Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Важное свойство пульсаров — сильная линейная поляризация излучения.
Поднесите натертую о шерсть гребенку к клочкам бумаги и убедитесь, что электрическое поле действует в определенном направлении. Точно так же существует направленность — поляризация— электрической составляющей радиоволн. В этом тоже легко убедиться опытным путем — попробуйте поставить диполь телевизионной антенны не горизонтально, а вертикально, как качество приема резко ухудшится. Потому что телепередатчик посылает сигналы с горизонтальной поляризацией — горизонтальной направленностью электрической составляющей электромагнитных волн. Обычно в объектах, за которыми наблюдает радиоастрономия, излучение создают электроны, хаотически движущиеся в разных направлениях. И поэтому в излучении таких объектов не преобладает какое-нибудь одно направление поляризации.
Каков же механизм генерации радиоимпульсов? Что собой представляет само излучающее тело, сам пульсар?
Для ответа на первый вопрос физика представляет ограниченное число возможностей. Мощность радиоизлучения пульсара столь велика (импульсная мощность — около 1022 Вт), а размеры объекта столь малы, что появление радиоимпульсов не может быть связано с независимым излучением отдельных электронов (как это бывает обычно у большинства астрономических объектов). Наблюдаемая мощность излучения может появиться только в двух случаях. Либо большое количество электронов колеблется синхронно, подобно тому как это происходит в антенне нашего земного радиопередатчика. Либо в пульсарах происходит нечто похожее на когерентное излучение в лазерах. И в том и в другом случае электроны при излучении должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.
Вопрос о том, что представляет собой пульсар как космическое тело, много сложнее. Первоначально обсуждалось несколько гипотез. Согласно одной из них пульсары — это белые карлики, т. е. самые плотные из наблюдаемых звезд. Вещество в них сжато настолько сильно, что оно, вероятно, больше похоже на твердое тело, чем на газ, несмотря на то что температура внутри звезды может доходить до сотен миллионов градусов. Радиус белого карлика — несколько тысяч километров, масса примерно такая же, как у Солнца, или несколько меньше.
Почти одновременно с гипотезой белого карлика были высказаны предположения, что пульсары — это нейтронные звезды — звезды, плотность которых много выше, чем у белых карликов, а радиус составляет несколько километров. Наконец, имелся ряд гипотез, в которых излучение пульсаров связывалось не с радиальными пульсациями, а с вращением какого-то тела вокруг своей оси или вращением одного тела вокруг другого. Здесь весьма интересна аналогия с импульсным радиоизлучением Юпитера Эти импульсы, правда, не имеют такой строгой периодичности, как у пульсаров, но все же движение по орбите спутника Юпитера довольно регулярно меняет интенсивность радиоизлучения самой планеты.
Своеобразным дополнением к докладу стали сообщения о том, как велись наблюдения за пульсарами на советских радиотелескопах. И сразу же после этих сообщений — общая дискуссия. Первым берет слово академик Я. Б. Зельдович. Он подходит к доске, и вскоре она покрывается наползающими друг на друга формулами. Ученый отмечает, что никакой полной теории явления пока, конечно, нет. И хотя кое-кто считает, что ее никогда не будет, можно все же говорить о путях, которые представляются разумными. На доске появляются ориентировочные расчеты, подтверждающие или отвергающие различные гипотезы. Цель и ход всех расчетов подробно поясняются.
Свое «особое мнение» о возможной природе излучения излагает горьковский радиофизик профессор В. С. Троицкий. Он полагает, что не следует исключать возможность искусственного происхождения сигналов, и приводит один «сильный довод»: импульсы очень выгодны для передачи информации. Используя определенные свойства среды, можно получить своего рода временную фокусировку, «схлопывание» импульсов на определенном расстоянии от излучателя. При этом уровень сигнала увеличится в миллион раз.
