Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени
Собранные данные мы проанализировали лишь несколько месяцев спустя, вернувшись в МТИ. Однажды вечером я сидел в компьютерном зале, мне помогал Терри Торсос. В те времена у нас были очень большие компьютеры. В помещении должны были постоянно работать кондиционеры, потому что компьютеры сильно нагревали воздух. Помнится, было около одиннадцати часов вечера. В те дни, чтобы компьютер нормально работал, лучше всего было проскользнуть в компьютерный зал вечером. А еще тогда исследователь не мог обойтись без оператора компьютерной техники, который запускал нужные программы. Так что я встал в очередь к оператору и терпеливо ждал своего часа.
И этот час настал. Я смотрел на экран, на данные, полученные в ходе исследования с аэростатом, и вдруг заметил весьма существенное увеличение потока рентгеновского излучения от Sco X-1. Прямо там, на распечатке, поток рентгеновских лучей вырос в четыре раза примерно за десять минут; это длилось почти тридцать минут, после чего свечение постепенно исчезло. Мы наблюдали рентгеновскую вспышку Sco X-1, и она была огромной. Никто никогда не видел ничего подобного! Обычно в такой ситуации мы говорили себе: «А может, эта вспышка объясняется чем-то другим? А вдруг она вызвана неточностью детектора?» Но в тот раз у меня не было ни малейших сомнений. Я знал свою аппаратуру вдоль и поперек. Я знал, что мы все отлично подготовили и протестировали и на протяжении всего полета непрерывно проверяли детектор, каждые двадцать минут делая контрольный замер рентгеновского спектра известных радиоактивных источников – приборы работали безотказно. Иными словами, я доверял собранным данным на сто процентов. Глядя на распечатку, я ясно видел, что поток рентгеновского излучения увеличивался и уменьшался; из всех источников, которые мы наблюдали за время того десятичасового полета, только один резко увеличился и так же резко затух, и это Sco X-1. Все было по-настоящему!
На следующее утро я показал результаты Джорджу Кларку, и он чуть не свалился со стула. Мы оба отлично понимали, что это значит, и были вне себя от радости! Никто не предполагал – не говоря уже о том, чтобы наблюдать, – что поток рентгеновского излучения может меняться в течение десяти минут. Конечно, поток частиц от Cen X-2 уменьшился в три раза через несколько недель после обнаружения, но здесь мы имели дело с изменчивостью в четыре раза всего за десять минут – почти в три тысячи раз быстрее.
Мы знали, что Sco X-1 излучал 99,9 процента своей энергии в виде рентгеновских лучей и что рентгеновская светимость этого источника примерно в 10 тысяч раз больше полной светимости нашего Солнца и почти в 10 миллиардов раз больше его рентгеновской светимости. И Sco X-1 менял свою светимость в четыре раза за какие-то десять минут – ну, это просто непостижимо с точки зрения физики. Что бы вы сказали, если бы Солнце стало за десять минут светить в четыре раза ярче? Меня лично это напугало бы до чертиков.
Открытие изменчивости в таком временном интервале, возможно, было самым важным в области рентгеновской астрономии, сделанным с помощью аэростатов. Как я уже говорил, этим способом мы также обнаружили источники рентгеновского излучения, которые не могли видеть ракеты, и это тоже стало важным открытием. Но ничто не могло сравниться по значимости с открытием десятиминутной изменчивости Sco X-1.
По тем временам это было настолько неожиданно, что многие ученые просто не могли в это поверить. Порой ученые имеют большие ожидания, и им тяжело смириться с выводами, которые с этими ожиданиями не совпадают. Легендарный редактор журнала Astrophysical Journal Letters С. Чандрасекар послал нашу статью о Sco X-1 рецензенту, и тот вообще нам не поверил. Я до сих пор это помню, хотя прошло уже более сорока лет. Рецензент написал следующее: «Это не может быть правдой, ведь мы знаем, что столь мощные источники рентгеновского излучения просто не могут так изменяться в пределах десятиминутного интервала времени».
Нам пришлось уговаривать журнал напечатать статью. Через это, кстати, прошел даже Росси в 1962 году. Тогда редактор журнала Physical Review Letters Самуил Гаудсмит принял статью, благодаря которой родилась рентгеновская астрономия, только потому, что это был сам Росси и он был готов взять на себя «личную ответственность» за ее содержание.
