• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

...Быть званным в большую сферу и чтобы не было видно, как ты там движешься — вот это и есть дыра!..

(Шекспир, «Антоний и Клеопатра», второй акт, седьмая сцена)

Как уже говорилось во второй части этой книги, заключительная фаза эволюции звезды, наступающая после того, как будут в значительной степени исчерпаны ресурсы ее ядерного водородного горючего, существенно зависит от массы звезды. Мы подчеркиваем оговорку «существенно», так как, кроме первоначальной массы, на эволюцию звезды может влиять скорость и характер ее вращения, степень намагниченности, принадлежность звезды к тесной двойной системе (см. § 14) и, возможно, другие факторы. Все же роль первоначальной массы является решающей. В идеальном случае, когда рассматривается модель невращающейся, лишенной магнитного поля изолированной звезды, теория предсказывает три «исхода» жизни звезды в зависимости от ее первоначальной массы (см. часть II):

1. Если первоначальная масса ядра звезды меньше, чем (приблизительно) 1,2M, то она после сравнительно кратковременной стадии красного гиганта превращается в белый карлик, который после остывания, через несколько миллиардов лет, становится холодным «черным карликом», т. е., образно выражаясь, мертвым космическим телом, «трупом» звезды. Об этом подробно рассказано в § 13.

2. Если первоначальная масса ядра звезды превосходила 1,2M, но была меньше 2,4M, то после исчерпания существенной части ядерного горючего произойдет катастрофа. Внутренние слои звезды под влиянием силы тяготения, которой уже не может противодействовать газовое давление, обрушатся к центру звезды. Почти одновременно с этим наружные слои звезды в результате взрыва будут выброшены с огромной скоростью порядка 10000 км/с. Это явление будет наблюдаться как вспышка сверхновой (см. часть III). Падая со скоростью свободного падения, за какие-нибудь несколько секунд внутренние слои звезды сожмутся в сотню тысяч раз. При этом объем звезды уменьшится в 10¹⁵ раз, ее средняя плотность во столько же раз увеличится и превзойдет ядерную, а линейные размеры станут всего лишь порядка 10 км. Достигнув таких размеров и такой плотности, звезда застабилизируется и ее дальнейшее сжатие практически прекратится. Опять образуется равновесная конфигурация, но уже в условиях, качественно отличных от равновесия «обычной» звезды. Физические свойства такого сверхплотного вещества, давление которого уравновешивает силу гравитационного притяжения «сколлапсировавшей» звезды, весьма необычны. Во многом они сходны со свойствами вещества атомного ядра, представляющего собой смесь сильно взаимодействующих протонов и нейтронов. Такой объект подобен макроскопической «ядерной капле». Отличие этого агрегата от ядерного вещества состоит главным образом в том, что для сколлапсировавшей звезды по причине ее большой массы фундаментальное значение имеет гравитационное взаимодействие ее элементов, между тем как для ничтожных по своей массе ядер гравитация несущественна. Вполне понятно, почему звезду, образовавшуюся в результате гравитационного коллапса, теоретики уже давно, еще в тридцатых годах нашего столетия, назвали «нейтронной».

Итак, взрывы сверхновых звезд сопровождаются образованием нейтронных звезд — качественно нового типа космических объектов, существование которых было давно предсказано теоретиками.

3. В случае, если масса ядра сколлапсировавшей звезды превосходит некоторый критический предел (около 2,5—3 M), ее неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем нельзя остановить. При этом нейтронная звезда как стабильное образование возникнуть не может. Ничем не компенсируемая сила гравитации будет сколь угодно сильно сжимать вещество коллапсирующей звезды, размеры которой будут становиться сколь угодно малыми. Звезда будет сжиматься в точку, но... Но здесь выступают на первый план парадоксальные закономерности общей теории относительности. Из-за огромного значения гравитационного потенциала эффекты общей теории относительности, которые в «нормальных» космических условиях совершенно ничтожны по величине, здесь становятся решающими. Связанная с такой ситуацией увлекательнейшая проблема черных дыр, являющаяся сейчас едва ли не центральной проблемой астрономии, будет рассматриваться в § 24. А здесь мы подробно рассмотрим не менее интересную проблему нейтронных звезд.

