ЗНАКОМИМ наших читателей с любопытным материалом Игоря Фёдоровича МАЛОВА, доктора физико-математических наук, главного научного сотрудника Пущинской радиоастрономической обсерватории Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, профессора Пущинского государственного университета, члена Правления Международного астрономического общества. В марте 2008 г. он вместе с Ю.А. Бауровым, основоположником революционной теории бюона, провели во Владивостоке научный семинар «Идеи космического мышления и новая научная картина мира» 

РАДИОПУЛЬСАРЫ

Сорок лет назад, в конце 1967 г., в Кембридже (Великобрита­ния) будущий нобелевский лауреат Энтони Хьюиш и его аспирантка Джоселин Белл зарегистрировали, как они сначала полагали, сигналы от внеземных цивилизаций. Эти сиг­налы вполне соответствовали пред­полагавшемуся тогда характеру посланий от носителей инопланетного разума и представляли собой импульсное излучение с ярко вы­раженной модуляцией, в которой обязана была содержаться некая информация. Период между импульсами сохранялся с очень боль­шой точностью и равнялся 1,337 се­кунды. В те годы технически разви­тые цивилизации за пределами Земли считались весьма агрессив­ными – такая точка зрения была вызвана многочисленными фантас­тическими романами, красочно жи­вописующими завоевание нашей планеты пришельцами. Поэтому авторы сочли за благо скрыть от научной и мировой общественности результаты своих наблюдений, за­шифровав их под кодовым назва­нием «маленькие зелёные человеч­ки». Однако любознательность учёных заставляла их исследовать заинтриговавшую область пространства, и вскоре там были обнаружены ещё три источ­ника с очень похожим характером излучения. Не подлежало сомне­нию, что открытие четырёх одно­типных внеземных цивилизаций – событие практически невероятное. К тому же появились описания ес­тественных объектов, способных ис­пускать импульсное излучение: бе­лых карликов, известных астроно­мам уже более сотни лет (не исклю­чалась возможность их пульсации), и гипотетических вращающихся нейтронных звёзд. В начале 1968 г. в журнале «Nature» была опублико­вана первая статья, посвящённая этим необычным источникам, которые получили название ПУЛЬСА­РЫ. После появления первых печатных работ по пульса­рам к кембриджским исследовате­лям присоединились радиоастроно­мы из СССР (Пущино), Австралии  и США (Аресибо).

Пока периоды открытых пульса­ров были порядка секунды, астро­физики разрабатывали обе гипоте­зы об их природе, высказанные ав­торами открытия. Однако после об­наружения пульсара с периодом 33 мс (1/30 секунды) в знаменитой Крабовидной туманности, сформи­ровавшейся на месте появления «звезды-гостьи» (так было записа­но в китайских летописях 1054 г. о вспышке Сверхновой в созвездии Тельца), осталась гипотеза вращающейся нейтронной звезды, поскольку белые карлики не могут пульсировать с такими короткими периодами. Что же касается вра­щения, то и белые карлики, и тем более обычные звёзды при таких скоростях разрушаются центробежной силой.

Взрыв Сверхновой происходит тогда, когда в недрах звезды пре­кращаются термоядерные реакции, и вызываемое ими внутреннее дав­ление больше не может противо­стоять силе тяжести. Внешние слои начинают сжиматься и падают на центральную часть. При этом в центре звезды образуется ядро с массой порядка массы Солнца (2x1030 кг) и радиусом, сравнимым с радиусом Земли (~10000 км), что приводит к появлению белого кар­лика. Если же масса «предсверхновой» очень велика (например, 10 масс Солнца), то радиус внутренней части оказывается равным 10 км, и образуется нейтронная звезда. При этом выделяется огромное коли­чество энергии. Часть внешних слоёв, не успевшая долететь до центрального ядра, за счёт этой энергии выбра­сывается в пространство, образуя быстро расширяющуюся раскалённую оболочку, что воспринимается внешним на­блюдателем как появление новой, не видимой ранее звезды.

Во время сжатия центральной части звезды с атомов сначала «об­дираются» электронные оболочки, и образуются голые ядра тех элемен­тов, которые сформировались в процессе ядерных реакций. Но сжа­тие продолжается, и сами ядра ато­мов начинают разваливаться на нуклоны (протоны и нейтроны), а затем протоны и электроны тоже объединяются в нейтроны с выде­лением частицы нейтрино — эти процессы как раз и служат основ­ным источником энергии, «ответс­твенной» за взрыв.* Если плотность в центре такой звезды превысит ядерную (примерно 1015 г/см3 или больше), что допускается в целом ряде моделей, возможен развал нук­лонов на составляющие их части. В настоящее время такими составля­ющими считаются кварки. При по­явлении этих частиц в свободном состоянии могут образовываться странные звёзды (по названию од­ного из кварков — странного кварка S), ещё более компактные, по срав­нению с нейтронными звёздами.

