Пульсар

Пульсар

С О Д Е Р Ж А Н И Е.

1. Новый радиотелескоп в Кембридже.

2. Открытие первого пульсара (рассказывает Джоселин Белл).

3. Пульсары имеет малые размеры.

4. Можно ли увидеть пульсары ?

5. Пульсар в Крабовидной туманности - видимая звезда.

6. Что такое пульсары ?

7. Томас Голд объясняет пульсары.

8. Вопросы на которые нет ответов.

а) действительно ли пульсары нетронные звезды.

б) есть ли у пульсаров планеты.

в) как образуются пульсары.

_ 2Пульсары.

Сообщение, опубликованное в феврале 1968 года в английском

журнале "Nature", было столь удивительно, что его тут же подхва-

тила вся мировая пресса. Группа ученых Кембриджа, руководимая

Энтони Хьюишем, извещала о том, что ей удалось принять радиосиг-

налы из глубин вселенной.

После второй мировой войны начался расцвет радиоастроно-

мии. Космический газ - межзвездное вещество - обладает способ-

ностью испускать и поглощать излучения в области радиочастот.

Подобно свету, это излучение проходит сквозь земную атмосферу и

может служить дополнительным источником информации о Вселенной.

Исследуя космическое радиоизлучение,можно получать сведения о

свойствах межзвездного вещества в нашей Галактике; удается также

принимать и анализировать радиоизлучение межзвездного газа в

других звездных системах. Галактики, дающие особенно интенсивное

радиоизлучение, получили название радиогалактик.

Приходящее к нам радиоизлучение испытывает влияние вещества,

выбрасываемого Солнцем и движущегося в межпланетном пространстве

к границам Солнечной системы. Наблюдаемые из-за этого временные

флуктуации радиоизлучения во многом подобны мерцанию света

звезд, обусловленному движениями воздушных масс в атмосфере.

Именно для исследования подобных флуктуаций, обусловленных

межпланетным веществом, и был предназначен радиотелескоп, строи-

тельство которого было начато в Кембридже в 60-е годы. На площа-

ди в два гектара было установлено более двух тысяч отдельных ан-

тенных элементов. Поскольку с помощью этого антенного поля пред-

полагалось исследовать флуктуации излучения радиоисточников,

вызванные солнечным ветром, приемное устройство было рассчитано

на регистрацию быстрых изменений приходящего радиоизлучения.

Прежние радиотелескопы не давали такой возможности, и по этому

кембриджский радиотелескоп как будто специально был приспособлен

для открытия быстропеременных сигналов от пульсаров - открытие,

которое отодвинуло на второй план ту задачу, ради которой радио-

телескоп был построен: исследования флуктуаций радиоизлучений,

обусловленых солнечным ветром.

Поскольку поворачивать гигантскую антенну невозможно, подоб-

ный радиотелескоп принимает радиоизлучение из узкой полосы не-

- 2 -

бесной сферы, которая проходит над антенной радиотелескопа, пока

Земля совершает свое суточное вращение. В июле 1967 года строи-

тельство было закончено и начались наблюдения. Круглые сутки ре-

гистрировалась интенсивность приходящего радиоизлучения с длиной

волны 3.7 метра. За неделю на 210 метрах диаграммной ленты само-

писец рисовал кривые интенсивности излучения от 7 участков неба.

Усилия были направлены на поиск стабильных радиоисточников, из-

лучения которых "мерцают", взаимодействуя с солнечным ветром.

Наблюдениями на телескопе и трудоемкой обработкой результатов

занималась аспирантка Джоселин Белл. Ее интересовали быстрые

флуктуации радиоизлучений от космических источников, попадающих

в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.

Девять лет спустя Джоселин Белл в своей речи на одном из

приемов вспоминала о том времени, когда она под руководством Хь-

юиша работала в Кембридже над диссертацией. Она рассказывала о

выходящей из-под пера самописца нескончаемой ленте, которую ей

приходилось просматривать. После первых трех десятков метров она

научилась распознавать радиоисточники, мерцающие из-за солнечно-

го ветра, и отличать их от радиопомех земного происхождения .