Из трех видов «продуктов» заключительного этапа эволюции звезд (белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры) первыми были обнаружены астрономическими наблюдениями белые карлики (см. часть II). Важно еще раз подчеркнуть, что в этом случае практика намного опередила теорию. Белые карлики были, так сказать, «эмпирически» открыты до того, как астрономы поняли, что такое звезда и почему она светит. К понятию «вырожденный газ» физики пришли значительно позже того как были открыты белые карлики. Конечно, ничего удивительного в этом нет — ведь в любом куске металла, известного человечеству еще со времен бронзового века, как оказалось, электроны находятся в вырожденном состоянии. Видеть и изучать это еще не значит понять, да и уровни понимания могут быть разные. Все же факт остается фактом: белые карлики были сначала увидены, а затем поняты.

Совсем по-другому сложилась ситуация с нейтронными звездами. Они были открыты теоретиками «на кончике пера» за треть столетия до того, как их реально обнаружили астрономы. А в XX веке треть столетия — это очень большой срок! Причина такого запоздания в открытии нейтронных звезд вполне понятна: их, как это сразу же стало ясно, очень трудно обнаружить астрономическими наблюдениями. Если размер космического тела всего лишь 10 км, то даже при расстоянии до него, равном расстоянию до ближайших звезд ( 10 световых лет), его нельзя обнаружить, пользуясь самыми мощными телескопами. В самом деле, если температура поверхности такого тела (моделирующего нейтронную звезду) такая же, как на поверхности Солнца, т. е. 6000 К, то абсолютная звездная величина его 30^m, а видимая звездная величина будет всего лишь 27^m. Между тем предельная звездная величина слабейших астрономических объектов, доступных крупнейшим современным оптическим телескопам, составляет около 24^m. Если поверхность нейтронной звезды будет так же горяча, как у самых горячих из известных оптической астрономии звезд ( 100 000 К), то она все равно не сможет быть обнаружена. И это даже тогда, когда предполагаемое расстояние до нейтронной звезды так неправдоподобно мало! В действительности расстояния до ближайших нейтронных звезд, скорее всего, порядка нескольких десятков световых лет. Отсюда ясно, что все попытки обнаружить нейтронные звезды оптическими методами должны были быть обречены на неудачу.

Начиная с 1964 г., однако, ситуация с возможностью наблюдений нейтронных звезд, казалось бы, резко изменилась. Возникновение рентгеновской астрономии ознаменовало собой новый этап в многолетних поисках возможностей обнаружить нейтронные звезды и тем самым доказать реальность их существования. Подробно об успехах рентгеновской астрономии будет рассказано в § 23. Здесь мы только заметим, что уже сразу же после открытия первых космических источников рентгеновского излучения возникло подозрение, что это и есть долгожданные нейтронные звезды. На первый взгляд, для такого предположения были вполне достаточные основания. В самом деле, только что образовавшаяся в результате гравитационного коллапса нейтронная звезда должна иметь исключительно высокую температуру, порядка нескольких миллиардов кельвинов (см. § 18). Допустим, для простоты расчетов, что температура поверхности такой звезды равна одному миллиарду кельвинов. Тогда следует ожидать, что такой объект будет излучать как абсолютно черное тело с этой температурой, причем максимум излучения по закону смещения Вина _mT = 0,3 будет соответствовать длине волны _m = 3 10^-10 см = 0,03 A, а соответствующая энергия квантов излучения h 400 кэВ, т. е. будет приходиться на область очень жестких рентгеновских лучей. Согласно закону Стефана — Больцмана единица поверхности такого объекта (т. е. 1 см²) будет излучать в рентгеновском диапазоне чудовищную мощность T⁴ = F = 10³² эрг/см² с, а вся сверхгорячая нейтронная звезда будет излучать мощность L = 4R²F 10⁴⁵ эрг/с, где R = 10⁶ см — радиус нейтронной звезды.

Величина L непомерно велика: достаточно сказать, что вся наша звездная система — Галактика, состоящая из сотни миллиардов разнообразнейших звезд, излучает во всем спектральном диапазоне только 10⁴⁴ эрг/с. Если бы даже температура T была равна 10⁸ К (это довольно умеренная оценка температуры «новорожденной» нейтронной звезды), то L была бы 10⁴¹ эрг/с, что также представляет собой очень большую величину. Максимум излучения в этом случае приходился бы на рентгеновские кванты с энергией h 40 кэВ. В этом более мягком диапазоне энергий рентгеновских квантов как раз и работает большинство существующих приемников космической рентгеновской радиации. Допустим теперь, что такая горячая нейтронная звезда находится на противоположном краю нашей Галактики, скажем, на расстоянии r 60 000 световых лет, или 6 10²² см. Тогда поток рентгеновского излучения от нее будет F 2,5 10^-7 эрг/см² с, а это в сотню раз больше потока рентгеновского излучения от самого яркого источника Скорпион Х-1 в этом «жестком» диапазоне (см. § 23). Между тем техника современной рентгеновской астрономии позволяет измерять потоки в несколько миллионов раз более слабые.

