Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Когда, обращаясь вокруг своего компаньона, пульсар удаляется от Земли, длина волны импульсов увеличивается (имеет место красное смещение) и каждую секунду их регистрируется меньше. Когда же пульсар приближается к Земле, длина волны импульсов уменьшается и каждую секунду их регистрируется больше. Это связано стак называемым эффектом Доплера. Вот, вероятно, самый известный пример этого эффекта из нашей повседневной жизни. Если скорая помощь быстро едет по направлению к нам, волны звука, издаваемого сиреной, сжимаются, что означает уменьшение длины волны и увеличение частоты (высоты звука). При этом импульсы становятся ближе друг к другу – и мы слышим “виу-виу-виу”. Но в тот момент, когда скорая помощь проносится мимо и начинает двигаться от нас, волны растягиваются и высота (частота) звука сирены понижается. Теперь мы слышим “вииу… – вииу… – вииу…”18

С чем же связаны вариации времени прихода сигнала на Землю? Обычно излучение распространяется вдоль прямой линии, но, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, в присутствии сильного гравитационного поля, такого как вблизи массивных тел, ткань пространства-времени искривляется, излучение “следует” за кривизной пространства – и траектории фотонов изгибаются. Чем плотнее объект, тем сильнее изгибается вблизи него свет. В 1919 году сэр Артур Эддингтон, директор астрономической обсерватории в Кембридже, и королевский астроном сэр ФрэнкУотсон Дайсон подтвердили справедливость общей теории относительности. Во время полного солнечного затмения они с помощью телескопов получили изображение участка неба с Солнцем в центре и отметили расположение звезд вокруг него в момент съемки. Сравнение этого изображения с изображением тех же звезд, сделанным через пару месяцев, когда Солнца уже рядом с ними не было, позволило увидеть искривление световых лучей гравитационной силой Солнца. Когда Эйнштейн узнал об этом, он написал матери: “Сегодня хорошие новости… британские экспедиции на самом деле доказали, что вблизи

Солнца световые лучи искривляются”19. Из-за искривления свет идет к нам дольше, чем если бы он распространялся по прямой. Компаньон пульсара изгибает излучение на его пути к Земле. Задержка сигнала – дополнительное время, которое требуется излучению для достижения телескопа, – называется эффектом Шапиро. Подобные измерения и законы Кеплера позволяют установить орбиты обоих объектов, а исходя из этого – оценить массы, необходимые для создания подобных орбит. Хронометрирование годами ведут самые разные телескопы, включая Lovell в Великобритании, Parkes в Австралии, FAST в Китае, Green Bank Telescope в Соединенных Штатах и Arecibo в Пуэрто-Рико.

Глава 5

Путешествие к центру нейтронной звезды

Все началось со сбоя.

В начале марта 1969 года с пульсаром Вела случился “припадок”. Дик Манчестер только что провел целый день на телескопе Parkes, находящемся в Австралии. Он наблюдал пульсар, обнаруженный Аланом Воганом и Майклом Ларджем с помощью телескопа Molonglo всего несколькими месяцами ранее. В результате их открытия впервые была установлена прямая связь между нейтронными звездами и остатками сверхновых. Манчестер охотился за пульсарами уже год. Новоиспеченный обладатель ученой степени, только что окончивший австралийский Ньюкаслский университет, он начал свою работу научным сотрудником в обсерватории Parkes всего за двенадцать дней до публикации в журнале Nature 24 февраля 1968 года статьи о самом первом пульсаре PSR В 1919 + 21, или LGM-1.