"Через шесть или восемь недель после начала исследований я обра-

тила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированно-

го самописцем. Эти отклонения не очень походили на мерцания ра-

диоисточника; 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 года она

вновь занялась этим явлением и попыталась записать сигнал с бо-

лее 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 вре-

мени, подтвердилось сразу же, как только лента была вынута из

прибора. Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть

секунды ( см. рис.1 ). Я тотчас же связалась с Тони Хьюишем, ко-

торый читал в Кембридже лекцию для первокурсников. Первой реак-

цией его было заявить, что импульсы - дело рук человеческих. Это

было естественно при данных обстоятельствах. Однако мне поче-

му-то казалось возможным, что сигнал может идти и от какой-ни-

будь звезды. Все-таки Хьюиш заинтересовался происходящим и на

другой день пришел на телескоп как раз в то время, когда источ-

ник входил в поле зрения антенны - и сигнал, к счастью, появился

снова." Источник со всей очевидностью имел неземное происхожде-

ние, поскольку сигнал появлялся каждый раз когда телескоп оказы-

вался на этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели

так, как будто их посылают люди. Быть может, это представители

неземной цивилизации ? Едва ли, в прочем, сигнал шел от планеты,

обращающейся вокруг звезды. В этом случае расстояние между со-

седними импульсами изменялось бы сообразно с периодом обращения

планеты, поскольку расстояние до радиоисточника было бы непосто-

янно. "Незадолго до Рождества я предложила Тони Хьюишу выступить

на конференции и на самом высоком научном уровне поставить воп-

рос о том, каким образом следует истолковать эти результаты. Мы

не верили, что сигналы посылает какая-то чужая цивилизация, од-

нако 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 пробле-

ма: как следует обнародовать эти результаты, что бы это было

сделано со всей ответственностью ? Кому первому сообщить об этом

? В тот день мы так и не решили эту проблему: я отправилась до-

мой в полной растерянности. Мне нужно было писать свою диссерта-

цию, а тут откуда-то взялись эти окаянные "зеленые человечки",

которые выбрали именно мою антенну и рабочую частоту телескопа,

чтобы установить связь с землянами. Подкрепившись ужином, я

вновь отправилась в лабораторию, чтобы проанализировать еще нес-

колько лент. Незадолго до закрытия лаборатории я просматривала

запись, относящуюся к совершенно к другому участку неба и на фо-

не сигнала от мощного радиоисточника Кассиопея А заметила знако-

мые возмущения. Лаборатория закрывалась, и мне пришлось идти,

однако я знала, что именно этот участок неба рано утром будет в

поле зрения телескопа. Из-за холода что-то испортилось в прием-

ном устройстве нашего телескопа. Конечно, так всегда и бывает !

Однако я пощелкала выключателем, побранилась, посокрушалась, и

минут пять установка работала нормально. И это были те самые

пять минут, когда появились возмущения. На этот раз возмущения

имели вид импульсов, следующих через 1,2 секунды. Я положила

ленты на стол Тони и отправилась праздновать Рождество. Какая

удача ! Было совершенно невероятно, чтобы "зеленые человечки" из

двух разных цивилизаций выбрали одну и ту же волну и то же время

для посылки сигналов на нашу планету".

Вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара, а в конце

января 1968 года было послано сообщение в журнал "Nature". В нем

шла речь о первом пульсаре.

Более всего пульсары поразили астрономов тем, что интенсив-

ность 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

изменяется с периодом 70 секунд - но пульсары оставили этот ре-

корд далеко позади. На это указывали и исследования, проведенные

в последующие месяцы: с чем более высоким временным разрешением

регистрировались импульсы, тем яснее просматривалось их тонкая

структура, показывавшая, что интенсивности радиоизлучений изме-

няется за десятитысячные доли секунды. ( рис. 2 ).

По скорости изменения интенсивности излучения можно оценить

размеры той области пространства, из которой оно исходит. Расс-

мотрим для простоты полусферу, удаленную от наблюдателя на столь

большое расстояние, что и невооруженным глазом, и в телескоп оно

выглядит просто точкой ( рис. 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 не одинаково, излучение, одновременно испущенное всеми

точками сферы, приходит к наблюдателю в различные моменты време-

ни: 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 ис-

ходный короткий импульс света. Продолжительность импульса увели-

чивается на то время, за которое свет проходит расстояние, рав-

ное радиусу сферы. Сказанное можно распространить не только на

короткие световые импульсы, но и на любые изменения яркости све-

чения 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 от-

личается от сферической.

Таким образом, если регистрируемые изменения яркости источ-

ника 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, то

есть 30 км. Если бы источник имел большие размеры, то изменения

яркости "размазывались" бы на более длительное время. В пределах

одного импульса интенсивность изменяется в течение одной десяти-

тысячной доли секунды; это видно по крутым фронтам зубцов на ри-

сунке 2. Поскольку радиоизлучение распространяется со скоростью

света, из этого можно заключить, что объект, от которого исходит

импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километ-

ров. Подобные размеры чрезвычайно малы по сравнению с теми, с

которыми мы привыкли иметь дело во Вселенной. Диаметр белых кар-

ликов составляет несколько десятков тысяч километров; диаметр

Земли равен примерно 13 тыс. км. Таким образом, сигналы пульса-

ров несут сведения о том, насколько малы те области пространства

во вселенной, из которых исходит это чрезвычайно интенсивное ра-

диоизлучение.