Казалось бы, все хорошо! Тем более, что и спектр у ряда рентгеновских источников вполне можно было истолковать как спектр нагретого до температуры в несколько десятков миллионов кельвинов «черного» тела. На какой-то миг создалось впечатление, что таинственные нейтронные звезды — гордость теоретической мысли XX века — наконец-то обнаружены. Увы, природа и на этот раз оказалась намного сложнее и богаче, чем примитивные представления о ней, бытовавшие в умах большого количества ученых. Расчеты показали, и при том со всей убедительностью, что первоначально горячие нейтронные звезды остывают катастрофически быстро. Например, при очень высоких температурах вещества действует совершенно специфический механизм охлаждения, связанный с аннигиляцией пар электронов и позитронов и образованием нейтрино и антинейтрино :

(19.1)

При более низких температурах нейтрино будут образовываться при реакциях

(19.2)

Образующиеся в большом количестве нейтрино будут беспрепятственно выходить из нейтронной звезды, унося с собой огромное количество энергии, что приводит к ее быстрому остыванию. Расчеты показывают, что уже спустя примерно месяц после рождения нейтронной звезды температура ее поверхности станет ниже 10⁸ К. На самом деле остывание нейтронной звезды может происходить еще быстрее, потому что вещество нейтронной звезды, по-видимому, находится в сверхтекучем состоянии. Итак, новорожденные нейтронные звезды остывают слишком быстро, чтобы их можно было отождествлять с рентгеновскими источниками[ 45 ].

И опять, подобно сказочной синей птице нейтронные звезды — «живые» нейтронные звезды, а не их бледные математические отражения, рисуемые пером теоретиков,— буквально выскользнули из рук! И вдруг случилось нечто совершенно неожиданное: нейтронные звезды были обнаружены! Обнаружены совсем не там, где их искали и совсем не теми, кто их искал. В феврале 1968 г. на страницах солиднейшего научного журнала «Nature» подобно грому среди ясного неба появилась статья известного английского радиоастронома Хьюиша и его сотрудников, возвестившая об открытии пульсаров. Стоит более подробно рассказать, как было сделано это едва ли не величайшее открытие в астрономии XX века.

Начиная с 1964 г. в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета проводились наблюдения сцинтилляций (т. е. быстрых, неправильных вариаций) потока радиоизлучения от космических источников, возникающих при прохождении этого излучения через неоднородности плазмы внешней короны Солнца и прилегающих к ней областей межпланетной среды. Такие сцинтилляции возникают из-за нерегулярной дифракции радиоволн на указанных неоднородностях. Сцинтилляции могли наблюдаться только тогда, когда угловые размеры источников радиоизлучения были очень малы, меньше 0,5 секунды дуги. Это явление имеет хорошо всем известный оптический аналог: мерцание звезд в атмосфере. Известно также, что планеты не подвержены таким мерцаниям и светят «спокойным» светом, не меняя за короткое время свой блеск. Последнее обстоятельство объясняется тем, что угловые размеры планет довольно велики, порядка десятков секунд дуги, между тем как у звезд они исчезающе малы. Как было сказано выше, аналогичная картина наблюдается и в радиодиапазоне. Радиосцинтилляциям подвержены в первую очередь квазары — весьма удаленные от нас метагалактические объекты, угловые размеры которых достигают тысячных долей секунды дуги. Квазары были открыты за год до этого и занимали тогда умы большого количества астрономов. Хьюиш решил использовать метод сцинтилляции, чтобы иметь возможность выделить квазары среди других наблюдаемых космических источников радиоизлучения. По его проекту для этой цели в Кембридже был изготовлен весьма большой по тем временам радиотелескоп размером в одну милю, работающий на волне 3,7 м. Надо сказать, что хотя этот телескоп и очень большой, но все же довольно грубый, что объясняется большой длиной волны, на которую он был рассчитан. Кроме того, он неподвижен и принимает радиоизлучение от источников тогда, когда они проходят через меридиан. Путем простой перестройки электрической схемы без механического перемещения его элементов радиотелескоп мог направляться на разные зенитные расстояния, что позволяло исследовать источники с разными склонениями. Любопытно, что этот радиотелескоп был сооружен всего за несколько месяцев, причем строили его в основном студенты Кембриджского университета под наблюдением весьма немногочисленных инженеров. Все сооружение обошлось в... 10 000 фунтов стерлингов, что, пожалуй, является мировым рекордом и соответствует лучшим традициям Кавендишской лаборатории, где когда-то трудились и делали свои выдающиеся открытия Фарадей и Резерфорд. Увы, современная наблюдательная астрономия требует неизмеримо больших средств, и история, которую мы сейчас рассказываем, действительно является уникальной...

