Пульсирующая звездаВ октябре 1967 г. группа астрономов Кембриджского университета, возглавляемая Хьюишем, проводила при помощи нового радиотелескопа исследование явления мерцания радиоволн. Подобно тому как мерцает свет звезд из-за того, что мы рассматриваем их сквозь атмос­феру Земли должны мерцать и радиоволны, испускаемые далекими дискретными точечными источниками излуче­ния: ведь они приходят к нам, пересекая объем Солнеч­ной системы, заполненный электрически заряженными частицами. Эти электрически заряженные частицы не­прерывно выбрасываются Солнцем и заполняют все меж­планетное пространство.

Теория предсказывает, что мерцание должно быть тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому наблю­дения велись на длине волны 3,7 м, тогда как обычно радиоастрономы работают на сантиметровых радиоволнах.

После того как радиотелескоп обозрел значительную часть неба и автоматическое записывающее устройство нанесло на ленту стометровой длины наблюденные радиосигналы, просматривать эту ленту привелось сту­дентке-практикантке Хоселин Белл; она первая обратила внимание на то, что наряду с радиосигналами, которые неправильно, случайным образом, как это должно быть при мерцании, меняют свою интенсивность, обнаружива­ются радиосигналы в виде частых периодически повторяющихся всплесков.

Нужно сказать, что подобного рода периодические радиовсплески обычно бывают результатом разного рода причин чисто земного происхождения. Их могут, напри­мер, вызывать электрические замыкания в неисправных, находящихся, поблизости стиральных машинах, холодильниках и других бытовых приборах. Они могут быть следствием неисправности системы зажигания автомобиля где-нибудь по соседству.

Но проверка показала, что эти всплески приходят из одной и той же точки неба каждый раз, как радиоте­лескоп наводится на нее. Значит, всплески имеют незем­ное происхождение. Это —новое астрономическое явле­ние, какой-то новый объект; неистощимой на выдумки природы.

Так как наиболее характерная особенность нового объекта — радиоизлучение в виде правильно чередую­щихся отдельных импульсов, решено было (и удачно) назвать его, пульсаром. Первый пульсар получил обозна­чение CP 1919 (Cambridge Pulsar; прямое восхождение =19h9m).

Вскоре при помощи того же радиотелескопа были от­крыты еще три пульсара. А после этого, когда поисками занялись другие радиообсерватории, в том числе и на­ходящиеся в южном полушарии Земли, число открывае­мых пульсаров стало быстро расти и в настоящее время количество известных пульсаров стало больше трехсот.

Кажется удивительным, что объекты, дающие о себе знать столь определенным, отличным от других объектов образом, были обнаружены только в 1967 г., когда радио­астрономия уже имела 20-летний опыт интенсивных наблюдений.

Объяснение состоит в том, что, как мы уже указы­вали, радиоастрономические наблюдения ведутся обычно в сантиметровых волнах, а излучение пульсаров в этих длинах волн намного слабее, чем в метровых. Кроме того, промежутки времени между сигналами пульсаров малы и для их обнаружения необходимо, чтобы большой радиотелескоп обладал записывающим устройством, спо­собным разделять сигналы, следующие друг за другом через короткие промежутки времени.

Именно при исследовании мерцания радиоволн потре­бовалось создать условия наблюдения, которые оказались благоприятными для открытия пульсаров.

Наиболее поразительная черта пульсаров — строгое постоянство промежутков времени между радиовсплеска­ми. Для первого пульсара CP 1919 этот промежуток времени равен 1,33730113 секунды. На рисунке показан вид записи на ленте радиосигналов этого пульсара. Мы видим, что амплитуды всплесков различны, но промежутки времени между ними одни и те же.

Частота пульсара CP 1919

Если промежуток времени между двумя последова­тельными тиканьями ваших часов, читатель, выдерживается с точностью до одной тысячной доли самого про­межутка, то часы можно считать хорошими. При правильной регулировке они не будут отклоняться за сутки больше, чем на четверть минуты.

Промежуток времени между двумя последователь­ными   радиовсплесками у пульсара   СР 1919,   равный приблизительно одной с третью секунды, выдерживается с точностью до стомиллионной доли секунды! Именно поэтому продолжительность периода записана с восемью цифрами после, запятой. Но при этом необходимо сделать оговорку. Современные технические средства не позволя­ют измерить один промежуток времени с точностью до стомиллионной доли секунды. Нельзя поэтому категори­чески утверждать, что точность— стомиллионная доля секунды, соблюдается для каждого периода между дву­мя радиовсплесками. Для измерения периода пульсар не­прерывно наблюдают в течение длительного промежутка времени и считают на ленте число состоявшихся вспле­сков. Если теперь разделить этот длительный промежуток времени на число сосчитанных всплесков, то получится период между всплесками с большой точностью. Легко подсчитать, что пульсар СР 1919 за полгода посылает более ста миллионов радиовсплесков. Важно то, что число всплесков, подсчитанных в два отдельных полуго­дия, оказывается в точности одинаковым. Можно пред­полагать, что периодичность пульсаров еще более строгая, что через десять лет в числе, обозначающем период пульсара СР 1919, можно будет приписать еще одну цифру после запятой. Но строго говоря, написанный пе­риод — это средний период. Если бы, например, у пульcapa промежутки времени между всплесками были по­переменно на тысячную долю секунды длиннее и коро­че, то обнаружить это явление было бы пока невоз­можно.

