протонный ток может существовать в течение очень длительных промежутков времени без затухания. Нейтроны начинают проявлять сверхтекучесть. Они образуют вихревые нити, параллельные оси вращения нейтронной звезды, и их движение, не подверженное влиянию вязкости, продолжается в течение многих лет. Поверхность нейтронной звезды остается твердой и состоит из кристаллов железа. Одна из особенностей такой звезды — наличие у нее мощного мазерного излучения. Именно его наземные приемники воспринимают как периодические импульсы. Импульсный характер излучения связан с наклоном конуса излучения к оси вращения. Этот конус один раз за период вращения проходит через наблюдателя и "освещает" его. Такая модель "космического радиомаяка" в настоящее время считается общепринятой. Можно сказать, что пульсар представляет собой уникальную физическую лабораторию, в которой сама природа создала мощнейшие магнитные (до 1013 Гс) и электрические (до 1012 В/см) поля, плотности в центральных областях — порядка плотности атомного ядра. В этих условиях могут образовываться л-мезоны, гипероны и даже свободные кварки. В макроскопических масштабах существуют высокотемпературные сверхтекучесть и сверхпроводимость, движения плазмы со скоростями, близкими к скорости света, начинают работать когерентные (мазерные) механизмы излучения. Следует подчеркнуть, что в земных лабораториях такие условия не только не созданы к настоящему времени, но и весьма проблематична их реализация даже в очень отдаленном будущем. Но этим значение пульсаров для науки не ограничивается. Исчезающе малые угловые размеры (небольшой линейный диаметр в сочетании с огромным расстоянием до этих объектов) делают их незаменимыми зондами для исследования межзвездной среды. Мы хорошо знаем о мерцании звезд в результате преломления их света неоднородностями земной атмосферы. Излучение пульсаров также может заметно искажаться неоднородной средой, заполняющей пространство между ними и наблюдателем. Анализ картины "радиомерцаний" позволяет оценить размеры неоднородностей, скорости их движения, плотность. Кроме того, по наблюдениям поляризации излучения можно определить величину галактического магнитного поля в направлении на пульсар. Эти данные дают возможность сделать важные выводы о природе неоднородностей и процессах, протекающих в межзвездной плазме. 
Пульсары представляют собой не только генераторы мощного электромагнитного излучения, но и источники космических лучей — частиц высоких энергий. При взрыве Сверхновой выделяется до 10°2 эрг, которые могут передаваться отдельным частицам. В мощных электрических полях пульсаров происходит ускорение плазмы, что приводит к выбросу релятивистских частиц за пределы их магнитосфер и к возможности их регистрации как космических лучей наземными установками. Несколько десятков радиопульсаров оказались компонентами двойных систем. Некоторые из этих систем настолько компактны, что в них должны проявляться эффекты общей теории относительности — движение точки периастра (наименьшего расстояния между компонентами), задержка сигнала и искривление луча в поле тяжести компаньона. Такие системы позволяют проверить точность предсказаний теории относительности, а значит, и жизнеспособность самой теории. Наконец, высокая стабильность периода испускания импульсов дает возможность использовать этот периодический процесс для построения новой, независимой хронологической шкалы. Такая "пульсарная" шкала оказывается более точной на большом временном интервале, чем все известные земные стандарты. Кроме того, она связана с космическими объектами и на нее не влияют никакие катаклизмы, происходящие на нашей планете и в Солнечной системе. Удивительные свойства пульсаров не ограничиваются описанными выше. Наблюдения свидетельствуют о том, что эти радиоисточники являются, вероятно, самыми нестационарными в изученной части Вселенной. Если их периоды сохраняются в течение очень больших промежутков времени, хотя и с постепенным закономерным увеличением вследствие торможения вращения нейтронной звезды, то интенсивность регистрируемых импульсов изменяется на всех исследованных интервалах. Измерения с высоким временным разрешением (порядка микросекунды) обнаруживают сверхтонкую, изменяющуюся во времени, структуру импульсов. Интенсивность отдельно взятых радиосигналов сильно изменяется от импульса к импульсу, а иногда источник совсем "выключается". Переменность излучения наблюдается в масштабах минут, часов, месяцев, лет. Причины такой переменности остаются по большей части неизвестными — так же, как и основные процессы, протекающие внутри нейтронной звезды, на ее поверхности и в магнитосфере, понятные пока лишь в общих чертах. Многие интересные особенности, наблюдаемые в пульсарах, еще требуют своего тщательного исследования. Для выполнения этой задачи необходимы новые научные силы и свежие идеи. Возможно, за нее возьмется кто-нибудь из читателей этой статьи, неравнодушный к тайнам Вселенной — ив будущем ему суждено продвинуться в понимании во многом еще загадочной природы "космических радиомаяков". Игорь Малов, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук. Пущинская радиоастрономическая обсерватория. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН |
