Пульсары: предсказание, открытие и признание

Алексей Левин
Алек­сей Левин

6 сен­тяб­ря из Сан-Фран­цис­ко при­шла весть, что про­фес­сор аст­ро­фи­зи­ки Окс­форд­ско­го уни­вер­си­те­та Джо­се­лин Белл Бёр­нелл (Susan Jocelyn Bell Burnell) удо­сто­е­на Спе­ци­аль­ной пре­мии за про­рыв­ные резуль­та­ты в обла­сти фун­да­мен­таль­ной физи­ки (Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics). Коми­тет по отбо­ру кан­ди­да­тов под пред­се­да­тель­ством зна­ме­ни­то­го мате­ма­ти­ка и физи­ка Эдвар­да Вит­те­на объ­явил, что ее награ­ди­ли «за фун­да­мен­таль­ный вклад в откры­тие пуль­са­ров и вдох­нов­ля­ю­щую лиди­ру­ю­щую роль в науч­ном сооб­ще­стве на про­тя­же­нии всей жиз­ни». Я не берусь судить о дости­же­ни­ях Джо­се­лин Белл Бёр­нелл как «вдох­нов­ля­ю­ще­го лиде­ра» науч­но­го сооб­ще­ства. Одна­ко ее роль в откры­тии пуль­са­ров не столь про­ста, как может пока­зать­ся на пер­вый взгляд. Обра­тим­ся к фак­там.

Джоселин Белл в 1968 году. Daily Herald Archive/SSPL
Джо­се­лин Белл в 1968 году. Daily Herald Archive/​SSPL

Откры­тие пуль­са­ров ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря пяте­рым сотруд­ни­кам Кем­бридж­ско­го уни­вер­си­те­та во гла­ве с одним из пио­не­ров и бес­спор­ных лиде­ров бри­тан­ской радио­астро­но­мии Энто­ни Хью­и­шем. Они рабо­та­ли на радио­те­ле­ско­пе-интер­фе­ро­мет­ре, постро­ен­ном в 1967 году по его ори­ги­наль­но­му про­ек­ту. Хью­иш пла­ни­ро­вал исполь­зо­вать новый теле­скоп для деталь­но­го ска­ни­ро­ва­ния небо­сво­да на часто­те 81,5 МГц (что соот­вет­ству­ет длине вол­ны 3,7 м). Его глав­ная цель состо­я­ла в поис­ке ква­за­ров, кото­рые были откры­ты четырь­мя года­ми ранее, но всё еще не объ­яс­не­ны. Сре­ди его помощ­ни­ков по мон­та­жу муль­ти­ди­поль­ной антен­ной решет­ки теле­ско­па была 24-лет­няя аспи­рант­ка Джо­се­лин Белл. В июле 1967 года она при­сту­пи­ла к пер­вым наблю­де­ни­ям на новой уста­нов­ке.

И вот тут судь­ба пре­под­нес­ла ей очень доро­гой пода­рок. Радио­элек­трон­ная аппа­ра­ту­ра теле­ско­па выда­ва­ла инфор­ма­цию в виде кри­вых, кото­рые вычер­чи­ва­ли на бумаж­ных лен­тах четы­ре само­пис­ца. 6 авгу­ста Джо­се­лин Белл заме­ти­ла на них неболь­шие изло­мы, в кото­рых запо­до­зри­ла при­шед­шие из кос­мо­са радио­импульсы. Ей уда­лось опре­де­лить пря­мое вос­хож­де­ние пред­по­ла­га­е­мо­го источ­ни­ка этих сиг­на­лов — 19 часов 19 минут (отсю­да и его после­ду­ю­щее назва­ние CP 1919). Одна­ко каче­ство запи­сей было весь­ма низ­ким, так что интер­пре­та­ция сиг­на­лов ока­за­лась невоз­мож­ной.

