Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров. - Павел Амнуэль

Рентгеновское излучение Крабовидной туманности наблюдалось много раз. С 1963 года, когда оно было впервые обнаружено, состоялись десятки запусков ракет. Результаты проверялись и перепроверялись. Зимой 1968 года в Крабовидной туманности был обнаружен пульсар. Возник вопрос: если пульсар так сильно меняет радиоблеск, то почему постоянно рентгеновское излучение?

А может, оно и не постоянно, сказали наблюдатели, мы об этом не думали. Заметьте: не думали, а потому и не увидели. Новых ракетных стартов не потребовалось. Группа американских ученых, возглавляемая Е. Болдтом, неоднократно запускала ракеты для исследований Крабовидной туманности. Последний старт состоялся в марте 1968 года. Несколько месяцев спустя Е. Болдт с сотрудниками заново обработал результаты этого полета с учетом того, что переменность рентгеновского источника может быть быстрой. И переменность нашли — точно такую же, как у радиопульсара, с периодом 33 миллисекунды. Вот вам и достоверность наблюдательных данных…

Смущенные наблюдатели решили реабилитировать себя до конца. Решили найти быструю переменность и у оптического объекта — южной звезды. Лет десять назад для постановки такой задачи нужна была изрядная фантазия, а теперь не поставить ее было просто невозможно!

В январе 1969 года в обсерватории Стюарда при Аризонском университете Дж. Кок, Дж. Дисней и Дж. Тейлор провели серию оптических наблюдений южной звезды, использовав фотоумножители, способные фиксировать быстрые колебания блеска. И открыли первый оптический пульсар. Восемьдесят лет астрономы наблюдали южную звезду, а после второй мировой войны даже догадывались (правда, лишь некоторые!), что это нейтронная звезда. Но ее пульсирующее излучение было обнаружено лишь после того, как пройти мимо этого открытия стало совершенно невозможно. Это открытие наблюдатели были вынуждены сделать.

Тридцатипятилетняя эпопея поиска нейтронной звезды в Крабовидной туманности завершилась морозными январскими ночами 1969 года…

Ф. Цвикки утверждал, что нейтронные звезды возникают при взрывах сверхновых. Но во время взрыва образуется и газовая оболочка. Почему же пульсары в основном оказались не связанными с газовыми расширяющимися остатками сверхновых? Нет ли какого-то скрытого порока в рассуждениях Ф. Цвикки?

Правда, Крабовидная туманность не одинока. Пульсар был обнаружен и в другом остатке, расположенном в созвездии Парусов. В 1968 году австралийские радиоастрономы открыли в этом остатке (он называется Паруса X) пульсар с очень коротким периодом — 89 миллисекунд.

Но главное не в этом. Газовая туманность — остаток взрыва сверхновой — довольно быстро рассеивается в межзвездном пространстве. Через несколько десятков тысячелетий после взрыва туманность уже очень трудно обнаружить, радиоизлучение ее уменьшается, газ смешивается с межзвездной средой. А пульсар светит в течение значительно более длительного времени. Так что вполне может случиться, что туманности уже нет, а пульсар еще есть.

Чтобы согласиться с этой гипотезой, нужно знать, сколько времени светит пульсар. Мы говорили, что пульсар — это не мертвая нейтронная звезда. А нужно, вообще говоря, сказать — пока не мертвая. В конце концов за счет чего бы пульсар ни излучал, запас энергии иссякнет, и нейтронная звезда станет именно такой, какой ее раньше и представляли: невидимым десятикилометровым «шариком» без признаков активности. Мы знаем, что энергия, идущая на излучение пульсара, черпается из энергии вращения звезды. Значит, энергия вращения должна со временем уменьшаться. Вращение звезды должно тормозиться. То есть период повторения импульсов должен непрерывно возрастать…

Такой эффект действительно есть. Периоды пульсаров растут. Впервые это обнаружил Д. Ричардс сразу после открытия пульсара в Крабовидной туманности. По измерениям Д. Ричардса, период этого пульсара (его обозначение PSR 0531+21) увеличивается на 0,05 % в год. Вскоре было обнаружено, что период другого пульсара, расположенного в остатке сверхновой (пульсар в туманности Паруса X обозначается PSR 0833—45), также увеличивается, но несколько медленнее, всего на 0,01 % в год. Прошло несколько месяцев, и свои данные опубликовал Т. Коул, работавший в Кембридже под руководством Э. Хьюиша. Ему удалось установить увеличение периода у всех четырех пульсаров, открытых в Кембридже. Правда, эти пульсары тормозили свое вращение значительно медленнее двух первых.

Теперь можно приблизительно рассчитать, сколько времени светит тот или иной пульсар. Если период все время возрастает на определенную долю, то какое-то время назад период был вдвое меньше, а раньше — меньше вчетверо, в восемь раз и так далее. В конце концов можно добраться до момента, когда период вращения нейтронной звезды был и вовсе равен нулю. Ясно, что раньше этого момента пульсар существовать не мог, вот мы и получили приблизительно время его рождения. Возраст пульсара ненамного отличается от времени, в течение которого период увеличивается вдвое.

Период пульсаций южной звезды в Крабовидной туманности увеличивается на 1/2000 своей величины в год. Получается, что этот пульсар образовался что-то около 2000 лет назад. Но мы знаем, что взрыв сверхновой произошел в 1054 году. Возраст южной звезды должен быть не два тысячелетия, а только девять веков…

Не нужно, однако, требовать от метода больше того, что он может дать. Возраст южной звезды оценен в предположении, что торможение вращения пульсара всегда происходило равномерно. Но было ли так на самом деле? Помните, как астрономы ошиблись в определении возраста Крабовидной туманности? Они не учли, что туманность расширяется ускоренно.

Прием динамизации: мы принимали, что изменение периода вращения звезды остается постоянным со временем, а оно оказалось переменным. И наблюдатели нашли этому прямое доказательство.

Австралийские радиоастрономы П. Ричли и Д. Даунс в 1969 году наблюдали пульсар в остатке сверхновой Паруса X. Всю зиму наблюдения показывали, что период пульсаций стабильно увеличивается. С 24 февраля по 3 марта наблюдения не проводились, а когда радиотелескоп вновь направили на пульсар, то… период оказался совсем не таким, как ожидалось! Он почему-то не увеличился, а уменьшился. Пораженные наблюдатели продолжали исследования. Еще неделя, еще месяц… Пульсар тормозил свое вращение в том же самом темпе, что и до «инцидента», как будто ровно ничего не случилось! Что же произошло? Будто сбой пульса у совершенно здорового человека…

Несколькими месяцами позднее такой же сбой периода произошел у звезды Минковского — поистине все аномалии неба собрались в этом уникальном объекте! Летом 1971 года опять сбился с ритма пульсар в Парусах. Да и пульсар в Крабовидной туманности не отставал.

Можно ли надежно определять возраст пульсара по замедлению его вращения, если период то и дело скачком уменьшается? Да и как вообще объяснить это уменьшение периода? Торможение вращения звезды — это понятно. Энергия вращения теряется на ускорение частиц и на излучение. А уменьшение периода? Получается, что некто накачивает в пульсар дополнительную энергию?

Впрочем, все объяснилось достаточно просто. Энергия вращения звезды пропорциональна не только угловой скорости, но моменту инерции. Допустим, что энергия вращения не изменилась, а угловая скорость вдруг увеличилась. О чем это говорит? Только о том, что неожиданно уменьшился момент инерции звезды.

Казалось бы, не одно противоречие — так другое! Почему должен вдруг уменьшиться момент инерции?

Момент инерции звезды зависит от ее массы и размеров, а также от того, как распределено внутри звезды вещество, как быстро растет плотность с приближением к центру звезды. Не будем говорить о массе — вряд ли масса нейтронной звезды может скачком уменьшиться. Но вот размеры и распределение вещества… М. Рудерман почти сразу после обнаружения сбоя периода у пульсара PSR 0833—45 дал объяснение этому феномену. Он предложил гипотезу «звездотрясения». Что-то происходит со звездой, ее неспокойные недра переживают какие-то катаклизмы, о которых мы пока ничего не знаем. И напряжения в веществе нейтронной звезды неожиданно приводят к тому же, к чему приводят напряжения в земной коре — происходят «звездотрясения». Самое мощное землетрясение на нашей планете не в состоянии своротить даже небольшой горный хребет — для этого недра Земли недостаточно активны. А «звездотрясения» в нейтронных звездах охватывают всю звезду, перестраивают ее недра, уплотняя их, и радиус звезды скачком уменьшается.

Насколько же должен уменьшиться радиус нейтронной звезды, чтобы объяснить наблюдаемый скачок периода? Оказывается, радиус звезды Минковского в Крабовидной туманности в момент «звездотрясения» стал меньше на… сотую долю миллиметра! Всего-навсего.

Наблюдая торможение вращения пульсаров, можно достаточно надежно определить: действительно ли именно энергия вращения идет на ускорение газовой туманности, на излучение туманности и пульсара. Достаточно ли для всего этого одной вращательной энергии, или нужны еще иные источники?