Павел Амнуэль - Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров.
Солнце вращается вокруг оси, делает один оборот за 27 дней. Если вращающееся тело сжать, оно начинает вращаться быстрее. Если размер тела уменьшить вдвое, вращение станет вчетверо быстрее. Радиус нейтронной звезды в сто тысяч раз меньше солнечного. Если уменьшить размер тела в 100 тысяч раз, его вращение ускорится в 10 миллиардов раз! Нейтронная звезда должна совершать один оборот вокруг оси за одну десятитысячную долю секунды!
Вспомним теперь о законе природы, благодаря которому нейтронная звезда оказывается наделенной еще одним удивительным свойством. Это закон сохранения магнитного потока. У Солнца есть магнитное поле. По мнению астрофизиков, Солнце обладает регулярным дипольным магнитным полем, напряженность которого на поверхности равна примерно 1 гауссу. Представим опять, что Солнце сжалось до размеров нейтронной звезды. Количество силовых линий, пересекающих поверхность звезды, не может измениться. Но сама поверхность стала теперь меньше в 10 миллиардов раз. Значит, на единицу поверхности теперь приходится в 10 миллиардов раз больше силовых линий, чем прежде. А это означает, что в 10 миллиардов раз увеличилось магнитное поле. Один гаусс на поверхности обычной звезды — и 10 миллиардов гауссов на поверхности звезды нейтронной! Если такое огромное магнитное поле вообще может существовать в природе, то именно в нейтронных звездах.
Но размер черной дыры еще меньше, значит, ее магнитное поле еще больше?
Нет. Магнитное поле черной дыры равно нулю! В 1964 году к такому выводу пришел советский физик В. Л. Гинзбург. Звезда, катастрофически сжимаясь, скрывается под своим гравитационным радиусом и с этого момента начисто пропадает для наблюдателя. И вместе со звездой исчезает для наблюдателя и ее магнитное поле. Исчезает, как мы уже говорили, не мгновенно, этот процесс растягивается для внешнего наблюдателя на бесконечное число лет. Исчезают все свойства, кроме трех: массы, заряда и момента вращения… Пролетая мимо черной дыры на звездолете, мы могли бы только констатировать, что на траверзе находится некое притягивающее, заряженное и вращающееся тело. И больше никаких свойств. В середине шестидесятых годов американский физик Дж. Уилер сказал, что «черная дыра не имеет волос». Это верно — она лысая… Правда, в семидесятых годах Э. Хокинг показал, что это не совсем верно. Реденькие «пряди волос» у черной дыры все-таки есть. Например, вблизи сферы Шварцшильда в вакууме могут рождаться пары частиц и античастиц, способные покидать черную дыру, вылетать в космос. Но рассказ об этих особенностях черных дыр уведет нас далеко от нашего расследования.
Вернемся к нейтронным звездам. Итак, нейтронная звезда очень быстро вращается и обладает огромным магнитным полем. В РТВ, как мы говорили, есть прием объединения разнородных свойств. В 1964 году советский астрофизик Н. С. Кардашев объединил в одной нейтронной звезде свойства быстрого вращения и огромного магнитного поля. Речь шла о гипотетической нейтронной звезде в Крабовидной туманности.
Астрономы установили, что Крабовидная туманность расширяется все быстрее и быстрее, и объяснения этому странному явлению не было. Всем астрофизикам известна сила, способная затормозить расширение туманности — это сопротивление межзвездной среды. Но какая сила может ускорить расширение?
Это было противоречие между наблюдением и интерпретацией. Верную интерпретацию впервые дал Н. С. Кардашев. Он использовал прием объединения: объединил в одну систему туманность и нейтронную звезду в ней. Они ведь действительно неразрывно связаны общим магнитным полем. Тысячу лет назад не было ни туманности, ни нейтронной звезды. Была звезда-старушка, конец которой приближался. Звезда обладала магнитным полем. Звезда вращалась вокруг оси. Потом она взорвалась. Оболочка разлетелась, а ядро стало нейтронной звездой. Оболочка унесла с собой и магнитные силовые линии. Ведь силовые линии магнитного поля не могут разорваться. Выйдя из какой-то точки, они в нее и возвращаются — силовые линии магнитного поля замкнуты. Выйдя из нейтронной звезды и пройдя сквозь туманность, силовые линии вновь возвращаются к нейтронной звезде. Силовые линии связывают звезду и туманность невидимыми тугими нитями. Если бы нейтронная звезда не вращалась, то силовые линии просто вытягивались бы при расширении туманности. Но нейтронная звезда быстро вращается, и силовые линии наматываются на нее как на барабан. Магнитное поле, проходящее сквозь туманность, становится подобно спирали, ветви которой скручиваются все туже. Силовые линии сближаются. Растет магнитное поле. Значит, растет и магнитное давление. Нейтронная звезда как бы «накачивает» в туманность магнитное поле. А давление магнитного поля расталкивает плазму в туманности, заставляет ее расширяться все быстрее.