Величина сцинтилляции растет по мере приближения источника к Солнцу, что, естественно, объясняется увеличением концентрации межпланетной плазмы вблизи Солнца. Наблюдая один источник в разное время года, т. е. при различных угловых расстояниях его от Солнца, можно было заметить значительные изменения величины сцинтилляции его потока. По этой причине сцинтилляции от источников можно было наблюдать только днем, когда угловое расстояние источников от Солнца невелико. Наоборот, ночью никаких заметных сцинтилляций источники не обнаруживали.

Так как сцинтилляции потока происходят очень быстро, для их изучения необходима специальная регистрирующая аппаратура с очень маленькой постоянной времени, во всяком случае меньшей, чем характерное время изменения потока, вызванного сцинтилляцией. Эта аппаратура принципиально отличается от обычно применяемой в радиоастрономии приемной аппаратуры, где, как правило, постоянная времени (или «время накопления» сигнала) достаточно велика, обычно не меньше нескольких секунд, а часто значительно больше. Большие времена накопления диктуются необходимостью «выжать» наибольшую чувствительность, что необходимо для обнаружения предельно слабых (по потоку) источников. Разумеется, такая привычная для радиоастрономов приемная аппаратура не в состоянии обнаружить вариации потока, если они происходят достаточно быстро.

Как же были на этом радиотелескопе открыты пульсары? Аспирантка профессора Хьюиша, 24-летняя Джоселин Белл летом 1967 г. обнаружила какой-то неизвестный источник, который показал сцинтилляцию ночью, что было решительно ни на что не похоже! Повторные наблюдения подтвердили, что этот удивительный источник каждые сутки в положенный момент звездного времени действительно проходит через меридиан, демонстрируя свое космическое происхождение. В ноябре 1967 г., когда постоянная времени приемной аппаратуры была еще уменьшена в несколько раз, было обнаружено поразительное явление: вариации потока от загадочного источника происходят не беспорядочным образом, как это имеет место при обычных сцинтилляциях источников, обусловленных нерегулярной дифракцией радиоволн на неоднородностях межпланетной среды, а строго периодически. Наблюдались очень короткие, длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радиоизлучения, повторяющиеся через строго постоянный период времени порядка одной секунды. При этом амплитуды различных импульсов были различны. К этому времени были обнаружены еще два источника такого же типа. Первые записи их излучения на частоте 81 МГц (соответствующей длине волны 3,7 м) приведены на рис. 19.1.

Было над чем задуматься кембриджским радиоастрономам! Ведь они столкнулись с совершенно необычным явлением. Что можно было в первые недели сказать о природе этих загадочных источников? Прежде всего строгая периодичность радиосигналов невольно наводила на мысль, что последние могут иметь искусственное происхождение. Они могли, в частности, исходить от каких-то далеких искусственных спутников или автоматических межпланетных станций и (страшно даже подумать!) от внеземных цивилизаций. Последняя возможность вполне серьезно обсуждалась в Кембридже и послужила, по-видимому, причиной, что сами авторы этого замечательного открытия решили впредь до выяснения природы таинственных сигналов не публиковать результаты своих исследований. Случай довольно редкий в истории астрономии XX века!

Рис. 19.1: Первые записи излучения трех пульсаров на частоте 81 МГц.

Только после того как со всей очевидностью стало ясно, что эти источники находятся далеко за пределами Солнечной системы (как это было сделано, мы увидим ниже), и, таким образом, представляют собой дотоле неизвестный класс астрономических объектов, английские радиоастрономы опубликовали свое открытие — спустя почти полгода после того, как мисс Белл обнаружила первый загадочный источник. Вновь открытые источники сразу же получили очень удачное название «пульсаров». Название это происходит от английского слова «pulse», что означает «импульс». Пульсары — это такие радиоисточники, излучение которых сосредоточено в отдельных импульсах, повторяющихся через строго определенный промежуток времени.

