Павел Амнуэль - Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров.
Нагревать туманность или снабжать ее быстрыми электронами могло лишь нечто, расположенное в самой туманности. А в ней не было пока обнаружено ничего, кроме южной звезды. И не было никаких доказательств того, что южная звезда — нейтронная. Впрочем, даже если бы удалось найти какие-то веские аргументы в пользу такого предположения, это еще не могло разрешить противоречия. Крабовидная туманность ежесекундно излучает во всех диапазонах электромагнитных волн больше 1037 эрг. В тысячи раз больше полного излучения Солнца. В нейтронной звезде не предполагалось наличия таких источников энергии.
Астрофизики были уверены, что нейтронная звезда, горячая в момент образования, быстро остывает и из полумертвого тела становится окоченевшим трупом, которому одна дорога — на звездное кладбище. И это был прогресс в представлениях, ведь десятью годами раньше астрофизики и вовсе не верили в нейтронные звезды. А. Камерон сказал: может, нейтронная звезда хоть немного активна? Хотя бы для объяснения «жгутов»?.. В 1963 году американский астрофизик Дж. Бербидж — прекрасный наблюдатель и теоретик — писал, что источником небольшой активности нейтронной звезды могут быть радиоактивные изотопы, которые образовались в момент взрыва сверхновой и не «улетели» в пространство вместе с оболочкой. Конечно, и эта идея не объясняла, почему излучает туманность. Загадка оставалась. Нужна была более радикальная идея, но прежде предстояло сломать общее представление о нейтронных звездах как о мертвых телах.
Великая психологическая инерция скрывается в магии слов. Мертвая звезда. Мертвое тело, следствие гибели звезд. Слова гипнотизируют больше, чем нам порой кажется. Мы думаем — большое ли дело название, на ход рассуждений оно не влияет. Не влияет, если название бессмысленное. Как, например, сверхновые. Это лишь обозначение, физического смысла в нем нет. Но мертвая звезда…
В решении изобретательской задачи первый шаг —
формулировка условия без каких бы то ни было специальных терминов. К сожалению, в научной работе и этот способ не привился. Напротив, считается, что без соответствующей терминологии задачу просто невозможно сформулировать. А между тем сами термины начинают подталкивать наше сознание в определенном направлении. И часто — не в ту сторону, где лежит решение. Приведем примеры из техники, а потом вернемся к мертвым нейтронным звездам.
Как-то группе инженеров было предложено перекинуть через глубокую и широкую пропасть трубопровод, по которому должна перекачиваться нефть. Задача казалась неразрешимой — никакое увеличение сечения трубы не мешало ей изгибаться и ломаться. Но вот из условия задачи было выброшено слово «трубопровод». Нужно перебросить через пропасть какую-то «штуку» и по ней качать нефть. Решение пришло сразу. Нужно сделать эту «штуку» в форме двутавра, который обладает большим запасом прочности на изгиб. Не нужна труба, нужно сделать полый двутавр…
Еще пример. Десятки лет льды Арктики штурмуют мощные ледоколы, и столько же времени инженеры бьются над совершенствованием их конструкции. Но дело движется с трудом, потому что все сводится к увеличению мощности двигателя и усилению корпуса — колоть лед с большей силой. Такова магия названия — ледокол. Нужно было избавиться от нее, чтобы предложить идею корабля, состоящего из двух частей — верхней, которая находится над льдом, и нижней, расположенной под льдом. А соединены эти половинки параллельными стенками, которые, будто лезвия острых ножей, режут лед. Вовсе не нужно протискивать сквозь лед всю махину корабля — только узкие лезвия легко проходят насквозь, а сам корабль (можно ли назвать его ледоколом?) движется над и под льдом…
Таких примеров магии слов в технике множество. Есть они и в науке.
Впрочем, общее представление о нейтронных мертвых звездах, казалось, подтверждается и фактами. Речь идет о звездах рентгеновских.
Открытие источника излучения в созвездии Скорпиона, а затем Крабовидной туманности привело к рождению нового направления исследований: рентгеновской астрофизики. К середине 1964 года было открыто около 20 космических рентгеновских источников. Все они, кроме Крабовидной туманности, были переменными — уже одно это говорило в пользу звездной природы объектов. Рентгеновские источники меняли свою яркость в два-три раза от одного полета ракеты до другого. Это означает, что размеры излучающей области не очень-то велики и сравнимы скорее всего с размерами звезд. Но обычные звезды, как мы уже говорили, в рентгеновском диапазоне практически не излучают. Значит, остаются звезды компактные, то есть нейтронные. И даже более того. Речь конкретно шла о горячих нейтронных звездах. О какой-то иной активности и речи не было. Нейтронные звезды могут только остывать, а если рентгеновские источники могут быть нейтронными звездами, то только остывающими.
Казалось бы, это легко проверить. У любого нагретого тела очень специфическое распределение энергии в спектре — такой спектр называется излучением черного тела. Достаточно запустить ракету, измерить, сколько излучает источник в разных диапазонах, и… И ничего бы не получилось. Точность измерений в то время еще не позволяла сказать надежно, какой именно спектр наблюдается. Это мог быть и спектр черного тела, и нагретой прозрачной плазмы, и синхротронное излучение электронов, как в Крабовидной туманности. У интерпретатора была полная свобода выбора. А интерпретировать наблюдения проще всего было именно спектром черного тела. Не нужно было искать новых объяснений. Так получилось, что первым свойством нейтронных звезд, которое было хорошо исследовано теоретически, было свойство их остывания. В течение двух-трех лет были опубликованы десятки работ и выяснилось, что нейтронная звезда остывает очень быстро, лет за десять ее температура уменьшается до сотен тысяч градусов. А при такой температуре нейтронная звезда уже не может быть источником рентгеновского излучения.
К тому же выяснилось еще одно обстоятельство. Двадцать обнаруженных рентгеновских источников располагались на небе преимущественно в направлении на центр Галактики. Из этого следовало, что расстояние до них в среднем сравнимо с расстоянием до галактического центра. Действительно, если бы источники находились значительно ближе к Земле, чем центр Галактики, то они с равной вероятностью могли бы наблюдаться во всех направлениях на небе, кроме разве что высоких галактических широт, где звезд вообще мало. А расстояние до центра Галактики велико, около 10 кпс. Чтобы рентгеновский источник на таком расстоянии имел наблюдаемую интенсивность, он должен ежесекундно излучать до 1038 эрг! В десятки тысяч раз больше, чем излучает Солнце во всех диапазонах. Может ли излучать так много горячая нейтронная звезда? Не может. Даже нагретая до 10 миллионов градусов нейтронная звезда будет излучать лишь 6*1036 эрг/с. К тому же такая высокая температура в нейтронной звезде держится очень недолго. Возникает противоречие: горячих нейтронных звезд должно наблюдаться очень мало, на самом деле число рентгеновских источников уже в 1965 году перевалило за два десятка. Реальное же число могло достигать и сотен — ведь ракеты осматривали небольшие участки неба…
Противоречие между наблюдениями и интерпретацией: либо рентгеновские источники вовсе не такие мощные, как кажется, либо это не горячие нейтронные звезды. А что же тогда?
Внутри нейтронной звезды нет иных источников энергии, кроме тепловых. Значит, нужно искать источники внешние. Что-то, находящееся вне нейтронной звезды, сообщает ей энергию.
Вне нейтронной звезды — космос, пространство, заполненное межзвездным газом. Местами газ собирается в облака повышенной плотности, в газовые туманности. Если в облаке оказывается яркая голубая звезда, она освещает облако будто прожектор, она ионизует водород, из которого состоит облако, и мы наблюдаем яркие диффузные туманности. А если яркой звезды поблизости нет, газ не светится, и мы видим черные провалы, сквозь которые с трудом проникает свет далеких звезд. Газа в Галактике немало — около десятой доли массы всей нашей звездной системы. Однако средняя плотность этого газа — одна частица в см3! Чем может помочь эта непустая пустота?
На этот вопрос ответил в 1964 году советский ученый Я. Б. Зельдович, с именем которого связано развитие релятивистской астрофизики в нашей стране. Пусть в межзвездном газе движется звезда. Она притягивает все вокруг, в том числе, конечно, и частицы газа. Газ начинает падать на звезду. Газ достигает поверхности звезды, и накопленная им при падении кинетическая энергия выделяется в виде тепла. Газ нагревается и излучает. Вот и источник энергии.
О том, что звезды могут в принципе захватывать газ, было известно и раньше. Такой процесс называется аккрецией. Как-то предлагали аккрецию для объяснения, почему светят звезды. Было это, конечно, до открытия ядерных источников звездной энергии. Но расчеты показали, что звезда захватывает слишком мало вещества, объяснить с помощью аккреции свечение звезд совершенно невозможно.