Но ведь чтобы разогнать газ в туманности, нужна энергия. Откуда она берется? Н. С. Кардашев дал ответ: из энергии вращения нейтронной звезды. Нейтронная звезда вращается намного быстрее, чем туманность. Собственно говоря, настолько быстрее, что по сравнению с нейтронной звездой можно считать, что туманность не вращается вовсе. Но силовые линии стремятся двигаться вместе с туманностью, ведь они, как говорят астрофизики, «вморожены» в плазму. Значит, и силовые линии тоже стремятся не вращаться. И тянут за собой звезду — тормозят ее вращение. Звезда вращается все медленнее, энергия ее вращения уменьшается, передается магнитным силовым линиям, то есть переходит в энергию магнитного поля. И в конечном счете идет на ускорение расширения туманности.
Выводы Н. С. Кардашева, подкрепленные расчетами, хорошо согласуются с наблюдениями Крабовидной туманности. Нейтронная звезда, если она есть в центре туманности, вполне способна обеспечить наблюдаемое ускорение. Более того: нейтронная звезда вполне способна «накачать» в туманность и наблюдаемое в ней магнитное поле. Оно, казалось бы, не велико — всего 0,0003 гаусса, но ведь это в 100 раз больше среднего магнитного поля межзвездного газа. И наконец, энергия вращения нейтронной звезды, которая при этом теряется, составляет примерно 1037 эрг/с. Столько, сколько ежесекундно излучает Крабовидная туманность во всех диапазонах длин волн. Нужны ли более убедительные аргументы в пользу того, что в Крабовидной туманности должна быть нейтронная звезда?
Все эти аргументы были известны в 1964 году, однако существовало сильнейшее и никем еще не поколебленное предубеждение: нейтронная звезда — мертвое тело. Работа И. С. Кардашева этого предубеждения не поколебала. Магнитное поле, вращение — это ведь свойства пассивные, это то, что осталось нейтронной звезде в наследство от звезды, погибшей при взрыве.
Была еще идея С. Б. Пикельнера, высказанная в 1956 году: в Крабовидной туманности есть источник релятивистских электронов. Никто против этого не возражал. Но в качестве источника частиц предлагалось все, что угодно, кроме активности нейтронной звезды. В 1966 году И. С. Шкловский писал, что источником частиц может стать турбулентная плазма, окружающая нейтронную звезду. Активность есть, без нее не обойтись, но пусть она будет вне звезды.
Правда, были в те годы и работы, где говорилось о возможности (кратковременной!) генерации быстрых частиц в недрах нейтронной звезды. Об этом писали советские астрофизики О. X. Гусейнов и В. Ц. Гурович. Нейтронная звезда возникает в процессе катастрофического коллапса. Но ведь падая на центр, частицы вещества приобретают огромные скорости. В момент, когда образуется нейтронная звезда, падение прекращается (давление вырожденного нейтронного газа уравновешивает тяготение). А что происходит с той кинетической энергией, которой запаслись, падая, частицы? Она диссипирует в тепло — так происходит всегда, когда движение тормозится. Диссипирует в тепло, но… не сразу. Сначала эта энергия переходит в энергию колебаний звезды и лишь потом, после затухания колебаний, превращается в тепло. Некоторое время (недолгое, конечно) нейтронная звезда вздувается и опадает, и при этом генерируются быстрые частицы, способные покинуть звезду, «испариться» с ее поверхности.
Вернемся к морфологическому ящику «нейтронные звезды». Вот клетка: огромное магнитное поле. Вот клетка: быстрое вращение. Вот клетка: нейтронная звезда колеблется. Вот клетка: нейтронная звезда генерирует быстрые частицы. Но… о предсказании открытия, которому суждено было стать астрономическим событием века, речи не было. Психологическая инерция не позволила думать, что всеми перечисленными свойствами может обладать одна нейтронная звезда. Но и этого было недостаточно. Чтобы предсказать пульсары, нужно было значительно увеличить способность нейтронных звезд выбрасывать релятивистские частицы.
Недоставало субъективного фактора: человека, который, обладая интуицией, догадался бы использовать приемы объединения и увеличения. Интересно, если бы пульсары не были случайно открыты в 1967 году, смогли бы теоретики предсказать их за прошедшие с тех пор два десятилетия? Или астрофизики и сейчас считали бы, что нейтронные звезды мертвы? Хочется верить, что смогли бы. Идея носилась в воздухе. Недаром первая правильная работа о причинах излучения пульсаров появилась всего через три месяца после опубликования заметки об открытии.