Сделаем еще одну оговорку. На самом деле при на­блюдении пульсара периоды между его всплесками в те­чение года систематически изменяются. Это изменение происходит от того, что вследствие орбитального движе­ния Земли скорость наблюдателя относительно пульсара закономерно то возрастает, то уменьшается. А поэтому Согласно эффекту Доплера должен меняться и проме­жуток времени между всплесками, совершенно по тому же закону, по которому меняется промежуток времени между максимумами напряжения в электромагнитной волне. Когда Земля в своем орбитальном движении приближается к пульсару, наблюдаемый период между радиовсплесками пульсара должен уменьшаться, а при удалении увеличиваться. Этот эффект можно точно рас­считать и учесть. Строгое постоянство периодов у пуль­сара получается именно тогда, когда учтено влияние орбитального движения Земли.

Если изучать радиовсплески пульсара в различных длинах волн, то обнаруживается интересное явление. Моменты максимума всплеска в разных длинах волн не совпадают. По мере постепенного перехода ко все более коротким волнам момент максимума всплеска наступает все раньше и раньше. При этом ослабевает интенсивность всплеска. Можно сказать, что длинноволновое радиоизлучение запаздывает по сравнению с коротко­волновым.

Это явление находит простое объяснение. Непра­вильно было бы считать, что какой-то физический про­цесс, происходящий с пульсаром, дает сначала всплеск в коротких радиоволнах, а потом последовательно во все более длинных. Такое предположение было бы очень искусственным, физически малоправдоподобным. Всплеск пульсара во всех длинах волн происходит одновременно. Но на пути к нам радиоволны движутся не в абсолют­ной пустоте, а в межзвездном пространстве, заполненном заряженными частицами — свободными электронами. Известен физический закон, согласно которому скорость радиоволн должна при этом уменьшаться, причем замед­ление пропорционально плотности электронов и пропор­ционально длине волны радиоизлучения. Поэтому длинные радиоволны, сильнее замедляясь, достигают Земли
позднее, чем короткие радиоволны. Отставание максимума в длинных радиоволнах от максимума в коротких радиоволнах различно для различных пульсаров. Например, для СР 1919 (теперь этот пульсар называется РSR 1919 + 21; числа означают, что его прямое восхождение равно 19h19m, а склонение +21°) всплеск самых длинных регистрируемых радиоволн (7,5 м) приходит через 8 секунд после всплеска самых коротких (10 см), а у РSR 329 + 54 промежуток времени между этими событиями достигает почти 17 секунд. Чем может вызываться это различие? Ответ прост. Расстояние до РSR 329 + 54 более чем в два раза превышает расстояние до РSR 1919 + 21, поэтому для него отставание  длинноволнового радиоизлучения во времени возрастает более чем вдвое.

Какова же физическая природа новых удивительных небесных тел, приковавших к себе внимание и наблю­дателей и теоретиков, заслонивших на некоторое время другие важные астрономические открытия и сделавших 1968 год в астрономии годом пульсаров?

Строго периодические или почти строго периодиче­ские явления достаточно широко распространены во Вселенной. Таковы пульсации цефеид, переменность блеска у затменных звезд, обращения планет вокруг Солнца и спутников планет вокруг планет, вращения звезд. Однако периодическое явление со столь малым периодом встретилось впервые. Были даже высказаны интригующие предположения, что всплески излучения пульсаров — это сигналы, посылаемые внеземными ци­вилизациями. Но почему эти сигналы так однообразны? Насколько естественнее было бы ожидать от разумных существ, освоивших метод посылки мощных сигналов, не простой периодичности, а более сложного содержащего информацию ритма. Кроме того, пока развитие цивилизаций мощно представить только на планете, ко­торая обращается около звезды. Если сигналы посыла­ются с движущейся по орбите планеты, то вследствие эффекта Доплера периоды между всплесками должны соответственно систематически изменяться, что не наблю­дается. Эффект Доплера не сказывался бы в том случае, если бы плоскость орбиты была перпендикулярна лучу зрения. Но невероятно, чтобы это редкое условие выпол­нялось для всех пульсаров.

Таким образом волнующее предположение, что об­наружены внеземные цивилизации, должно быть откло­нено.