Сегодня у нас есть гораздо более чувствительные инструменты и телескопы, и мы знаем, что многие источники рентгеновского излучения могут меняться в любом временном интервале, а это означает, что поток из наблюдаемого непрерывно изо дня в день источника каждый день будет другим. И если вы будете наблюдать его посекундно, он тоже будет меняться. Даже если анализировать данные миллисекунда за миллисекундой, можно обнаружить изменчивость некоторых источников. Но по тем временам даже десятиминутная изменчивость казалась идеей новой и неожиданной.
В феврале 1968 года я выступил в МТИ с докладом об этом открытии и был чрезвычайно взволнован, когда заметил среди слушателей Риккардо Джаккони и Херба Гурски. Я чувствовал себя настоящим везунчиком, человеком, который вышел на передний край своей области деятельности.
В следующих главах я познакомлю вас с множеством тайн Вселенной, которые позволила раскрыть рентгеновская астрономия, а также остановлюсь на ряде вопросов, ответы на которые мы, астрофизики, все еще пытаемся найти. В частности, мы совершим путешествие к нейтронным звездам и окунемся в глубины черных дыр. Так что держите крепче ваши шляпы, господа!
12. Космические катастрофы, нейтронные звезды и черные дыры
Нейтронные звезды находятся в самом центре истории рентгеновской астрономии. И они действительно, как говорят, горячие штучки. И не только с точки зрения температуры, хотя их поверхностные температуры нередко достигают свыше миллиона кельвинов, а это более чем в сто раз горячее, чем поверхность Солнца.
Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1935-м. После этого экстраординарного открытия, которое, по мнению многих физиков, стало завершающим мазком в картине атомной структуры, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки выдвинули гипотезу, что нейтронные звезды формируются в результате вспышек сверхновых. И как впоследствии оказалось, были совершенно правы. Нейтронные звезды возникают в результате поистине катастрофических событий в самом конце жизни массивной звезды, одного из самых быстрых, потрясающих и жестоких происшествий в изученной нами Вселенной – коллапса ядра сверхновой.
Нейтронная звезда начинается не со звезды, похожей на наше Солнце, а со звезды как минимум в восемь раз массивнее. В нашей Галактике приблизительно миллиард нейтронных звезд, но в ней так много звезд самых разных видов, что миллиард следует считать редкостью. Звезды, как и многие другие объекты в мире и во Вселенной, могут «жить» только благодаря своей способности обеспечивать приблизительный баланс безмерно мощных сил. В звездах со сгорающим ядром, в котором термоядерные реакции, проходящие при температурах в десятки миллионов градусов по Кельвину, вырабатывают колоссальное количество энергии, создается огромное внутреннее давление. Температура в ядре Солнца, например, около 15 миллионов кельвинов, и оно вырабатывает за одну секунду энергию, эквивалентную энергии более миллиарда водородных бомб.
В стабильной звезде это давление сбалансировано действием силы тяготения, генерируемой огромной массой звезды. Если же эти две силы – направленное наружу давление термоядерного реактора и направленная внутрь сила гравитации – не сбалансированы, звезда не будет стабильной. Мы знаем, что Солнце существует в известном нам виде уже около пяти миллиардов лет и будет продолжать так жить еще пять миллиардов. Когда звезда собирается умирать, она меняется, и весьма существенно. Если звезда израсходовала большую часть ядерного топлива в ядре, она, как правило, приближается к заключительному этапу своей жизни и показывает настоящее огненное шоу. Это особенно верно в отношении массивных звезд. В некотором смысле сверхновые напоминают трагических театральных героев, которые обычно заканчивают свою великую жизнь в пароксизме катарсических эмоций, пламенно и зачастую весьма громко взывая к жалости аудитории.
Самая экстравагантная гибель звезды – гибель в результате коллапса ядра сверхновой, одно из самых энергетических явлений во Вселенной. Постараюсь отдать ей должное. Когда реакция в ядерном реакторе в ядре массивной звезды начинает сходить на нет – в конце концов, никакое топливо не может гореть вечно! – и генерируемое ею давление ослабевает, неустанное и вечное гравитационное притяжение остальной массы решительно берет над ним верх.