Открытие пульсаров буквально всколыхнуло астрономию. Автору этой книги трудно забыть лето 1968 г., когда мы все жадно ожидали последних номеров «Nature» где в «экспрессном порядке» публиковались свежие новости с «пульсарного фронта». Прежде всего важно было получить как можно больше фактического материала об этих загадочных объектах. Теоретики же далеко не сразу и далеко не все осмыслили это явление. Удивительная, почти строгая, периодичность импульсов невольно обращала на себя внимание. Прежде всего поражала краткость этих периодов. Так, например, период у первого из открытых пульсаров, получившего название СР 1133[ 46 ], оказался равным 1,337 секунды, что много меньше периодов пульсации или вращения всех известных тогда в астрономии космических объектов. Судя по тому, что каждый из импульсов имел весьма короткую длительность (порядка нескольких сотых секунды времени), можно было предположить, что линейные размеры излучающей области весьма малы, во всяком случае меньше сотой доли световой секунды, т. е. несколько тысяч километров. Так как наблюдаемый период пульсаров плавно менялся в пределах одной десятитысячной своего значения в течение года, сразу же можно было сделать вывод, что пульсары находятся далеко за пределами Солнечной системы. В самом деле, такое плавное изменение периода за год непринужденно объясняется орбитальным движением Земли вокруг Солнца и связанным с этим движением эффектом Доплера, меняющим значение периода в зависимости от положения Земли на своей орбите.

Хотя координаты пульсаров были известны совсем неплохо, на первых порах пульсары нельзя было отождествить ни с одним из известных классов астрономических объектов. Пожалуй, первое удачное отождествление было выполнено летом 1968 г. в Австралии. Находящийся там большой крестообразный радиотелескоп, работающий на метровых волнах, оказался едва ли не лучшим в мире инструментом для поиска новых пульсаров. Достаточно сказать, что почти половина всех известных к 1970 г. пульсаров была открыта на этом радиотелескопе, расположенном в пустые ной местности около селения Молонгло. Из всех открытых с помощью этого радиотелескопа пульсаров, пожалуй, наибольший интерес представляет объект, получивший название PSR 0833—45. Координаты этого пульсара ( = 8^h33^m, = -45°) близки к координатам очень интересной туманности, находящейся в южном созвездии Парусов (Vela). Эта туманность, имеющая угловые размеры около одного градуса, является источником нетеплового радиоизлучения и представляет собой остаток вспышки сверхновой звезды[ 47 ]. Сам пульсар PSR 0833—45 находится в пределах радиотуманности, хотя и не совпадает с ее центром.

Удивительной особенностью этого пульсара является его исключительно короткий период — всего лишь 0,089 секунды! Почти полгода он был «чемпионом» среди всех известных тогда пульсаров, пока в конце 1968 г. он не уступил это «почетное звание» другому, еще более интересному объекту (см. ниже).

Открытие пульсара в радиотуманности — остатке вспышки сверхновой — не произошло случайно. Австралийский радиоастроном Лардж, руководивший на Молонгло работой по поискам новых пульсаров, с самого начала исходил из возможности генетической связи между пульсарами и вспышками сверхновых звезд. Туманность в созвездии Парусов является самым ярким и в то же время достаточно близким остатком вспышки сверхновой на южном небе, поэтому вполне естественно, что внимание исследователей было сконцентрировано на этом интереснейшем объекте.

Идея связи между пульсарами и остатками вспышек сверхновых звезд нашла наиболее эффектное подтверждение в самом конце 1968 г., когда был обнаружен, пожалуй, самый интересный пульсар: в Крабовидной туманности.

Я никогда не забуду своего ощущения, когда узнал об этом открытии... из телефонного разговора с заместителем директора Национальной радиоастрономической обсерватории США доктором Ховардом. Разговор касался деталей моего предстоящего визита в США на эту обсерваторию, и вдруг, без перехода, такая ошеломляющая новость! Я много лет занимался различными проблемами, связанными с Крабовидной туманностью — едва ли не самым замечательным объектом на небе. И вот — пожалуйста: в дополнение ко всем, связанным с этой туманностью «чудесам», там находится пульсар, да еще какой!