Больше всего явление пульсаров напоминает явление пульсации цефеид. Но у цефеид периоды исчисляются часами и сутками. А у открываемых один за другим пульсаров они редко превосходили две секунды.

Теория, разработанная для цефеид, показывает, что период пульсации сжимающегося и раздувающегося свободного газообразного шара независимо от его раз­меров обратно пропорционален корню квадратному из его плотности. Следовательно, если пульсар действитель­но сжимается и раздувается как цефеида, то для того, чтобы период пульсации равнялся одной секунде, необ­ходима чрезвычайно высокая плотность. Какие тела име­ют такую плотность? Прежде всего на ум приходят звезды — белые карлики. Но даже огромная плотность белых карликов — десять тонн вещества в кубическом сантиметре — оказалась недостаточной. Она может обес­печить период пульсации только в 8 секунд, не меньше. Для обеспечения периода колебаний, например, в 0,8 с (такие пульсары уже были известны) нужна плотность в 100 раз большая, чем у белых карликов.

Пульсар в космосеОсталась единственная возможность — нейтронные звезды. Но это гипотетические, никогда еще не наблю­давшиеся звезды, реализующиеся, как думали, лишь в воображении теоретиков, которые, как это впервые в 1936 г. сделал Гамов, показали, что может существо­вать устойчивое состояние вещества при очень высоких плотностях, основным компонентом которых является вырожденная нейтронная жидкость. Теоретики подроб­но рассчитали модель нейтронной звезды. Она должна иметь радиус всего около 10 км при массе, близкой к массе Солнца. Температура ее поверхности — несколько тысяч градусов. При такой температуре внешний слой нейтронной звезды является твердой кристаллической корой толщиной около километра. К центру же звезды температура резко возрастает, достигая фантастического значения, превышающего 10 миллиардов градусов! Плотность материи в центральных областях нейтронной звезды также необычайно высока: в кубическом сантиметре содержатся сотни тонн вещества.

Нейтронная звезда, если она существует, может пульсировать с периодом в 2 секунды. Но  к   моменту, когда за объяснением феномена пульсаров обратились к гипотезе нейтронных звезд, уже были открыты самые короткопериодическиё из известных ныне пульсаров PSR 0835 — 45 с периодом 0,089 секунды, а также пуль­сар, находящийся в Крабовидной туманности, — PSR 0531 + 21, имеющий наименьший из известных ныне периодов — 0,033 секунды. Столь малые периоды изменения блеска невозможно объяснить пульсацией даже нейтронной звезды.

Но появилась другая возможность объяснения. Теория показывает, что вращающаяся нейтронная звезда должна быть окружена пронизывающей ее магнитосферой — чрезвычайно мощным магнитным полем, синхронно вращающимся вместе с ней. Магнитное поле направляет поток заряженных частиц и ограничивает его областью одного или двух своих полюсов. Энергия, освобождаемая в соответствующем месте нейтронной звезды, над ее поверхностью, стимулирует излучение. Близ поверхности звезды образуется яркое пятно, посылающее излучение в направлении сравнительно узкого телесного угла. Нейтронная звезда действует как вращающийся радио­маяк. Расчет показывает, что вследствие чрезвычайно высокой плотности она может вращаться с огромной скоростью, не разрываясь и почти не деформируясь под влиянием центробежной силы даже при периоде враще­ния в 0,001 секунды. Белый карлик при таких периодах вращения, какие имеют пульсары PSR 0835 — 45 и PSR 0531 + 21, разлетелся бы на части.

Нет иной возможности физического объяснения яв­ления пульсаров, кроме вращающихся нейтронных звезд. И все-таки такого рода удивительное объяснение, сопровождающееся материализацией, открытием ранее представлявшихся только теоретически допустимыми образований, требует подтверждений. В противном слу­чае сомнение останется.

Прежде всего, поскольку принята гипотеза вращения, необходимо исследовать его подробнее. Период быстро вращающегося тела не может в течение долгого времени сохраняться совершенно строго. Вследствие любого взаи­модействия с окружающей звезду средой, вращение должно замедляться. При выбрасывании из звезды ка­ких-либо частиц или в результате излучения, угловая скорость вращения также должна изменяться. Изменит­ся она   также   в   том  случае,   если   хоть   немного увеличится или уменьшится в ходе эволюции радиус звезды.

Выше мы писали, что у открываемых пульсаров об­наруживалась строгая периодичность пульсаций. Это утверждение, как вскоре выяснилось, не является совер­шенно верным. Благодаря тому, что период пульсаров можно определять с очень высокой степенью точности, достаточно точно можно определять и ничтожно малые вековые, т. е. постепенно накапливающиеся, изменения периода.