Хью­иш нашел выход. Он рас­по­ря­дил­ся при­ме­нить для реги­стра­ции сиг­на­лов допол­ни­тель­ный само­пи­сец с боль­шей ско­ро­стью про­тяж­ки лен­ты. Его уста­но­ви­ли в сере­дине осе­ни, и в нояб­ре Джо­се­лин Белл нача­ла новую серию наблю­де­ний. К кон­цу меся­ца она выяс­ни­ла, что зага­доч­ные зуб­цы — это дей­стви­тель­но всплес­ки радио­волн про­тя­жен­но­стью око­ло 0,3 секун­ды, при­хо­дя­щие с интер­ва­лом в 1,337 секун­ды. Про­из­ве­ден­ный Хью­и­шем ана­лиз запи­сей пока­зал, что эта пери­о­дич­ность в пере­сче­те на звезд­ное (сиде­ри­че­ское) вре­мя сохра­ня­ет­ся с очень высо­кой точ­но­стью.

Послед­ние сомне­ния рас­се­я­лись после того, как Джо­се­лин Белл 21 декаб­ря обна­ру­жи­ла вто­рой пуль­си­ру­ю­щий сиг­нал, а в сере­дине янва­ря — еще два, при­чем они исхо­ди­ли от источ­ни­ков, раз­не­сен­ных на небес­ной сфе­ре дале­ко друг от дру­га. Кем­бридж­ские радио­астро­но­мы поня­ли, что столк­ну­лись с неиз­вест­ным кос­ми­че­ским фено­ме­ном, о кото­ром пора сооб­щить аст­ро­но­ми­че­ско­му сооб­ще­ству.

8 фев­ра­ля Энто­ни Хью­иш и чет­ве­ро его сотруд­ни­ков отпра­ви­ли в Nature отчет о сво­их иссле­до­ва­ни­ях. Напи­сал его сам Хью­иш, а под­пись Джо­се­лин Белл сто­я­ла на вто­ром месте. 24 фев­ра­ля вошед­шая в исто­рию аст­ро­но­мии ста­тья «Наблю­де­ние быст­ро пуль­си­ру­ю­ще­го радио­и­сточ­ни­ка» была напе­ча­та­на. Уже в мар­те ново­от­кры­тые кос­ми­че­ские объ­ек­ты полу­чи­ли назва­ние «пуль­са­ры», кото­рое быст­ро закре­пи­лось в науч­ной лите­ра­ту­ре. Впер­вые оно появи­лось в печа­ти 5 мар­та 1968 года в ста­тье науч­но­го обо­зре­ва­те­ля газе­ты Daily Telegraph, кото­рый бесе­до­вал с Хью­и­шем и потом рас­ска­зал широ­кой пуб­ли­ке об откры­тии кем­бридж­ской груп­пы.

Пер­во­от­кры­ва­те­ли пуль­са­ров не подо­зре­ва­ли, что меха­низм гене­ра­ции кос­ми­че­ских радио­всплес­ков в общих чер­тах уже опи­сан и даже появи­лась соот­вет­ству­ю­щая пуб­ли­ка­ция. Эта инфор­ма­ция содер­жа­лась в пись­ме рабо­тав­ше­го в Кор­нелл­ском уни­вер­си­те­те ита­льян­ско­го аст­ро­фи­зи­ка Фран­ко Пачи­ни, кото­рое 11 нояб­ря появи­лось в Nature. В его рабо­те «Излу­че­ние энер­гии ней­трон­ной звез­дой» пред­ла­га­лась модель, кото­рая вско­ре ста­ла осно­вой объ­яс­не­ния пуль­са­ров.

Модель Пачи­ни мож­но пояс­нить с помо­щью про­стой ана­ло­гии. Име­ет­ся полый шар с парой диа­мет­раль­но про­ти­во­по­лож­ных отвер­стий, в кото­рые встав­лен тон­кий поло­со­вой маг­нит дли­ной в диа­метр шара. Шар рас­кру­чен так, что ось вра­ще­ния и маг­нит­ная ось не сов­па­да­ют. В соот­вет­ствии с урав­не­ни­я­ми Макс­вел­ла эта игруш­ка долж­на излу­чать поток элек­тро­маг­нит­ных волн, в любой момент пре­имущественно направ­лен­ный вдоль оси маг­ни­та. Посколь­ку эта ось опи­сы­ва­ет двой­ную кони­че­скую поверх­ность с остри­ем в цен­тре шара, излу­че­ние уйдет в про­стран­ство тоже по двой­но­му кону­су.