По поводу этой идеи в зале вспыхивает короткая дискуссия, своеобразный итог которой подводит академик В. Л. Гинзбург. Он замечает, что идея о внеземных цивилизациях заслуживает внимания только в связи с наступлением периода летних отпусков, поскольку теоретиков эта идея освобождает от необходимости думать и искать более простое объяснение открытого явления. А такое объяснение наверняка может быть найдено. Вот лишь один из возможных вариантов: превращение большой звезды в белый карлик сопровождается сильнейшей концентрацией магнитного поля — оно в сотни тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Такое сильное поле, по сути дела, «запирает» всю звезду, оставляя заряженным частицам лишь два узких выхода в полярных областях. Именно сквозь эти области выбрасываются огромные сгустки плазмы, напоминающие две антенны.
Следующий доклад посвящен нашему Солнцу. Этот объект сравнительно близок, но он так же, как и далекие пульсары, снабжает астрофизиков сложными проблемами. Одна из них — магнитные поля Солнца. То, что структура этих магнитных полей чрезвычайно сложна, общеизвестно. Но какова эта структура в деталях? Как изменяется? Каковы интимные механизмы участия магнитных полей в физических процессах на Солнце?
Наименьшая из самостоятельных магнитных областей Солнца — это магнитный узелок размером около 700 км. Следующий структурный элемент — супергранула размером около 30 тыс. км, средним временем жизни 20 ч. Недавно обнаружены еще более крупные элементы магнитной структуры — гигантские ячейки размером 400 тыс. км. Вся эта своеобразная иерархия магнитных областей должна завершиться структурными секторами, простирающимися более чем на миллион километров. Рассчитанный и экспериментально проверенный баланс магнитных потоков в активных областях Солнца показывает, что 37 % магнитного потока покидает активную область Солнца. То, что мы часто называем межзвездным или межпланетным вакуумом, — никак не пустота. Это пространство, где происходят сложные физические процессы с участием электрических и магнитных полей, где движутся и как-то взаимодействуют частицы.
Последний доклад на сессии посвящен именно процессам в межзвездной среде и в нем делается попытка представить себе некоторые из этих процессов, построить их математические модели. На черной грифельной доске появляются рисунки, уравнения, расчеты, описывающие рождение и смерть звездных миров или поведение электронов на окраине Вселенной.
К сожалению, простыми словами пересказать смысл этой работы сложно. И очень может быть, что содержание ее было достаточно глубоко понято только теми, кто непосредственно связан с проблемами теоретической астрофизики. Вместе с тем каждый, кто слушал доклад, даже посторонний человек, не имеющий прямого отношения к физике, наверняка испытал какое-то волнение, почувствовав силу и уверенность, характерные для нынешнего этапа познания Вселенной. Поистине могуч человек, сумевший своим разумом проникнуть в бескрайние просторы космоса и представить себе происходящие там процессы, которые природа, казалось бы, абсолютно надежно укрыла от нас.
Сессия закрыта… Но еще долго в разных концах зала, в фойе, коридорах будут идти шумные микродискуссии. Еще долго докладчики, пристроившись где-нибудь на подоконнике или на уголке стола, будут отвечать на вопросы коллег, выслушивать их замечания. И еще долго будет работать на науку главный эффект этого рядового дня физики — эффект общения.
А потом пройдут годы. На новых научных конференциях будут обсуждаться новые экспериментальные результаты, новые теоретические их объяснения. Получат дополнительные подтверждения, а значит, и более широкое признание, теории, которые еще недавно были объектом язвительных нападок. И неизбежно какие-то идеи, еще недавно привлекательные, будут отвергнуты, какие-то факты после более тщательной проверки будут признаны ошибочными. Так, например, потеряет всех своих сторонников идея искусственного происхождения радиоимпульсов, излучаемых пульсарами, и уже никто не будет говорить о пульсарах как о неких радиопередатчиках инопланетян. Через несколько лет после открытия первых четырех пульсаров будут обнаружены десятки подобных объектов, регулярно излучающих и радиоимпульсы, и световые импульсы, и импульсы рентгеновских лучей.
Тщательное их наблюдение приведет астрофизиков к выводу: самая вероятная модель пульсара — это быстровращающаяся нейтронная звезда, из которой благодаря ее собственному магнитному полю, подобно антенне, «торчат» два острых плазменных луча. Звезда быстро вращается, и идущий от нее радиолуч как бы периодически «бьет» по Земле. Поэтому-то мы принимаем излучение пульсаров в виде регулярно повторяющихся импульсов.
