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

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

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

2 комментария

  • Пал Палыч:

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

  • Владимир Аксайский:

    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 *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com