Цивилизация
— Сергей, ровно 50 лет назад радиоастрономами в Кембридже был впервые обнаружен радиопульсар. Как это произошло?
— Это был 1967 год, вся Великобритания готовилась к 50-тилетию Великого Октября, Pink Floyd выпустили свой первый альбом, «Битлз» записали Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band, если не ошибаюсь. Джоселин Белл, будучи аспиранткой, каждый день получала по 30 метров бумаги, где корявой рукой самописца были нанесены данные о радиосигналах. И она с ними работала. Потихоньку она начала замечать странный сигнал, который неоднократно приходит из одной и той же самой области неба. Она увидела, что сигнал приходит каждые 23 часа 56 минут, то есть за период обращения Земли относительно звезд. Первый такой сигнал на записях самописца, отмеченный ею, относится к 6 августа. Но идентифицировали они все это уже позже. Дальше она сообщила об этом руководителю, Энтони Хьюишу, и у них было много сомнений, насколько это реальный сигнал.
Было решено проверить этот сигнал, и 28 ноября их проверка увенчалась успехом. И, более того, в этот момент они поняли, что этот сигнал приходит с периодом 1,33 секунды.
Дальше нужно было отбросить кучу всяких вариантов, включая инопланетян. Мы никогда уже не узнаем, насколько серьезно кто из них воспринимал эту версию — время было такое, сознание у всех было расширено. Незадолго до Рождества, уезжая на каникулы, Джоселин открыла второй источник.
— И сообщать миру об открытии они не торопились?
— Допускалась вполне серьезная возможность, что это сигнал искусственный, и поэтому Хьюиш придумал, что если сигнал идет с некой планеты, а планета крутится вокруг своей звезды, то будет заметен довольно сильный допплеровский сдвиг сигнала. Они целенаправленно этот вариант исследовали и отбросили, то есть поняли, что источник не находится на объекте, который периодически движется вокруг звезды. Ну, а дальше у них вышла статья в Nature, где в соответствии с традициями и порядками того времени Хьюиш был первым автором, а Белл — вторым.
Дальше была большая дискуссия по поводу природы объекта, и меньше чем через семь лет, довольно быстро, за это вручили Нобелевку.
— И не обошлось без скандала — Белл осталась без премии.
— Да, Фрел Хойл написал письмо в газету и выступал на тему того, что то, что она сделала, это совсем не случайность, и именно она заметила, что сигнал приходит с одного участка неба с разницей в звездные сутки. По этому поводу была некая дискуссия, а сама Джоселин после писала, что она не в обиде и претензий не имеет. По крайней мере, можно сказать, что никого специально там никто не задвигал, не подсиживал.
— Странный объект оказался нейтронной звездой, но это был тот случай, когда их существование было предсказано ранее?
— Да, нейтронные звезды начали предсказывать с 1930-х годов. Вначале, еще до открытия нейтронов, было абстрактное теоретическое предсказание, сделанное Ландау, о том, что могут быть сверхплотные звезды, с плотностью, как у атомного ядра. Потом, в 1934-м году, уже когда был открыт нейтрон, появилась статья Бааде и Цвикки, где было правильно предсказано, что нейтронные звезды в основном могут состоять из нейтронов и что они рождаются во взрывах сверхновых. Ими были указаны важные ключевые параметры. Потом, так или иначе, у теоретиков всплывало существование нейтронных звезд, где-то в середине 60-х годов подробно начали моделировать остывание этих источников. И вообще говоря, в 67-м году была написана статья Франко Пачини, где почти предсказывалось пульсарное излучение.
— Итак, с открытием 1967 года науке стал известен целый класс новых объектов звездных масс размером с крупный город. Какие есть их типы?
— Действительно, разных нейтронных звезд много. Но это, в основном, достижение последних лет. Первое время считалось, что все молодые нейтронные звезды похожи на пульсар в Крабовидной туманности. А старые нейтронные звезды мы можем видеть в двойных системах, если на них течет вещество со звезды-компаньона. А потом оказалось, что молодые нейтронные звезды могут очень многообразно себя проявлять. Самый известный, наверное, тип источников — это магнитары.
