Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Стояло лето 1967 г. – «Лето любви». Хиппи курили травку в районе Хейт-Эшбери в Сан-Франциско, «Битлз» записывали альбом «Magical Mystery Tour», а Джоселин Белл корпела над записями радиотелескопа в надежде найти в этих загогулинах что-нибудь неожиданное.

Осенью 1967 г. надежда оправдалась.

Белл обнаружила таинственный пульсирующий радиосигнал из маленького созвездия Лисы – короткий «пик» каждые 1,3 секунды, словно космический метроном.

Возможно, вы слышали эту историю, она правдива: несколько недель Белл Хьюиш и их коллеги допускали, что нашли инопланетян. Какой природный феномен мог выдавать такой частый, чрезвычайно регулярный сигнал? Казалось, он имел искусственное и в то же время, безусловно, внеземное происхождение. Они даже обозначили сигнал аббревиатурой LGM-1, от «маленькие зеленые человечки» (little green men).

Как ни странно, Белл это раздражало, хотя молодому астроному должна была льстить мысль, что она, возможно, нашла свидетельство существования инопланетян. «Я пытаюсь выжать себе диссертацию из нового метода, а идиотские зеленые человечки, видите ли, выбрали мою антенну и частоту, чтобы связаться с нами», – вспоминала она во время застольной речи на конференции в Бостоне в декабре 1976 г.

Вера в маленьких зеленых человечков не затянулась. Через пару месяцев Белл нашла еще три аналогичных источника пульсирующих радиосигналов в совершенно других частях неба. Невероятно, чтобы четыре самостоятельные инопланетные цивилизации пользовались одним и тем же видом связи. Это природный феномен. Статья с сообщением об открытии была опубликована 24 февраля 1968 г. в журнале Nature . Возможное объяснение приводилось уже во вводной части: «Представляется, что излучение исходит от локальных объектов внутри галактики… и может быть связано с колебаниями белых карликов или нейтронных звезд».

Вскоре, давая интервью Daily Telegraph , Хьюиш впервые употребил слово «пульсар» – сокращение от «пульсирующая звезда» (pulsating star).

Почему нейтронная звезда излучает регулярные импульсы в радиодиапазоне частот?

Не из-за колебаний, как предполагалось в статье из Nature . Нейтронные звезды не только имеют немыслимую плотность, но и быстро вращаются вокруг своей оси. Вращение вызвано сохранением углового момента, но давайте назовем его эффектом фигуриста. Видели выступления российского фигуриста Евгения Плющенко? Он завоевал четыре олимпийские медали и выиграл чемпионаты мира 2001, 2003 и 2004 гг. Вероятно, вы заметили: когда он прижимает руки к телу во время вращения, скорость вращения возрастает. Это закон природы: вращающиеся объекты, уменьшающиеся в размерах, вращаются все быстрее. (Даже не умея кататься на коньках, вы можете испытать этот эффект на себе. Сядьте на офисный стул, раскиньте в стороны руки и ноги и попросите кого-нибудь как можно сильнее вас раскрутить. Теперь подожмите конечности, и вы все увидите сами.)

Медленно вращающееся ядро массивной звезды, коллапсирующее из нейтронов в шар менее 25 км в поперечнике, – это астрофизический двойник Евгения Плющенко: скорость вращения резко возрастает. Новорожденные нейтронные звезды могут совершать много оборотов в секунду.

Коллапс ядра звезды имеет еще одно следствие – резкий рост силы его магнитного поля. Нейтронные звезды обладают магнитными полями, по меньшей мере в сотни миллионов раз сильнее земного. Маленький плотный нейтронный шар – это очень сильно намагниченный, быстро вращающийся космический волчок.

Дальше самое интересное. Вращающийся магнит создает электрический ток – владельцы электровелосипедов со старомодными генераторами знают, о чем я говорю. Электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, а разогнанные частицы создают свет и другие формы электромагнитных волн, как объяснил Максвелл. Иными словами, намагниченные нейтронные звезды излучают электромагнитные волны в направлении своей магнитной оси. Из северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды устремляются в пространство мощные пучки радиоволн, света и даже рентгеновского излучения. (Обратите внимание: из северного и южного магнитных полюсов. В большинстве случаев они не совпадают с одноименными полюсами вращения . Это касается и Земли.) Итак, возникающие при вращении нейтронной звезды узкие пучки излучения пронизывают пространство подобно направленному лучу прожектора. Если ваш радиотелескоп окажется на пути одного из этих пучков, вы будете фиксировать короткий радиоимпульс с каждым оборотом звезды. Нейтронная звезда проявит себя как пульсар. (У некоторых пульсаров наблюдались также импульсы оптического и/или рентгеновского излучения.)

Благодаря эффекту прожектора пульсары в принципе можно обнаружить, при условии что вы находитесь в нужном месте. Открытие Джоселин Белл стало первым наблюдением нейтронной звезды после предсказания их существования, выдвинутого Бааде и Цвики 30 годами раньше. Частота радиоимпульсов (один импульс каждые 1,3373 секунды) сразу же дала астрономам период обращения нейтронной звезды. Вращается она очень быстро. Представьте объект размером с Лондон или Париж, совершающий три оборота вокруг оси каждые четыре секунды.

Какой материал! Вот первая реакция астронома Джо Тейлора на известие о пульсарах. Он прочел статью в Nature , когда ему было 26 лет. В Гарвардском университете в городе Кембридже (штат Массачусетс) Тейлор только что завершил диссертацию на соискание степени доктора философии, посвященную затенению источников радиосигналов Луной, но пульсары показались ему гораздо более интересным объектом для изучения. Тейлор не собирался, как Белл, лично просматривать бесконечные ленты самописца. Он решил наладить систематический автоматизированный поиск и отправился в Национальную радиоастрономическую обсерваторию в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). В течение года Тейлор с коллегами обнаружили еще шесть пульсаров. Охота началась.

Я убежден, что Альберт Эйнштейн оценил бы пульсары. Часть его ОТО касается влияния сильных гравитационных полей на ход времени. Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды составляет несколько сот миллиардов g – оно в несколько сот миллиардов раз сильнее, чем поле, действующее на падающее земное яблоко. Более того, пульсары – очень точные часы (невообразимо более точные, чем наручные часы, названные их именем). Лучшей лаборатории по изучению эффектов ОТО и желать нельзя. Неудивительно, что астрономам захотелось найти все пульсары, доступные для наблюдения.