Чита­тель сра­зу заме­тит, что наша пла­не­та явля­ет­ся имен­но таким излу­ча­те­лем, посколь­ку ее маг­нит­ные полю­са не сов­па­да­ют с гео­гра­фи­че­ски­ми. Одна­ко Зем­ля вра­ща­ет­ся мед­лен­но, ее маг­нит­ное поле сла­бо, поэто­му мощ­ность излу­че­ния не пре­вы­ша­ет тысяч­ной доли ват­та. Пачи­ни же в каче­стве при­ме­ра рас­смат­ри­вал ней­трон­ную звез­ду с часто­той вра­ще­ния в тыся­чу обо­ро­тов в секун­ду и маг­нит­ным полем, в десять мил­ли­ар­дов раз пре­вы­ша­ю­щим зем­ное (кста­ти, и сол­неч­ное). Соглас­но его вычис­ле­ни­ям, мощ­ность ее излу­че­ния состав­ля­ет 2×1033 Вт, что в 5 млн раз боль­ше пол­ной мощ­но­сти излу­че­ния Солн­ца. Суще­ство­ва­ние ней­трон­ных звезд имен­но с таки­ми пара­мет­ра­ми выте­ка­ло из тео­рии звезд­ной эво­лю­ции, одна­ко их еще нико­гда не наблю­да­ли.

Из моде­ли Пачи­ни сле­ду­ет, что если поток вра­ща­ю­ще­го­ся излу­че­ния заде­нет нашу пла­не­ту, радио­те­ле­ско­пы зафик­си­ру­ют его в виде серии повто­ря­ю­щих­ся всплес­ков. Для пря­мо­го пред­ска­за­ния суще­ство­ва­ния пуль­са­ров ему нуж­но было лишь заявить, что столь мощ­ное излу­че­ние мож­но реги­стри­ро­вать на дистан­ци­ях в сот­ни и даже тыся­чи све­то­вых лет. Одна­ко это­го-то он и не сде­лал. Его намаг­ни­чен­ный вол­чок (на фор­маль­ном язы­ке — наклон­ный рота­тор) гене­ри­ру­ет моно­хро­ма­ти­че­ское радио­из­лу­че­ние с дли­ной вол­ны в три сот­ни кило­мет­ров. Столь низ­ко­ча­стот­ные вол­ны долж­ны отра­жать­ся и погло­щать­ся меж­звезд­ной плаз­мой на весь­ма уме­рен­ных рас­сто­я­ни­ях от источ­ни­ка. Поэто­му Пачи­ни при­шел к пес­си­ми­сти­че­ско­му выво­ду, что «нас такие элек­тро­маг­нит­ные вол­ны достичь не смо­гут» (хотя тут же отме­тил, что его модель очень силь­но упро­ща­ет реаль­ность). Воз­мож­но, имен­но поэто­му его ста­тья прак­ти­че­ски не была заме­че­на.

В этом смыс­ле гораз­до боль­ше повез­ло Тома­су Гол­ду, дека­ну аст­ро­но­ми­че­ско­го факуль­те­та всё того же Кор­нел­ла. Узнав о резуль­та­тах кем­бридж­ской груп­пы, он пред­по­ло­жил, что отлов­лен­ные ими радио­им­пуль­сы порож­де­ны реля­ти­вист­ски­ми дви­же­ни­я­ми плаз­мы в маг­ни­то­сфе­ре быст­ро вра­ща­ю­щей­ся ней­трон­ной звез­ды. В целом, это та же модель наклон­но­го маг­нит­но­го рота­то­ра, что и у Пачи­ни, но с явным ука­за­ни­ем на роль дина­ми­че­ских про­цес­сов в маг­ни­то­сфе­ре (кста­ти, это тер­мин при­ду­мал тоже Голд). Совсем занят­но, что он не толь­ко не обра­тил вни­ма­ния на ста­тью Пачи­ни, но и не обсу­дил с ним свою соб­ствен­ную гипо­те­зу, хотя их каби­не­ты нахо­ди­лись в одном кори­до­ре.