Магнитары можно считать одним из самых ярких открытий российской-советской астрономии — вспыхивающие объекты, достигающие в максимуме совершенно фантастической мощности излучения, более 10 миллиардов светимости Солнца.
С другой стороны, есть спокойные молодые нейтронные звезды. Но они совершенно не похожи на пульсары, т.е. не проявляют себя как пульсары. Это, например, остывающие нейтронные звезды в солнечных окрестностях, т.н. «Великолепная Семерка». Есть источники в остатках сверхновых. Очень красиво, когда прямо в центре остатка мы видим маленький точечный рентгеновский источник, никакой активности не проявляющий. Это молодая нейтронная звезда, и мы видим излучение ее горячей поверхности. Еще есть разные интересные варианты пульсаров, например, такие как вращающиеся радиотранзиенты — объекты, которые дают импульс далеко не каждый оборот.
— Какую роль пульсары стали играть в астрономии и в прикладных задачах?
— Вообще, всех ученых потрясала стабильность вращения пульсаров, поэтому пульсар работает как очень точные часы.
И это дает прекрасную возможность проверять Общую теорию относительности. Вторая Нобелевская премия за нейтронные звезды была дана, по сути, за проверку ОТО по этим объектам (в частности, косвенно было подтверждено существование гравитационных волн).
Вещество в недрах нейтронных звезд находится в сверхплотном состоянии — в таком, которое мы не можем получать в лабораториях на Земле. И это интересно для физиков. На их поверхности очень сильное магнитное поле, что тоже невозможно получить в лаборатории. Пульсары иногда показывают сбои периода, которые меняются скачком. И первая идея была, что это происходит из-за разлома коры. Но, на самом деле, похоже, что это все-таки не разломы коры, а там еще более интересный эффект, связанный с тем, что в коре есть вихри сверхтекучих нейтронов. И когда система этих вихрей перестраивается, то происходит сбой периода — звезда резко ускоряет вращение.
И, как говорится, пульсары имеют народно-хозяйственное значение.
Долгое время считалось, что самое главное — это их стабильность вращения. И потому очень серьезно разрабатывались стандарты точного времени, основанные на радиопульсарах.
И то, что они не реализованы сегодня, связано только с тем, что в области создания атомных часов тоже есть очень серьезный прогресс. Так что тут нейтронные звезды не пригодились, зато понадобились для решения другой задачи.
В космических исследованиях есть проблема автономной навигации спутников. Если у нас есть космический аппарат, летящий где-нибудь между Юпитеров и Сатурном, то ему, в идеале, нужно самому решать, где и когда включить двигатель для коррекции орбиты. Для этого ему нужно знать свою скорость и местоположение. Сейчас это решается постоянным контактом с Землей. Но это плохо. Во-первых, потому что сигнал туда-сюда может ходить несколько часов, во-вторых нужно питать мощный радиопередатчик на борту. Было бы здорово, если бы, спутник сам мог это решать. И пульсары — это идеальное решение. Потому что они дают стабильные импульсы.
Спутник перемещается относительно центра масс Солнечной системы. Соответственно,
если рассчитать времена прихода импульсов для барицентра, то по задержке в измеренном времени прихода можно определить координаты спутника в Солнечной системе.
Если спутник движется, то возникает допплеровский эффект. Если он движется к пульсару, то возрастает частота прихода импульсов. Если в обратную, то уменьшается. Если таких пульсаров наблюдать несколько, то можно точно определить трехмерное положение и скорость аппарата. Сегодня технический прогресс сделал рентгеновские детекторы достаточно дешевыми, легкими, мало потребляющими энергию. И первый китайский спутник, на котором стоит прототип такой навигационной системы, уже летает. А второй прототип сейчас испытывают на Международной космической станции. Там стоит американский прибор NICER, в рамках его использования проводится эксперимент SEXTANT, в котором как раз отрабатывает систему рентгеновской навигации. По всей видимости, межпланетные станции следующего поколения будут уже ориентироваться уже по пульсарам.