Вскоре из разных мест земного шара стали поступать сообщения

о вновь открываемых пульсарах. Сегодня их известно более трех-

сот. Периоды их лежат в пределах от 0,0016 секунд ( у PSR

1937+21 ) до 4,3 секунды ( у PSR 1845-19 ). Буквы PSR обозначают

слово "пульсар", далее даются прямое восхождение в часах ( 19 5h 0)

и минутах ( 37 5m 0 ) и склонение в градусах ( -19 5о 0 ).

Известно

шестнадцать пульсаров, периоды которых менее 12 миллисекунд.

Самый далекий пульсар находится на расстоянии 1,3 кпк. Самый

близкий пульсар отдален от Земли примерно на 60 пк ( в десятки

раз дальше, чем ближайшие звезды ), а самый далекий зафиксирован

на расстоянии около 25 кпк, т.е. далеко за центром Галактики.

Естественно предположить, что пульсары образуются и в других га-

лактиках. Пока открыли по одному короткопериодическому пульсару

в Большом и Малом Магеллановых Облаках. Девятнадцать пульсаров

найдено в шаровых скоплениях.

Хотя по форме отдельные импульсы не вполне повторяют друг

друга, период пульсара отличается высоким постоянством. Иногда

импульсы пропадают, но после возобновления приема следуют в точ-

ности в прежнем ритме.

Впоследствии удалось записать отдельные импульсы с более вы-

соким разрешением. При этом выяснилось, что они обладают еще бо-

лее тонкой структурой, чем показано на рисунке 2. Рекордная

быстрота изменения интенсивности составляет 0.8*10 5-6 0 секунды.

Это означает, что излучение исходит из области, не превышающей

250 метров в поперечнике.

Уже в первый год после открытия пульсаров обнаружилось, что

период многих из них постепенно увеличивается: со временем пуль-

сары становятся "медленнее". Однако частота следования импульсов

изменяется очень незначительно: чтобы период пульсара удвоился

должно пройти примерно 10 млн. лет.

Что же представляют собой пульсары ? Находятся ли они вблизи

Солнечной системы или также далеки от нас, как другие галактики

? Легко видеть, что пульсары располагаются среди звезд нашего

Млечного Пути. Мы уже знаем, что светлая полоса Млечного Пути,

которую мы видим на небе, это множество звезд, расположенных в

нашей Галактике. Особенно много звезд удается различить, если

смотреть по направлению к центру Галактики. Если нанести на кар-

ту звездного неба все известные пульсары, то они окажутся расп-

ределенными среди звезд нашей галактики, преимущественно в райо-

не Млечного Пути ( рис. 4 ).

Таким образом, пульсары распределены в пространстве так же,

как и звезды: они равномерно размещаются среди звезд. Это зна-

чит, что проходит не одна тысяча лет, пока сигналы от нескольких

пульсаров достигнут земных радиотелескопов. Соответственно, из-

лучения пульсаров должно иметь невероятную интенсивность, чтобы

его, несмотря на гигантские расстояния, можно было зарегистриро-

вать на Земле. И эта энергия исходит из области, диаметр которой

не превышает 250 метров ! Как только был открыт первый пульсар и

его местонахождения на небесной сфере было точно определено,

этот участок неба стали исследовать оптическими телескопами.

Звезда, координаты которой попали в область, указанную радиоаст-

рономами, оказалась самой обыкновенной. По всей видимости, она

не имела ничего общего с приходящим по этому направлению ради-

оизлучением. Сам же пульсар оставался невидимым.

Осенью 1968 года были обнаружены сигналы с периодом всего

лишь 0.03 секунды от пульсара в Крабовидной туманности. Сигналы

пульсара шли из облака, образованного остатками Сверхновой 1054

года, отмеченной в китайских и японских летописях. Нельзя ли

отождествить с пульсаром какой-либо из звездно подобных объектов

Крабовидной туманности ?

Как же определить, является ли невидимая звезда источником

пульсирующего радиоизлучения или нет ? Быть может, оптическое

излучение от звезды тоже пульсирует ? Однако человеческий глаз

неспособен заметить пульсации света от столь слабого источника.

Неособенно выручает и фотографические методы: в том месте, где

на фотопластинку попадает свет звезды она засвечивается вне за-

висимости от того, пульсирует попадающий на нее свет или нет.