Впрочем, какой это пульсар, стало ясно не сразу. Открыли пульсар два молодых радиоастронома Стэйлин и Райфенстайн. Они обнаружили импульсы радиоизлучения, исходящие из области Крабовидной туманности, но период определить было нельзя. Самое удивительное это то, что американские радиоастрономы утверждали, имея на это все основания, что в области Крабовидной туманности обнаружено два пульсара. Вот это уже не лезло ни в какие ворота! Как раз в это время я был в США и, помню, заключил пари с американскими коллегами. Я утверждал, что в Крабовидной туманности может быть только один пульсар, а они, посмеиваясь и указывая на записи импульсов, говорили: два! Ставка была «принципиальная»: один доллар против одного рубля... Еще не кончилась моя трехнедельная командировка в США, как все стало ясно. Американский радиоастроном Комелла на гигантском радиотелескопе в Пуэрто-Рико, диаметр которого 300 м, показал, что его коллеги на Национальной радиоастрономической обсерватории действительно обнаружили два пульсара: один с рекордно коротким периодом 0,033 секунды, а второй — с рекордно длинным: 3,7 секунды. Чуть позже, однако, удалось показать, что коротко-периодический пульсар находится в самом центре Крабовидной туманности, между тем как долгопериодический находится на расстоянии 1°,5 от нее. Напомним, что угловые размеры Крабовидной туманности всего лишь 5 минут дуги. Заметим еще, что самые ранние наблюдения пульсара в Крабовидной туманности имели очень низкое «угловое разрешение», что не дало возможности точно определить координаты вновь обнаруженных пульсаров. Итак, долгопериодический пульсар, хотя сравнительно и близок к Крабовидной туманности, однако генетически с ней не связан (см. ниже). Мне кажется, что я имею серьезные основания считать, что пари выиграно мною, хотя пульсаров оказалось все-таки два. Я не потерял еще надежды получить свой доллар, который, правда, с тех пор успел заметно подешеветь...

Открытие пульсара в Крабовидной туманности с периодом 1/30 секунды в значительной степени помогло понять природу этих объектов. Со времени открытия пульсаров главным вопросом было объяснение их удивительно строгой периодичности. Вскоре стало ясно, что у первых «кембриджских» пульсаров изменение периодов составляет величину меньшую, чем 10^-14 за период! Только лучшие кварцевые часы идут с таким удивительно постоянным ходом.

Каково же происхождение естественного «часового механизма», связанного с пульсарами? Астрономии известны два таких механизма: а) пульсация звезд, б) вращение звезд. Рассмотрим прежде первый механизм. Феномен пульсации звезд известен уже много десятилетий. В наиболее отчетливой форме такие пульсации наблюдаются у цефеид. Существует ряд эмпирических зависимостей, связывающих различные характеристики звезд. Например, зависимость «период — средняя плотность», имеющая вид P ^-1/2, где P — период цефеиды,  — ее средняя плотность. Эта формула непосредственно следует из основной формулы маятника, известной каждому школьнику: P = 2, где P — период маятника, l — его длина, g — ускорение силы тяжести. Применим эту формулу к пульсирующей звезде. В этом случае ускорение силы тяжести g GM/R², l R, где M — масса звезды, R — ее радиус, G — постоянная тяготения. Подставляя значения g и l в формулу маятника, получим

так как очевидно, что средняя плотность звезды

Характерные для цефеид периоды пульсаций измеряются днями. Из приведенной формулы следует, что их средние плотности очень малы, 10^-7 г/см³, т. е. в тысячи раз меньше плотности воздуха. Действительно, цефеиды — это звезды-гиганты высокой светимости с огромными радиусами фотосфер. Сразу становится ясным, что если объяснить «часовой механизм» пульсаров звездными пульсациями, то соответствующие звезды должны быть очень плотными. Из простой формулы P ^-1/2 сразу же следует, что средняя плотность для таких звезд должна быть 10³—10⁴ г/см³. Но мы знаем, что такие средние плотности характерны для белых карликов (см. § 10). Итак, казалось бы, феномен пульсаров можно объяснить пульсациями белых карликов. Увы! Точные теоретические расчеты показали, что период собственных колебаний у белых карликов не может быть меньше нескольких секунд. Между тем в случае пульсара в Крабовидной туманности наблюдаемый период пульсаций 1/30 секунды. Правда, опять-таки при помощи теоретических ухищрений, связанных с далеко идущей ревизией уравнения состояния вещества белых карликов и моделей белых карликов, а также с учетом эффектов общей теории относительности, можно было бы уменьшить предельный период их пульсаций до 3 секунд. Но ведь и эта величина неприемлемо велика. Некоторые теоретики пытались выйти из этого затруднительного положения следующим образом. Известно, что колебания реального тела (в нашем случае — пульсации звезды) происходят не только на «основной» частоте (например, в нашем случае на частоте, определяемой видоизмененной формулой маятника), но и на высших гармониках этой частоты, т. е. на частотах, превосходящих основную частоту в два, в три и вообще в n раз. В частности, в рамках этой гипотезы можно было считать, что феномен пульсаров есть проявление пульсации белых карликов на очень высокой гармонике. При этом потребовалось немало теоретических ухищрений, чтобы «подавить» эффекты, связанные с пульсациями на более низких гармониках. Ведь обычно такие пульсации должны быть гораздо более интенсивными. Все же нелегко было понять, почему какой-нибудь белый карлик колеблется только на пятой гармонике. Эта весьма искусственная теория просуществовала очень недолго — мы о ней упоминаем здесь только для того, чтобы дать представление о той атмосфере поисков, в которой протекала творческая жизнь теоретиков, пытающихся осмыслить новое загадочное явление...