Ста­тья Гол­да «Вра­ща­ю­щи­е­ся ней­трон­ные звез­ды как при­чи­на пуль­си­ру­ю­щих радио­и­сточ­ни­ков» появи­лась в Nature 25 мая 1968 года. Поми­мо объ­яс­не­ния меха­низ­ма излу­че­ния радио­волн, в ней содер­жат­ся два важ­ней­ших пред­ска­за­ния. Коль ско­ро радио­вол­ны испус­ка­ют­ся за счет меха­ни­че­ской энер­гии вра­ще­ния ней­трон­ной звез­ды, ее угло­вая ско­рость посте­пен­но умень­ша­ет­ся, а пери­о­ды пуль­са­ций уве­ли­чи­ва­ют­ся. Во-вто­рых, посколь­ку вычис­лен­ная тео­ре­ти­ка­ми ско­рость вра­ще­ния ней­трон­ной звез­ды может дости­гать сотен обо­ро­тов в секун­ду, сле­ду­ет ожи­дать наблю­де­ния радио­пуль­са­ций с мил­ли­се­кунд­ны­ми пери­о­да­ми. Оба пред­ска­за­ния со вре­ме­нем под­твер­ди­лись.

Модель Гол­да, в отли­чие от моде­ли Пачи­ни, не огра­ни­чи­ва­ла элек­тро­маг­нит­ную актив­ность ней­трон­ной звез­ды низ­ко­ча­стот­ным радио­из­лу­че­ни­ем. Реля­ти­вист­ские дви­же­ния частиц плаз­мен­но­го окру­же­ния звез­ды в прин­ци­пе могут гене­ри­ро­вать радио­вол­ны раз­лич­ных частот, в том чис­ле и в диа­па­зоне от десят­ков до сотен мега­герц, кото­рые были заре­ги­стри­ро­ва­ны на радио­те­ле­ско­пах. Голд и в этом ока­зал­ся прав. Хотя и поныне нет пол­ной ясно­сти по пово­ду меха­низ­мов излу­че­ния радио­пуль­са­ров, несо­мнен­но, что оно гене­ри­ру­ет­ся за счет дина­ми­че­ских про­цес­сов в маг­ни­то­сфе­рах ней­трон­ных звезд.

1960-е годы ста­ли эпо­хой боль­шо­го скач­ка радио­астро­но­мии. Имен­но тогда она пре­вра­ти­лась в зре­лую (и тех­ни­че­ски, и идей­но) ветвь нау­ки о Все­лен­ной, спо­соб­ную гене­ри­ро­вать откры­тия экс­т­ра-клас­са. Вско­ре ее дости­же­ния при­зна­ли и чле­ны Нобе­лев­ской ассам­блеи Швед­ской ака­де­мии наук. Впер­вые это слу­чи­лось в 1974 году, когда Энто­ни Хью­иш и его учи­тель Мар­тин Райл были награж­де­ны «за пио­нер­ские иссле­до­ва­ния в обла­сти радио­астро­фи­зи­ки». Райл был удо­сто­ен Нобе­лев­ской пре­мии за созда­ние и при­ме­не­ние новых мето­дов радио­астро­но­ми­че­ских наблю­де­ний, в част­но­сти тех­ни­ки апер­тур­но­го син­те­за, Хью­иш — за «реша­ю­щую роль в откры­тии пуль­са­ров».