Вооружившись координатами пульсара LGM-1, открытого Джоселин Белл, Манчестер 8 марта 1968 года провел собственное наблюдение этого объекта, и оно положило начало его карьере специалиста в области пульсаров. Схематическое изображение радиоимпульсов, испускаемых этим пульсаром, можно увидеть даже на первой австралийской пятидесятидолларовой купюре. “Я никогда больше не видел такого мощного пульсара”, – вспоминал Манчестер, когда я встретилась с ним в феврале 2019 года в здании CSIRO в пригороде Сиднея. Мы сидим в его офисе – маленьком и аккуратном, все стены от пола до потолка заставлены полками с книгами по физике и астрономии. Он берет одну с незамысловатым названием “Пульсары”, написанную им в соавторстве с лауреатом Нобелевской премии Джо Тейлором, и показывает мне посвящение: “Джоселин Белл, без чьей проницательности и настойчивости мы, возможно, до сих пор не имели бы удовольствия изучать пульсары”. Он сильно разочарован тем, что Белл не получила должного признания за свое открытие, в частности, не вошла в число нобелевских лауреатов, и открыто об этом говорит. “По крайней мере на публике Джоселин философски относится к этому, – говорит он, – но нужно помнить, что именно она открыла пульсары, в этом нет никаких сомнений. Тони Хьюиш создавал антенную матрицу для других целей, так что она обнаружила пульсары случайно. Нет никаких сомнений в том, что именно ее проницательность привела к этому открытию”.

Вскоре после открытия Белл и сам Манчестер попал в книги по истории пульсаров. 2 марта 1969 года астроном Венкатраман Радхакришнан попросил его помочь настроить телескоп Parkes для наблюдения поляризационных свойств излучаемых радиоволн. Вероятно, проще всего понять явление поляризации на примере световых волн. Направление вектора напряженности электрического (или магнитного) поля неполяризованных световых волн, например приходящих от Солнца, лампы или костра, меняется со временем случайным образом. А вот в поляризованной световой волне направление каждого из этих векторов фиксировано. (Этот принцип используется в поляризационных солнцезащитных очках. Они имеют специальное покрытие, которое пропускает только вертикально поляризованные световые колебания и поглощает горизонтально поляризованные, при этом убираются блики, чтобы вам легче было рассмотреть детали любого объекта, на который вы смотрите.) Как и свет, радиоволны также относятся к электромагнитным волнам, только их длины лежат в другой области спектра, но принципиально они от световых волн не отличаются1. Наблюдения Радхакришнана поляризации радиоволн, излучаемых пульсаром, позже подтвердили модель пульсара, согласно которой из магнитного полюса пульсара наружу выбрасывается пучок радиоволн.

Манчестер охотно помог Радхакришнану. Пульсар Вела был ярким, и исходя из более ранних наблюдений считалось, что излучаемые им радиоволны поляризованы. И Радхакришнан с Манчестером направили антенну Parkes на этот пульсар. Но тут они неожиданно обнаружили проблему: импульсы, казалось, стали приходить чаще, чем ожидалось. Другими словами, период вращения пульсара Вела, измеренный с большой точностью в предыдущих наблюдениях командой Parkes и равный чуть менее одной одиннадцатой доли секунды, оказался на 196 наносекунд короче. Либо пульсар стал вращаться быстрее, либо радиотелескоп над ними подшучивал.

Поздно вечером измученный Радхакришнан лег спать, предоставив своему молодому коллеге разбираться в том, не случилось ли чего с радиотелескопом. Манчестер провел всю ночь, проверяя и перепроверяя оборудование; он проверил даже периоды вращения других пульсаров и увидел, что они не изменились. С техникой, похоже, все в порядке. На рассвете он закончил проверку и, уходя, оставил Радхакришнану записку: что-то не так не с Parkes, а с пульсаром Вела.

Действительно, все дело было в пульсаре Вела. Манчестер и Радхакришнан случайно стали первыми, кто заметил глитч пульсара, то есть сбой, в данном случае состоявший во внезапном ступенчатом изменении периода пульсара на ничтожную величину – на две миллионные. Но если учесть, что уже тогда астрономы умели очень точно измерять периоды пульсаров, эта величина оказалась немалой.

Кроме того, период изменился крайне быстро, вероятно, менее чем за секунду.

Так случилось, что группа из калифорнийской лаборатории реактивного движения, входящей в НАСА, тоже заметила сбой. Несколько недель спустя в журнале Nature были опубликованы рядом две статьи, одна Радхакришнана и Манчестера, другая – той группы. “Nature поместила нашу статью перед их – возник небольшой спор о том, кто первым увидел глитч”, – говорит Манчестер2. На самом деле сложно определить, когда именно произошел сбой, но наблюдения лаборатории реактивного движения показали, что событие произошло в интервале между 24 февраля и 3 марта 1969 года.