При таких чудовищных плотнос­тях (миллиард тонн в одном куби­ческом сантиметре!) совершенно изменяются свойства вещества. Объединившиеся в пары «выжив­шие» протоны становятся сверх­проводящими, т.е. протонный ток может существовать в течение очень длительных промежутков времени без затухания. Нейтроны начинают проявлять сверхтеку­честь. Они образуют вихревые нити, параллельные оси вращения нейтронной звезды, и их движение, не подверженное влиянию вязкости, продолжается в течение многих лет. Поверхность нейтронной звезды остаётся твёрдой и состоит из кристаллов железа. Одна из особеннос­тей такой звезды — наличие у неё мощного мазерного излучения.

Именно его наземные приёмники воспринимают как периодические импульсы. Импульсный характер излучения связан с наклоном кону­са излучения к оси вращения. Этот конус один раз за период вращения проходит через наблюдателя и «освещает» его. Такая модель «кос­мического радиомаяка» в настоящее время считается общепринятой.

Можно сказать, что пульсар представляет собой уникальную физическую лабораторию, в кото­рой сама природа создала мощней­шие магнитные (до 1013 Гс) и электрические (до 1012 В/см) поля, плот­ности в центральных областях – порядка плотности атомного ядра. В этих условиях могут образовы­ваться пи-мезоны, гипероны и даже свободные кварки. В макроскопи­ческих масштабах существуют высокотемпературные сверх-теку­честь и сверхпроводимость, движе­ния плазмы со скоростями, близки­ми к скорости света, начинают ра­ботать когерентные (мазерные) механизмы излучения. Следует под­черкнуть, что в земных лаборато­риях такие условия не только не созданы к настоящему времени, но и весьма проблематична их реали­зация даже в очень отдалённом бу­дущем.

Но этим значение пульсаров для науки не ограничивается. Исчезающе малые угловые размеры (не­большой диаметр в соче­тании с огромным расстоянием до этих объектов) делают их незаме­нимыми зондами для исследования межзвёздной среды. Мы хорошо знаем о мерцании звёзд в резуль­тате преломления их света неоднородностями земной атмосферы. Излучение пульсаров также может заметно искажаться неоднородной средой, заполняющей пространс­тво между ними и наблюдателем. Анализ картины «радиомерцаний» позволяет оценить размеры неоднородностей, скорости их движе­ния, плотность. Кроме того, по на­блюдениям поляризации излуче­ния можно определить величину галактического магнитного поля в направлении на пульсар. Эти дан­ные дают возможность сделать важные выводы о природе неоднородностей и процессах, протекающих в межзвёздной плазме.

Пульсары представляют собой не только генераторы мощного электромагнитного излучения, но и источники космических лучей – частиц высоких энергий. При взры­ве Сверхновой выделяется до 1052 эрг, которые могут передаваться отдельным частицам. В мощных электрических полях пульсаров происходит ускорение плазмы, что приводит к выбросу релятивист­ских частиц за пределы их магни­тосфер и к возможности их регистрации как космических лучей на­земными установками.

Несколько десятков радиопуль­саров оказались компонентами двойных систем. Некоторые из этих систем настолько компактны, что в них должны проявляться эф­фекты общей теории относитель­ности – движение точки периастра (наименьшего расстояния меж­ду компонентами), задержка сиг­нала и искривление луча в поле тяжести компаньона. Такие системы позволяют проверить точность предсказаний теории относитель­ности, а значит, и жизнеспособ­ность самой теории.

Наконец, высокая стабильность периода испускания импульсов да­ёт возможность использовать этот периодический процесс для по­строения новой хронологической шкалы. Такая «пульсарная» шкала оказывается более точной на большом временном ин­тервале, чем все известные земные стандарты. Кроме того, она связана с космическими объектами, и на неё не влияют никакие катаклизмы, происходящие на нашей планете и в Солнечной системе.

Удивительные свойства пульса­ров не ограничиваются описанны­ми выше. Наблюдения свидетель­ствуют о том, что эти радиоисточ­ники являются, вероятно, самыми нестационарными в изученной час­ти Вселенной. Если их периоды сохраняются в течение очень боль­ших промежутков времени, хотя и с постепенным закономерным уве­личением вследствие торможения вращения нейтронной звезды, то интенсивность регистрируемых импульсов изменяется на всех ис­следованных интервалах. Измере­ния с высоким временным разре­шением (порядка микросекунды) обнаруживают сверхтонкую, изменяющуюся во времени, структуру импульсов. Интенсивность отдель­но взятых радиосигналов сильно изменяется от импульса к импуль­су, а иногда источник совсем «выключается». Переменность излуче­ния наблюдается в масштабах ми­нут, часов, месяцев, лет. Причины такой переменности остаются неизвестными – так же, как и основные процессы, протекающие внутри нейтронной звезды, на её поверхности и в маг­нитосфере, понятные пока лишь в общих чертах. Многие интересные особенности, наблюдаемые в пуль­сарах, ещё требуют своего тща­тельного исследования. Для выполнения этой задачи необходимы новые научные силы и свежие идеи. Возможно, за неё возьмётся кто-нибудь из читателей этой ста­тьи, неравнодушный к тайнам Все­ленной, – и в будущем ему сужде­но продвинуться в понимании во многом ещё загадочной природы «космических радиомаяков».

Из журнала «ВСЕЛЕННАЯ, пространство, время», №12*2007.