Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

В МТИ был собственный спутник (запущенный в мае 1975 года) под названием «Третий малый астрономический спутник», или SAS-3 (Third Small Astronomy Satellite). Звучит, конечно, не так романтично, как «Ухуру», но работал он так, что я в жизни ничего подобного не видел. Мы уже слышали о барстерах (источниках рентгеновских вспышек) и в январе 1976 года начали их искать, а к марту нашли целых пять. К концу года в общей сложности мы обнаружили десять. Благодаря огромной чувствительности SAS-3 и его точным настройкам он оказался идеальным инструментом для поиска и изучения источников вспышек. Конечно, он разрабатывался не непосредственно для обнаружения вспышек рентгеновского излучения, так что в некотором смысле не обошлось и без определенной доли везения. Видите, какую огромную роль играет в моей жизни госпожа Удача! Мы получали потрясающие данные – по грамму золотого дождя проливалось на нас каждый день, двадцать четыре часа в сутки, – и я работал круглосуточно. Я был не просто целеустремлен, я был одержим. Это величайшая в жизни удача – иметь рентгеновскую обсерваторию, которую вы можете нацелить в любом желаемом направлении и получать данные действительно высокого качества.

Все мы тогда подхватили «вспышечную лихорадку» – студенты и аспиранты, вспомогательный персонал, постдоки и преподаватели, – и я до сих пор помню то потрясающее чувство, которое мы испытывали. В итоге мы разделились на разные наблюдательные группы, а это означало, что мы конкурировали даже друг с другом. Некоторым это не нравилось, но, должен признать, это побуждало нас работать больше и лучше, и во многом именно поэтому научные результаты нашей работы оказались просто фантастическими.

Такая одержимость, понятно, не слишком позитивно влияла на мой брак и семейную жизнь. Моя карьера была на взлете, а первый брак потерпел крах. Конечно, это полностью моя вина. В течение многих лет я уезжал из дома, отсутствуя порой по несколько месяцев, чтобы запускать аэростаты в самых разных местах земного шара. Даже теперь, когда у нас был собственный спутник, я мог месяцами пропадать в Австралии.

Источники рентгеновских вспышек, в сущности, заменили многим из нас семьи. Мы жили с ними, спали с ними, изучали их изнутри и снаружи. Как близких друзей, каждый из которых уникален, со своими характерными особенностями. Даже сейчас я узнаю многие из их уникальных «почерков».

Большинство из этих источников находились на расстоянии около 25 тысяч световых лет от Земли, что позволило нам подсчитать, что суммарная энергия рентгеновского излучения (испускаемого менее чем за минуту) во вспышке составляет около 1032 джоулей, – по сути, непостижимое для человеческого разума число. Так что взгляните на это с такой стороны: чтобы генерировать энергию волн всех длин в 10 32джоулей, Солнцу требуется почти три дня.

Некоторые из этих вспышек происходили с завидной регулярностью – например, источник МХВ 1659-29 выдавал вспышки с интервалом в 2,4 часа, в то время как другие меняли свои интервалы от нескольких часов до нескольких дней, а некоторые не вспыхивали по несколько месяцев. M в аббревиатуре МХВ означает МТИ, Х – X-rays (рентгеновское излучение), а B – burster (барстеры). Цифры в названии – это небесные координаты источника в так называемой системе экваториальных координат. Если среди вас есть астрономы-любители, вам это название наверняка знакомо.

Главный вопрос, конечно же, заключался в том, что было причиной этих вспышек. Двое моих коллег из Гарварда (в том числе Джош Гриндлей, один из первооткрывателей рентгеновских вспышек), увлекшись, высказали в 1976 году идею, что вспышки – это продукт черных дыр с массой, более чем в несколько сот раз превышающей массу Солнца.

Вскоре мы обнаружили, что спектры во время рентгеновских вспышек напоминают спектры от охлаждающегося абсолютно черного тела. Черное тело не черная дыра. При любой температуре оно поглощает все падающее на него излучение во всех диапазонах, не отражая ни одну из его разновидностей. (Как вы знаете, черные объекты поглощают излучение, в то время как белые его отражают, – именно поэтому черный автомобиль, оставленный летом в Майами на пляжной стоянке, всегда нагревается сильнее белого.) Еще одна характеристика абсолютно черного тела заключается в том, что, поскольку оно ничего не отражает, единственное излучение, которое оно может испускать, является результатом его собственного нагрева. Вспомните о нагревательном элементе в электрической печи. Достигнув температуры приготовления пищи, он начинает светиться красным цветом, испуская низкочастотный красный свет. Если заставить его стать еще горячее, он начнет светиться оранжевым, затем желтым и, как правило, более никаким. При отключении от электросети элемент охлаждается, и испускаемое им излучение более или менее сильно напоминает по своим характеристикам хвостовую часть спектра вспышек. Спектры абсолютно черных тел настолько хорошо изучены, что, если измерять такой спектр на протяжении некоторого времени, можно по мере его охлаждения вполне точно рассчитать температуру.

Поскольку абсолютно черные тела хорошо изучены, мы можем очень многое узнать о вспышках, отталкиваясь от знаний из области элементарной физики, и это, безусловно, потрясающе. Так мы и поступили, проанализировав спектры рентгеновского излучения неизвестных источников, расположенных в 25 тысячах световых лет от нас, и в итоге сделали революционное открытие, используя базовые законы физики, известные каждому первокурснику МТИ!

Мы знаем, что полная светимость абсолютно черного тела (количество энергии, излучаемой им в секунду) пропорциональна четвертой степени его температуры (это ни в коей мере не интуитивная информация) и площади его поверхности (тут вывод как раз интуитивно понятен: чем больше площадь, тем больше энергии может испустить тело). Иначе говоря, если у нас есть две сферы диаметром один метр и одна в два раза горячее другой, то первая будет излучать в 16 раз (2 4) больше энергии, чем вторая. Так как площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, мы также знаем, что при неизменной температуре объект утраивается в размерах и будет излучать в девять раз больше энергии в секунду.

Спектр рентгеновского излучения в любой момент вспышки рассказывает нам о температуре абсолютно черного тела излучающего объекта. Во время вспышки температура быстро поднимается до около 30 миллионов кельвинов и в последующий период медленно снижается. А поскольку нам было известно приблизительное расстояние до этих барстеров, мы могли также вычислить светимость источника в любой момент вспышки. Зная температуру и светимость абсолютно черного тела, можно рассчитать и радиус излучающего объекта, причем тоже для любого момента вспышки. Первым это сделал Джин Суонк из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА; мы в МТИ быстро последовали его примеру и пришли к выводу, что эти вспышки – следствие охлаждения объекта с радиусом около 10 километров. Это было убедительным доказательством того, что источники вспышек – нейтронные звезды, а не очень массивные черные дыры. А если это нейтронные звезды, то, скорее всего, рентгеновские двойные.