Джоселин Белл в 2009 году («Википедия»)
Джо­се­лин Белл в 2009 году («Вики­пе­дия»)

Джо­се­лин Белл награ­ду не полу­чи­ла — и не без осно­ва­ний. Пуль­са­ры были откры­ты в рам­ках ори­ги­наль­ной иссле­до­ва­тель­ской про­грам­мы, кото­рая была заду­ма­на Хью­и­шем и выпол­ня­лась под его руко­вод­ством. Его радио­те­ле­скоп был иде­аль­но при­спо­соб­лен для наблю­де­ния корот­ких радио­всплес­ков, так что откры­тие новых источ­ни­ков было фак­ти­че­ски лишь вопро­сом вре­ме­ни. Белл пер­вой заме­ти­ла пери­о­ди­че­ские радио­пульсации, кото­рые до того нико­гда не наблю­да­лись. Она про­яви­ла и наблю­да­тель­ность, и упор­ство — да к тому же ей про­сто повез­ло. Одна­ко эти заме­ча­тель­ные каче­ства, рав­но как и уда­ча — всё же недо­ста­точ­ное осно­ва­ние для при­чис­ле­ния к сон­му нобе­ли­а­тов. Осо­бен­но если учесть, что по окон­ча­нии аспи­ран­ту­ры она не обо­га­ти­ла нау­ку ника­ки­ми откры­ти­я­ми. Ее дис­сер­та­ция была посвя­ще­на в основ­ном вполне стан­дарт­но­му изме­ре­нию угло­вых раз­ме­ров радио­и­сточ­ни­ков, пуль­са­ры же упо­мя­ну­ты лишь в допол­не­нии. Ее про­фес­си­о­наль­ные дости­же­ния огра­ни­чи­лись бла­го­по­луч­ной, но отнюдь не выда­ю­щей­ся карье­рой уни­вер­си­тет­ско­го про­фес­со­ра. А вот Тома­са Гол­да, на мой взгляд, Нобе­лев­ский коми­тет оби­дел: по спра­вед­ли­во­сти он дол­жен был бы раз­де­лить пре­мию с Хью­и­шем.

Вопро­су, что такое науч­ное откры­тие, посвя­ще­на бога­тей­шая исто­ри­ко-науч­ная и нау­ко­вед­че­ская лите­ра­ту­ра. Не вда­ва­ясь в подроб­но­сти, под­черк­ну, что это не про­сто наблю­де­ние еще неиз­вест­но­го эффек­та. Откры­тие вклю­ча­ет в себя и ана­лиз пер­вич­ных дан­ных, и их проб­ную интер­пре­та­цию, и тео­ре­ти­че­ское осмыс­ле­ние, и, воз­мож­но, даже пред­ска­за­ние. Джо­се­лин Белл (кото­рая после заму­же­ства в 1968 году ста­ла Джо­се­лин Белл Бёр­нелл) отме­ти­лась в исто­рии аст­ро­но­мии лишь по пер­во­му пунк­ту. Миро­вую сла­ву ей при­нес­ли сред­ства мас­со­вой инфор­ма­ции и феми­нист­ские орга­ни­за­ции, кото­рые очень полю­би­ли исто­рию о сим­па­тич­ной моло­день­кой аспи­рант­ке, «неспра­вед­ли­во оби­жен­ной» науч­ным руко­во­ди­те­лем и швед­ски­ми ака­де­ми­ка­ми-муж­чи­на­ми. Думаю, что про­лив­ший­ся на нее дождь наград (Хью­иш полу­чил их куда мень­ше) во мно­гом объ­яс­ня­ет­ся имен­но этой леген­дой.

