Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 25

7

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ ПУЛЬСАРЫ И НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ

Одним из решающих прорывов в понимании природы света послужила в середине XIX в. формулировка Максвеллом электромагнитной теории. Как говорилось в гл. 2, теория Максвелла привела к фундаментальному волновому уравнению, которое даёт полную картину всех волновых свойств света. Замечательно, что это волновое уравнение не накладывает никаких ограничений на допустимые длины волн электромагнитного излучения. Заметим, что видимый свет, доступный нашему глазу, ограничен узким диапазоном длин волн - примерно от 7,7•10^-5 см для красного света и до 4,55•10^-5 см для фиолетового. Иными словами, согласно теории Максвелла, должны существовать и другие типы электромагнитного излучения, обладающие как намного более длинными, так и намного более короткими длинами волн, чем видимый свет. В этом смысле теория электромагнетизма действительно предсказала существование рентгеновских лучей, гамма-лучей, радиоволн, а также и ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Такое открытие должно было обеспокоить астрономов. Ведь практически все наши знания о Вселенной были почерпнуты из оптических наблюдений с помощью видимого света, а этот последний, оказывается, занимает лишь очень малую часть спектра всего электромагнитного излучения (см. рис. 2.5)! Почему бы звёздам и галактикам не испускать и другие типы излучения, кроме видимого света, - например, рентгеновские лучи или радиоволны? Поскольку глаз человека этих излучений не воспринимает, астрономы - и это стало им ясно - упускали огромное количество ценнейшей информации.

Существуют два типа трудностей наблюдения неба в диапазонах радиоволн, очень далеких от видимого света. Во-первых, до самого недавнего времени учёные просто не знали, как строить инструменты, способные принимать экзотические виды электромагнитного излучения. И глаз человека, и фотопленка здесь были совершенно бесполезны. Во-вторых, земная атмосфера непрозрачна для большей части электромагнитного спектра. Например, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи попросту не проникают сквозь толщу воздуха, окружающего поверхность Земли.

Такая непрозрачность земной атмосферы - одновременно и зло, и благо. Жизнь смогла развиться на поверхности нашей планеты именно благодаря тому, что атмосфера защищает её от разнообразных смертоносных излучений, приходящих из космоса. Однако на определённых длинах волн совершенно невозможно производить наблюдения неба с поверхности Земли, так как соответствующие виды излучения не доходят до неё сквозь воздушную толщу. Пытаться увидеть с поверхности Земли рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, приходящие с неба, - это всё равно что пытаться смотреть сквозь кирпичную стену. Атмосфера защищает нас, но она же лишает нас информации.

Эти доводы позволяют нам по достоинству оценить важность усилий Карла Янского, который в 1931 г. первым принял радиоволны из космоса. Он проводил эксперименты с антеннами в лабораториях фирмы «Белл» и обнаружил, что они принимают радиоволны, приходящие от внеземных источников. Радиоволны определённых длин волн, как и видимый свет, проникают сквозь земную атмосферу.

Вторая мировая война оказала значительное воздействие на обширный круг научных исследований, включая и работы в такой новой области, как радиоастрономия. В результате достижений электроники и радиотехники астрономы в конце 1940-х годов смогли приступить к строительству радиотелескопов. На протяжении 1950-х годов во всем мире было создано множество таких телескопов, и для науки открылась возможность увидеть небо в новом «свете» - в радиоволнах.

РИС. 7.1. Радиотелескоп. Радиотелескоп - это огромная металлическая тарелка, которая фокусирует, собирает и усиливает радиоволны, приходящие из космического пространства. (НАСА, Лаборатория реактивного движения.)

Создание радиотелескопов (рис. 7.1) как бы дало нам второе зрение для наблюдения Вселенной. Учёные впервые смогли увидеть Вселенную в диапазонах длин волн, весьма далеких от видимой части спектра электромагнитного излучения.

РИС. 7.2. Небо в видимом свете и в радиодиапазоне. На верхнем рисунке изображено всё видимое небо. Рисунок ориентирован так, чтобы Млечный Путь проходил через него горизонтально. На нижнем рисунке изображен вид неба в радиоволнах. (Ликская обсерватория; Гриффитская обсерватория.)

1950-е годы были в основном посвящены подробному картографированию неба в радиоволнах (рис. 7.2). Радиоастрономы посвятили многие годы составлению каталогов открытых источников космического радиоизлучения. Теперь в каких каталогах значатся тысячи объектов. Но к 1960-м годам радиоастрономам пришлось выкроить время для подробного исследования ряда удивительных радиоисточников, которые они обнаружили.

В конце 1967 г. группа радиоастрономов во главе с Энтони Хьюищем из Кембриджского университета в ходе своих наблюдений обнаружила, что их радиотелескоп принимает совершенно необычные сигналы, а именно короткие импульсы радиошумов, следующие один за другим с интервалами примерно в 1 с (см. рис. 7.3).

РИС. 7.3. Запись излучения типичного пульсара. Импульсы радиоизлучения пульсара иногда бывают сильными, а иногда - слабыми. Но время их появления всегда выдерживаются с поразительной точностью.

Сначала посчитали, что это были сигналы от запущенного кем-то спутника, однако вскоре стало ясно, что приписать их работе искусственного космического корабля невозможно. Корабль, запущенный в Солнечной системе, медленно двигался бы на фоне звёзд, находясь на околосолнечной орбите. Но таинственный импульсный радиоисточник был неподвижен относительно звёзд - значит, он должен был находиться очень далеко от нас - там же, где сами звёзды!

Дальнейшие наблюдения привели к удивительному открытию: импульсы от этого радиоисточника были чрезвычайно регулярными и точными. Хотя одни импульсы были слабее, а другие - сильнее, их время прихода выдерживалось с поразительной степенью точности. Ещё никогда в природе не наблюдалось процесса, который мог бы соперничать с этими импульсами по своей регулярности и точности. Сразу же стали подозревать, что наконец-то удалось принять сигналы от внеземной цивилизации. Сторонники теории о «маленьких зеленых человечках» ухватились за идею о том, что новооткрытый радиоисточник может служить радионавигационным маяком для летающих тарелок.

К весне 1968 г. было открыто ещё три пульсирующих радиоисточника (пульсара). Первый пульсар получил название СР 1919, остальные три - СР 0834, СР 0950 и СР 1133. (Буквы СР означают «Кембридж, пульсар», а цифры - приблизительные небесные координаты пульсара.) Во всех случаях периоды пульсаций были чрезвычайно правильными. Сейчас радиоастрономам известно около 100 пульсаров. Их периоды равны от 1/30 с для самого быстро пульсирующего до более чем 3 с для самого медленного.

Вместо того чтобы объяснить свои открытия с привлечением маленьких зеленых человечков, учёные предпочитают опираться на свои знания о Вселенной и стремятся истолковать наблюдения в рамках действия известных законов природы. И вот весной 1968 г. астрофизики всего мира приступили к кропотливому пересмотру накопленных знаний о звёздах, чтобы найти рациональное и естественное объяснение природы пульсаров.

Вспомним, что говорилось в предыдущей главе о термоядерных реакциях в центральных областях звёзд, приводящих к высвобождению гигантской энергии и возникновению высоких температур, достаточных, чтобы поддерживать внешние слои звёзд. К концу жизни звезды, когда истощится всё содержащееся в ней ядерное горючее, звезда прекращает своё существование на одном из нескольких путей. Звезда малой массы просто сжимается и становится белым карликом, возможно выбросив часть своего вещества. Звезда средней массы также может превратиться в белого карлика, правда выбросив более значительную часть своего вещества, возможно, с образованием при этом планетарной туманности. Самые же массивные звёзды могут заканчивать жизнь грандиозным взрывом - мы называем это вспышкой сверхновой. При этом значительная доля вещества умирающей звезды может быть стремительно выброшена в космос.