Поэтому, чтобы выявить пульсации видимого излучения звезды,

приходится применят специальные методы. С телескопом соединяют

телевизионную камеру, и оптическое изображение передается на два

телеэкрана ( рис. 5 ). Период импульсов радиоизлучения нам уже

известен; в течение одной половины периода изображение поступает

на экран А, а в течение другой половины - на экран В. Если види-

мое излучение объекта пульсирует в том же ритме, что и радиоиз-

лучение, то может в принципе получиться так, что импульс будет

всегда наблюдаться на экране А, а на экране В изображение посту-

пает в те промежутки, когда импульса нет. Те источники, свет ко-

торых пульсирует с иной периодичностью, будут иметь на обоих эк-

ранах одинаковую яркость. Остается, таким образом, только срав-

нить изображения на двух экранах, чтобы выяснить, не изменяется

ли видимая яркость какой-либо звезды с тем же периодом, что ра-

диоизлучение.

То,что пульсар в Крабовидной туманности - видимая звезда

удалось обнаружить описанным выше методом. Используемая аппара-

тура работала по аналогичному принципу, только исследовался не

весь участок неба сразу, а каждая звезда по отдельности. Вместо

того чтобы наблюдать звезду на нескольких телеэкранах, ее свет

направляли поочередно на счетчики фотонов в соответствии с пери-

одом пульсара Крабовидной туманности. Схема подобного измерения

иллюстрируется на рис.6. Если свет звезды не пульсирует, то все

счетчики отмечают примерно одинаковое число световых квантов.

Если же от звезды идут вспышки с той же периодичностью, что и у

сигналов пульсара, то будут срабатывать те счетчики, которые за-

действованы в момент прихода светового импульса; остальные же

датчики ничего не регистрируют. Таким образом, за достаточно

долгое время показания счетчиков, на которые приходится "актив-

ная" доля периода, будут большими, а показания остальных счетчи-

ков, в которые попадает лишь фоновый свет от темного ночного не-

ба, остаются почти на нуле. Как говорят, подобная система счет-

чиков "накапливает" импульс.

В ноябре 1968 года два молодых астронома, Уильям Джон Кок и

Майкл Дисней, решили провести три ночных дежурства на 90-санти-

метровом телескопе обсерватории Стюарда в Тусоне ( штат Аризона

). Ни тот ни другой не имели еще опыта астрономических наблюде-

ний, и они хотели воспользоваться ночными дежурствами, чтобы

познакомиться с работой на телескопе. Они еще размышляли о том,

что именно будут наблюдать, когда в начале декабря в журнале

"Science" появилось сообщение об открытии пульсара в Крабовидной

туманности. Это натолкнуло молодых астрономов на мысль попытать-

ся обнаружить видимое излучение пульсара, тем более, что необхо-

димая для этого электронная аппаратура уже имелась в институте.

Дональд Тейлор построил эту аппаратуру для совершенно других це-

лей и воспользовался ею как "приданым", чтобы быть включенным в

группу наблюдателей. Итак, в отношении техники все было в поряд-

ке. И хотя никаких гарантий успеха не было - никому ведь еще не

удавалось отождествить пульсар с видимой звездой,- Кок и Дисней

имели возможность познакомиться с работой на телескопе, а Тейлор

- испытать свои приборы.

К началу января измерительная аппаратура была смонтирована

на горе Китт-Пик ( в 70 км от города Тусона ), и 11 января те-

лескоп был впервые направлен на Крабовидную туманность. Для каж-

дой звезды измерения проводились в течение 5000 периодов пульса-

ра, причем за каждый период световой сигнал распределялся после-

довательно между несколькими счетчиками. Но ни одна звезда в

исследованной области не давала накопления импульса на счетчи-

ках, и 12 января Тейлор вернулся в Тусон. Помогать Коку и Диснею

остался Роберт Мак-Каллистер, обслуживающий электронную аппара-

туру. 12 января погода начала портиться, а результатов все не

было. Еще две ночи, отведенные на это исследование, пропали

из-за плохой погоды, и все предприятие, казалось, было обречено

на неудачу.

Как часто все решает случай ! Уильям Тиффт - наблюдатель,

чье дежурство начиналось с 15 января, уступил незадачливым но-

вичкам ночи 15 и 16 января, чтобы они смогли вновь попытать

счастья. Здесь предоставим слово самому Диснею.

"Пятнадцатого днем было облачно, но к вечеру небо проясни-

лось. Мы начали ровно в 20 часов. Тейлор был еще в Тусоне; Кок и

я сменяли друг друга у телескопа, а Мак-Каллистер работал с ап-

паратурой Тейлора. Для начала мы сделали замер от темного неба,

в стороне от звезд. Для следующего измерения мы выбрали звезду,

которую Вальтер Бааде обозначил как центральную звезду Крабовид-

ной туманности. Всего тридцать секунд потребовалось для того,

чтобы прибор показал нарастающее накопление импульса на счетчи-

Страницы: 1, 2