Что­бы быть луч­ше поня­тым, пред­ло­жу мыс­лен­ный экс­пе­ри­мент. В июне 1894 года Виль­гельм Рент­ген занял­ся изу­че­ни­ем катод­ных лучей, кото­рые тогда при­вле­ка­ли вни­ма­ние мно­гих физи­ков. Для их полу­че­ния он исполь­зо­вал стан­дарт­ный источ­ник — газо­раз­ряд­ные труб­ки Крук­са. 8 нояб­ря Рент­ген слу­чай­но заме­тил сла­бое све­че­ние, исхо­дя­щее от лист­ка бума­ги на его рабо­чем сто­ле, сто­я­щем в паре мет­ров от вклю­чен­ной труб­ки. При­бли­зив­шись, он уви­дел, что зеле­ным све­тит­ся бук­ва «А», кото­рую рань­ше напи­сал один из его сту­ден­тов, исполь­зо­вав вме­сто чер­нил рас­твор циа­но­пла­ти­ни­да бария. Физи­ки зна­ли, что это веще­ство све­тит­ся под воз­дей­стви­ем катод­ных лучей, и пото­му при­ме­ня­ли его в каче­стве инди­ка­то­ра. Одна­ко на листок, кото­рый при­влек вни­ма­ние Рент­ге­на, катод­ные лучи попасть никак не мог­ли — слиш­ком вели­ка дистан­ция. Так что обна­ру­жен­ное све­че­ние было как мини­мум стран­ным. Рент­ген мог бы не обра­тить вни­ма­ния на этот фено­мен — мало ли что слу­ча­ет­ся в лабо­ра­то­рии! Одна­ко он при­сту­пил к экс­пе­ри­мен­там и к кон­цу декаб­ря убе­дил­ся, что открыл излу­че­ние еще неиз­вест­ной при­ро­ды. Теперь пред­ста­вим себе, что све­че­ние пер­вым заме­тил тот самый сту­дент. Допу­стим, он рас­ска­зал обо всем шефу, полу­чил его похва­лу и вер­нул­ся к сво­им заня­ти­ям. Про­фес­сор же занял­ся этим фено­ме­ном и при­шел к одно­му из вели­чай­ших откры­тий в исто­рии физи­ки. Кто в таком слу­чае счи­тал­ся бы авто­ром — сту­дент или все-таки его руко­во­ди­тель? И в честь кого мы бы назы­ва­ли сего­дня эти лучи? Мне кажет­ся, ответ оче­ви­ден.

Алек­сей Левин

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

2 комментария

  1. Украл голд идею у ита­льян­ца. Пото­му и не дали пре­мию. Сидеть в сосед­нем каби­не­те и ниче­го не знать про рабо­ту кол­ле­ги? Стран­но­ва­то.

  2. Ста­тья понра­ви­лась – живая, убе­ди­тель­ная для науч­но­го работ­ни­ка и эмо­ци­о­наль­но инте­рес­ная для всех. Мне­ние авто­ра об автор­стве соци­аль­но при­вле­ка­тель­но, хотя вряд ли бес­спор­но. Мне понра­вил­ся мыс­лен­ный экс­пе­ри­мент – прав­да, мне труд­но пред­ста­вить немец­ко­го сту­ден­та, исполь­зо­вав­ше­го рас­твор доро­го­го реак­ти­ва вме­сто чер­нил, – рос­сий­ско­го – лег­ко. :)
    И ещё – мно­го­ты­ся­че­лет­ний опыт и наблю­де­ния гово­рят – чело­век, сде­лав­ший неждан­ное, не пред­ска­зан­ное откры­тие фак­та, мыс­ли – испы­ты­ва­ет неза­бы­ва­е­мое ощу­ще­ние выхо­да из пре­де­лов чело­ве­че­ских. Обыч­но при­ро­да пла­тит живым суще­ствам таким ощу­ще­ни­ем за выпол­нен­ную необ­хо­ди­мую рабо­ту – напри­мер ощу­ще­ни­ем оргаз­ма за тяж­кую рабо­ту раз­мно­же­ния. Но здесь ощу­ще­ние на поря­док выше, перед ними мерк­нет любая пре­мия и, похо­же, его невоз­мож­но ими­ти­ро­вать. Любо­пыт­но, и спа­си­бо ува­жа­е­мо­му Алек­сею Леви­ну за его оче­ред­ную твор­че­скую уда­чу :)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: