Всплески повторились только через 20 дней и с запаздыванием на разных частотах из-за влияния межзвездной среды, а это означало, что источник сигнала находится не на Земле, а далеко в космосе.
Группа Хьюиша стала искать что-то подобное в других областях неба. И через полгода им это удалось. Они зафиксировали очень слабые периодические радиосигналы еще от трех объектов, расположенных в разных местах космоса. Это убедило их в том, что сигналы естественного происхождения, испускаемые неизвестными науке космическими объектами. Секретность с этой темы сняли, и спустя некоторое время в журнале Nature появилась первая статья об открытии пульсаров.
За это достижение Энтони Хьюиш получил Нобелевскую премию в 1974 году, разделив ее со своим коллегой Мартином Райлом — основателем метода аппертурного синтеза в радиоастрономии. Вклад Джосселин Белл в это открытие, согласно положению, нобелевским комитетом не был учтен.
В конкуренции с Пущино
В 1968 году Валерий Малофеев был студентом Казанского университета. На дипломную практику он приехал в Пущинскую обсерваторию. Тогда ему дали задачу исследовать Крабовидную туманность и оставили работать в Пущино, поскольку только что были открыты пульсары, и в обсерватории создавали группу для их изучения.
Валерий Михайлович уже давно доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории, на его счету множество научных исследований и более ста публикаций. Он один из ведущих специалистов по пульсарам в нашей стране, изучает их почти полвека и знает о них очень много. Он рассказал мне, что открытие пульсаров произошло на фоне соревнования английских и советских астрономов, которые под руководством Виктора Виткевича развивали новые методы изучения солнечной короны с помощью радиоизлучения. В результате этих исследований в середине 1950-х независимо друг от друга Виткевич и Хьюиш обнаружили мерцание источника, который проходит недалеко от Солнца, и оба сделали правильный вывод, что в радиодиапазоне у нашего светила существует корона, гораздо больше той, что мы видим, — так называемая сверхкорона Солнца.
Исследовать сверхкорону в СССР стали на двух радиотелескопах — в Крыму и Пущино на ДКР-1000. В Кембридже тоже построили довольно простой, но чувствительный радиотелескоп, и считывали сигнал за короткие промежутки времени — доли секунды, чтобы поточнее изучить его структуру. В Пущино же сигнал накапливали, чтобы, наоборот, сгладить шумы и увидеть очень слабые сигналы. Хотя советские и английские астрономы изучали одни и те же области неба, но из-за разницы в параметрах приемной аппаратуры именно англичанам удалось обнаружить сигналы пульсаров.
— А еще потому, что у них была Джосселин Белл, — добавляет Валерий Михайлович.
Он не раз встречался с первооткрывательницей пульсаров, расспрашивал ее об истории открытия.
Что такое пульсар
Новые объекты стали изучать многие научные группы в мире. С появлением более чувствительных радиотелескопов и новой, особенно цифровой, аппаратуры, открытие пульсаров увеличилось в разы. Сейчас известно более двух тысяч пульсаров. Ученые в целом согласны, что пульсары — это особый тип звезд, состоящих из нейтронной материи. Они очень компактные — от десяти до двадцати километров в диаметре, плотные, и вращаются с большой скоростью вокруг своей оси, в среднем один — три оборота в секунду. Но есть пульсары, которые делают сотни оборотов в секунду, а недавно найден пульсар, делающий 666 оборотов в секунду. При этом пульсары излучают энергию в разных диапазонах. Известны пульсары, излучающие в радио, рентгеновском, оптическом и гамма-диапазоне. Есть объекты, излучающие в одном или двух диапазонах, но очень редко, есть те, что видны во всех.
Как например, Геминга, один из трех пульсаров, имеющих собственное имя. Гемингу открыли в 1975 году в рентгеновском и гамма-диапазоне, а в радио было пусто. Отсюда, кстати, и название источника, ведь Геминга на миланском наречии означает «пустота». Только в 1992 ученые поняли, что Геминга — пульсар. Затем увидели его оптическое излучение, и определили, что это довольно близкий к нам объект, расположенный в 552 световых годах от нас. В 1996 году в Пущинской обсерватории обнаружили его радиоизлучение. А после, тоже российские ученые, из Санкт-Петербурга, увидели Гемингу и в инфракрасном спектре.
Радиопульсар обычно изображают как шарик с двумя узкими струями. Эти струи формируются из электронов, вылетающих вдоль магнитных осей, и при их замедлении испускают радиоизлучение. Это излучение очень слабое, но астрономы научились его улавливать.
Сейчас уже все согласны, что пульсар — это умирающая звезда. Когда-то она была огромной и тяжелой, раз в восемь тяжелее Солнца. Постепенно теряя свое водородное топливо, звезда схлопывается, и в этот момент происходит ярчайшая вспышка. Мы называем это вспышкой сверхновой звезды. Такое явление происходит в нашей галактике раз в 30-40 лет.
В 1054 году китайские летописцы описали вспышку сверхновой и указали ее координаты. Теперь мы знаем этот объект под названием Крабовидная туманность. Астрономы долгое время изучали ее в разных диапазонах, пока не увидели, что в центре находится пульсар. Он вращается с периодом 33 миллисекунды.
Поскольку пульсары — это бывшие звезды, то у некоторых и после взрыва остались планеты на орбите. Их удается заметить по малейшим флуктуациям времен прихода импульсов пульсара, которые происходят из-за влияния сил притяжения между планетами и пульсаром.
Время и гравитация
Каждый пульсар имеет уникальный сигнал, очень устойчивый со временем. Оказалось, что это свойство можно использовать для определения нашего земного времени. Раньше интервалы времени измерялись астрономами по периоду вращения Земли. Сейчас используют квантовые генераторы на рубидиевых или водородных элементах. Оказалось, что на периодах в десятки лет эти часы дают заметную ошибку, тогда как миллисекундные пульсары позволят более точно измерить время.
Пульсары используют и для поиска гравитационных волн, предсказанных теорией относительности. Пока их обнаружить никакими методами не удалось, а пульсары дают такую надежду. Для этого нужно очень точно и в течение долгого времени изучать время прихода импульсов от нескольких десятков пульсаров. Если удастся увидеть определенного вида задержку импульса, то это будет доказательством существования гравитационной волны, которая проходит между Землей и пульсаром. Этими исследованиями занимаются четыре группы ученых в мире, в том числе маленький коллектив в Пущино. В США для поисков гравитационных волн запустили проект LIGO, построив интерферометр в Луизиане. В стадии проектирования находится второй проект — система космических телескопов LISA.
Природа пульсаров
В самой первой статье первооткрыватели пульсаров сделали правильный вывод о том, что это нейтронные звезды. Образуются они при взрыве звезды, в таких экстремальных условиях, когда атомы обдираются до ядер. А затем и ядра распадаются на протоны и нейтроны. Оставшаяся нейтронная материя продолжает существовать в очень сильных магнитных полях, на десяток порядков превосходящих земные. Это самая плотная материя, которую мы знаем. О реальности таких нейтронных звезд заявляли еще в 1930-х годах немецкие астрономы Вальтер Бааде, Фриц Цвикки и советский физик Лев Ландау. Статью о вращающихся нейтронных звездах с магнитными полями опубликовал итальянский ученый Франко Пачини незадолго до открытия пульсаров.
Долгое время полагали, что пульсар, постепенно замедляя вращение, теряет энергию и поэтому излучает. Но в 1998 году открыли новый тип пульсаров — магнетары, и эта гипотеза пошатнулась. Магнетары — относительно молодые пульсары, но уже с большими периодами, около 10 секунд. Время их жизни составляет порядка одного миллиона лет. Эти звезды излучают гигантские импульсы, энергия которых в сто раз превосходит потерю кинетической энергии вращения. Одна из наиболее распространенных гипотез гласит, что магнетары существуют в условиях гигантских магнитных полей, которые даже теоретически почти не изучались. Никто просто не мог предположить, что такие магнитные поля вообще существуют. Как будет вести себя материя в таких условиях? Никто не знает. По одной из гипотез, магнетары состоят из кварковой материи, еще более плотной, чем нейтронная. Есть и конкурирующие модели, одну из них развивает сотрудник ПРАО, профессор И.Ф.Малов.
Как изучают пульсары
Радиосигнал от пульсара приходит на Землю очень слабым, и чтобы его уловить, нужно построить очень мощный телескоп с большой площадью антенны. Чтобы наглядно показать, с какими сигналами имеют дело астрономы, Валерий Михайлович привел пример своего английского коллеги. Он взял в руку лист бумаги и перевернул его.
— Энергия, которую я при этом движении затратил, больше всей энергии, что приняли радиоастрономы за всю историю наблюдений.
В Пущино располагаются три крупных радиотелескопа РТ-22, ДКР-1000 и БСА. Это и сейчас основной центр в России, где изучают пульсары на двух последних радиотелескопах метрового диапазона волн. После модернизации радиотелескопа, проведенной полтора года назад, астрономы получили в своем распоряжении 64 луча, которыми они сканируют небо в низкочастотном диапазоне. В сутки они наблюдают полосу неба в 32 градуса. Благодаря доступу к суперкомпьютеру «Ломоносов» в МГУ, они обрабатывают накопленные данные и открывают новые пульсары. До этого в России открыли всего четыре пульсара. А после модернизации оборудования — сразу пять. Сейчас их нужно всесторонне проверить, прежде чем заявить об открытии.
Валерий Михайлович показывает мне файлы с сигналами от пульсаров, полученных буквально на днях. Каждый сигнал — как отпечаток пальца, у каждого пульсара он свой.
Астрономы в Пущино понемногу догоняют мировое сообщество исследователей пульсаров, ушедшее далеко вперед за те десятилетия пока наша наука пребывала в нищете. Радиотелескопы стали очень дорогими, и чтобы их построить, нужна кооперация нескольких стран.
В Европе под эгидой Голландии строят большой наземный радиотелескоп LAFAR. Он будет состоять из небольших антенн-зонтиков, объединенных в станции, которые раскинуты не только по всей Голландии, но и охватывают западную Европу. Этот телескоп составит мощную конкуренцию телескопу в Пущино и сможет изучать очень слабые пульсары.
Еще один радиотелескоп-интерферометр, SKA, строят на территории двух стран: ЮАР и Австралии. Этот телескоп строится всем мировым сообществом. Для обслуживания интерферометра потребуется развитая инфраструктура, новейшее оборудование, много суперкомпьютеров, высококвалифицированные кадры. Так что подобные астрономические проекты не только несут научные открытия, но и служат драйвером развития экономики стран.
Если радиосигнал от пульсаров можно изучать с наземных телескопов, то гамма и рентген-диапазоны доступны только с орбиты Земли, где нет помех. Сейчас на орбите работают несколько телескопов, изучающих пульсары, в том числе запущенный четыре года назад российский аппарат «Радиоастрон».
Миллиметрон
Для изучения пульсаров, как и вообще для всей астрономии, важно иметь хорошее оборудование и мощные телескопы.
— Сейчас мы немножко на обочине этого процесса, — сетует Валерий Михайлович.
Чаще всего наши астрономы кооперируются с зарубежными коллегами, посылают заявки на проведение собственных исследований в обсерватории, где есть нужные телескопы. Свои идеи и проекты, конечно, тоже есть, но нет денег, чтобы их реализовать. Самый перспективный на сегодняшний день проект — «Миллиметрон», которым руководят академик Николай Кардашев, директор Астрокосмического центра ФИАН и член-корреспондент РАН Игорь Новиков.
«Миллиметрон» — это орбитальный телескоп, работающий в диапазоне, который недоступен с Земли — на стыке между инфракрасным и радиоизлучением — от 20 мкм до 17 мм. В этой области находится минимум фонового космического излучения и мало помех, что позволит достичь очень высокой чувствительности и принимать сигналы от слабых объектов.
Для этого сделают большую антенну в виде зеркала диаметром 10 метров. Она будет состоять из отдельных лепестков. Поверхность зеркала должна быть очень точной, а приемник очень чувствительным, чтобы улавливать малейшие флуктуации сигнала. Собираться зеркало будет автоматически на орбите, и процесс этот должен быть тоже очень точным. Затем зеркало телескопа и всю его аппаратуру окутают пятью слоями термоизоляции и охладят до гелиевых температур. Это и позволит достичь чувствительности телескопа в тысячу раз большей, чем у существующих. Это задача огромной технической сложности, которую начали решать. Запуск «Миллиметрона» намечен не ранее 2025 года.
Проект поможет найти ответы на множество вопросов, к примеру, о тени черной дыры. Это очень интересная задача, которая пока не решена. Хотя черная дыра предсказана теорией относительности, известно, что она может иметь определенные размеры, в реальности ее никто не наблюдал. О существовании черных дыр судят по косвенным признакам. Будучи абсолютно черным телом, черная дыра поглощает все излечение, и ее нельзя увидеть. А вот ее тень на фоне какого-то светлого объекта увидеть можно.
— Когда запустят «Миллиметрон», это будет прорыв в науке. На нем будут открыты совершенно новые объекты, — мечтает Валерий Малафеев.
Вселенная неисчерпаема, и не перестает удивлять ученых новыми тайнами. К примеру, еще недавно ничего не знали о транзиентных источниках. Они существуют короткое время, вспыхивают один раз и пропадают. Впервые их обнаружили в гамма-диапазоне, и теперь активно изучают. Да и тема пульсаров далеко не исчерпана. По оценкам, в нашей галактике их где-то сто тысяч.
А если уж говорить о настоящем прорыве в астрономии, чтобы сделать шаг далеко вперед, то надо строить обсерваторию на обратной стороне Луны. Это самое лучшее место для изучения радиосигналов. Там не будет помех от земных источников и спутников. Но это совсем уж далекое будущее. Или нет?