Впервые это удалось сделать для самого быстро вра­щающегося пульсара PSR 0531 + 21. Измерения, прове­денные в октябре 1968 г. ив феврале 1969 г., показали, что в течение этого времени период пульсара увеличивал­ся каждые сутки на 365 наносекунд (наносекунда — одна миллиардная доля секунды). В настоящее время уже более чем у 90 пульсаров измерены вековые изме­нения периодов вращения. Все они показывают посте­пенное увеличение периодов. По-видимому, это результат взаимодействия с окружающей средой.

Правда, в нескольких случаях зарегистрированы и небольшие скачкообразные уменьшения периодов, кото­рые тоже находят любопытное и в то же время естественное объяснение. Когда период вращения нейтронной звезды постепенно увеличивается, ее форма должна соответственно немного изменяться. Этому препятствует твердая кора звезды. Нарастает напряжение, которое завершается взламыванием коры и скачкообразным из­менением формы,— происходит «звездотрясение» Соглас­но механическим свойствам вращающихся тел новая форма всегда в таких случаях сообщает телу меньший момент инерции относительно оси вращения, что должно привести к увеличению (небольшому, конечно) угловой скорости вращения.

В таблице для примера приведены данные о две­надцати пульсарах. Мы видим, что пульсары —это сравнительно близкие объекты (далекие обнаружить трудно). Большая часть периодов не превосходит одной секунды. Изменения периодов за сутки очень сильно различаются между собой.

Надо полагать, что в прошлом у каждого пульсара увеличение периода за сутки происходило не медленнее, чем в настоящее время, а быстрее. Поэтому если поделить период пульсара в секундах на увеличение периода за   сутки в секундах, то будет подучен верхний, со значительным запасом, предел возраста пульсара, выра­женный в сутках. Для пульсара PSR 0531 + 21 это дает 0,033 /36,5·10-9   9,0·105 суток ≈ 2470 лет. Он самый молодой из наблюдаемых пульсаров. В космогонии это чрезвы­чайно малый возраст. На самом деле пульсар еще су­щественно моложе, ведь в момент «рождения» его период уже должен был быть равен какой-то

Данные двадцати пульсаров

положительной величине. Если сопоставить все эти данные с тем, что пульсар PSR 0531 + 21 наблюдается в Крабовидной туманности, находится на том же расстоянии, что и она, и следовательно, погружен в эту туманность, а Крабовидная туманность образовалась в результате вспышки Сверхновой 1054 г., то нужно заключить, что и пульсар образовался в результате вспышки   этой   Сверхновой.

Дополнительные теоретические исследования показа­ли, что материя нейтронных звезд может сформироваться только в условиях чрезвычайно высокого давления, когда под его нажимом электроны как бы вдавливаются в про­тоны, нейтрализуя их заряд. При нормальном спокойном течении эволюции звёзды такой процесс произойти не может. Но условия, которые создаются во внутренних областях взрывающейся сверхновой звезды, как раз благоприятны для такого процесса. Нейтронные звезды должны образовываться после взрыва сверхновой, когда отделившаяся от звезды оболочка начинает рассеиваться в окружающем пространстве. Это и есть рождение пульсара.

Обнажившаяся при рассеивании оболочки нейтрон­ная звезда сначала имеет горячую поверхность: темпе­ратура ее исчисляется миллионами градусов. Но затем происходит довольно быстрое охлаждение поверхности и поток направляющих электронов тоже теряет скорость, излучение индуцируется в основном длинноволновое, пульсар наблюдается только в радиочастотах. Однако у очень молодого пульсара охлаждение поверхности может быть еще не полным, соответственно излучение его может содержать коротковолновую часть — оптиче­ские и даже рентгеновские лучи. Это рассуждение за­мечательным образом находит подтверждение в том, что пульсар Крабовидной туманности является пока единственным наблюдаемым и оптически и в рентгенов­ских лучах. Период его пульсации в этих диапазонах длин волн тот же — 0,033 секунды.

И последнее подтверждение всей построенной карти­ны. Именно пульсар PSR 0531 + 21 окружен яркой Крабовидной туманностью. Около еще двух сравнительно молодых пульсаров обнаруживаются туманности — остат­ки сверхновых звезд, У остальных пульсаров, значи­тельно более старых, выброшенные оболочки сверхновых звезд успели уже рассеяться, раствориться в межзвезд­ном пространстве.

Для того чтобы оценить общее число пульсаров в Галактике, нужно учесть, что те из них, которые удале­ны больше чем на 100—150 пс, пока не могут быть обнаружены вследствие слабости их излучения. Но и сре­ди близких пульсаров более 80% остаются незамечен­ными, так как вследствие «неудачной» ориентации их оси вращения посылаемое ими направленное излучение минует Землю. Если все это учесть, то можно прийти к выводу, что в Галактике имеется около 300 тысяч пульсаров.
 

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.