В принципе «часовой механизм», действующий у пульсаров, можно было попытаться объяснить пульсациями нейтронных звезд, которые тогда еще не были обнаружены, хотя буквально «кричали» о своем присутствии. Однако из-за ожидаемого огромного значения их средней плотности период их пульсаций должен быть меньше 10^-3 секунды — величина слишком малая для пульсаров. Итак, феномен пульсаров оказалось невозможно объяснить пульсациями звезд каких бы то ни было типов.

После неудачи попыток объяснения пульсаров пульсациями звезд естественно, что внимание астрономов было сосредоточено на возможности объяснения этого феномена вращением какого-нибудь класса звезд. Этот механизм представлялся довольно перспективным, так как вращение массивного звездообразного тела, поверхность которого излучает неравномерно, вполне может объяснить удивительное постоянство периодов пульсаров. Но что это за космические тела, у которых период вращения вокруг оси около одной секунды и даже в отдельных случаях 1/30 секунды? Самый короткий из известных тогда астрономам периодов вращения был немного больше часа (это затменная двойная система WZ Стрелы, у которой орбитальный период, равный для тесных двойных систем периоду вращения вокруг оси, равен 81 минуте)[ 48 ]. Совершенно очевидно, что столь короткие периоды, которые наблюдаются у пульсаров, могут быть только при вращении космических объектов очень малых (по сравнению с «обычными» звездами) размеров. С другой стороны, существует предел для угловой скорости вращения, определяемый равенством центростремительной силы, действующей на каждый элемент звезды, силе гравитационного притяжения этого элемента к центру звезды. Запишем это условие математически:

(19.3)

где 3 — экваториальная скорость вращающейся звезды, = 2/P — угловая скорость, M и R, как и раньше, означают массу и радиус звезды. Если ²R GM/R², то звезда, предварительно сплющившись в диск, будет разорвана на куски. Из этой формулы следует, что минимальный период вращения у белых карликов, масса которых M 1M, a R 1000 км, будет только 10 секунд[ 49 ]. Значит, пульсары нельзя объяснить быстро вращающимися белыми карликами.

Пожалуй, стоит еще упомянуть об одной выдвинутой в то время гипотезе, пытавшейся объяснить пульсары как очень тесные двойные системы, каждая из компонент которых представляет очень маленькую, весьма плотную звездочку. При этом было показано, что если обе компоненты — белые карлики, почти соприкасающиеся друг с другом, то минимальный период должен быть 1,7 секунды. Но ведь можно предположить, что компонентами такой двойной системы являются еще более компактные, чем белые карлики, нейтронные звезды. Однако и такая гипотеза не проходит! Система, состоящая из двух очень близких нейтронных звезд, будет с огромной мощностью излучать гравитационные волны (см. § 24). Из-за потери энергии связанные с этим излучением нейтронные звезды через какие-нибудь несколько лет упадут друг на друга и сколлапсируют. До этого их период, по мере сближения компонент, будет довольно быстро уменьшаться, что резко противоречит наблюдениям (см. ниже). Наконец, стоит упомянуть еще об одной оригинальной идее, обсуждавшейся в то время. Эта идея представляет собой модификацию предыдущей, с той разницей, что двойная система представляет собой планету малой массы, обращающейся по очень маленькой орбите вокруг нейтронной звезды. Такая система, как оказывается, почти не будет излучать гравитационные волны и в этом смысле она будет вполне устойчивой. «Соблазн» ввести планету, обращающуюся вокруг звезды в пределах ее магнитосферы, был, в частности, вызван интересным феноменом в нашей Солнечной системе. Спутник Юпитера Ио, обращающийся вокруг самой большой планеты Солнечной системы как раз в пределах ее магнитосферы, сильнейшим образом влияет на мощное радиоизлучение Юпитера, в котором наблюдается периодичность, причем период совпадает с периодом обращения Ио. Хотя эта идея для объяснения пульсаров, несомненно, была свежей и интересной, быстро была показана ее несостоятельность: гравитационные приливные силы нейтронной звезды разорвали бы на куски такую близкую планету подобно тому, как, по-видимому, была разорвана планета, давшая начало частичкам, которые сейчас наблюдаются как кольца Сатурна.

Итак, были перебраны все возможности, кроме одной: «часовой механизм» пульсаров объясняется осевым вращением нейтронных звезд. Другими словами, пульсары — это очень быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Собственно говоря, вывод о том, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, отнюдь не явился неожиданностью. Можно сказать, что его подготовило все развитие астрофизики за предшествующее открытию пульсаров десятилетие. К 1967 г. астрономы уже не сомневались в том, что в результате вспышки сверхновой звезды может образоваться нейтронная звезда. Более того, ряд фактов, добытых из простого анализа результатов наблюдений, прямо указывал на такой процесс. В третьей части этой книги мы много говорили о Крабовидной туманности, этой подлинной лаборатории современной астрофизики. В частности, там обращалось внимание на то, что «предоставленная самой себе» эта туманность перестала бы светиться в течение какой-нибудь сотни лет, между тем как она в действительности существует около 1000 лет. Как уже говорилось, причина свечения Крабовидной туманности — торможение заключенных в ней релятивистских электронов в магнитном поле туманности. Тот простой факт, что, несмотря на это, туманность все-таки излучает в оптической области спектра многие сотни лет, мог означать только одно: в ней имеется постоянно работающий источник «накачки» релятивистских электронов. Прямые наблюдения явно указывали на место этого источника — в самом центре Крабовидной туманности, около слабой звездочки 16-й величины, которую один из величайших астрономов-наблюдателей XX века Вальтер Бааде интуитивно считал оптическим остатком взорвавшейся в начале июля 1054 г. звезды. Тот же Бааде обнаружил удивительную изменчивость туманности в малой области, непосредственно примыкающей к этой звездочке. Об этом уже шла речь в § 17. Согласно измерениям Бааде скорость изменения отдельных «жгутов» туманности достигала 30 000 км/с, т. е. 1/10 скорости света. Это явно указывало, что процессы, вызывающие эти изменения, связаны с выбрасыванием из какой-то малой области огромного количества быстрых частиц. Наконец, радиоастрономические наблюдения, выполненные английскими исследователями во время покрытия Крабовидной туманности Луной, непосредственно привели к открытию очень малого источника (угловые размеры около 0,5), расположенного в ее центре (см. § 17). Теперь-то мы знаем, что этот маленький источник радиоизлучения и есть пульсар, открытый только спустя четыре года после того как его обнаружили во время наблюдений покрытия Крабовидной туманности Луной. Его конечные, хотя и очень маленькие угловые размеры не являются «истинными»: они обусловлены рассеянием радиоизлучения от почти «точечного» источника. В истории науки было много случаев, когда задолго до того, как открытие было сделано, его «видели», но не поняли. Мы убедимся дальше, что пульсар в Крабовидной туманности астрономы наблюдали по крайней мере сотню лет, не подозревая, что это такое!

Вернемся, однако, к пульсарам. Да, их открытие буквально «стучалось в двери» астрономии. В теоретическом плане почти вплотную к открытию пульсара в Крабовидной туманности подошли Пиддингтон и, особенно, Н. С. Кардашев в 1964 г. Кардашев это сделал, исследуя трудную проблему происхождения магнитного поля Крабовидной туманности. В § 17 мы уже обращали внимание, что это поле отличается удивительной регулярностью. Оно отнюдь не представляет собой клубок беспорядочно намотанных магнитных силовых линий, как это, казалось бы, можно было ожидать. Кроме того, это поле само по себе достаточно велико и чрезвычайно медленно спадает от центра туманности к ее периферии. Для объяснения удивительных особенностей магнитного поля Крабовидной туманности Н. С. Кардашев предложил следующую простую и изящную модель. В результате вспышки сверхновой звезды ее внутренние части катастрофически сжимаются (коллапсируют). Хотя размеры звезды уменьшаются в сотню тысяч раз, две важные величины должны сохранить неизменное (или, точнее, почти неизменное) значение. Это, во-первых, момент количества движения, и во-вторых, магнитный поток. Момент количества движения любого космического тела можно определить как произведение экваториальной скорости его осевого вращения на его массу и на радиус:

(20.1)

Закон сохранения момента количества движения при любых процессах, происходящих в физическом теле, есть один из основных законов механики. Выше, правда, мы сделали оговорку, что момент количества движения «почти сохраняется». Что это означает? Это означает только то, что часть вещества взорвавшейся звезды вместе с некоторой частью первоначального момента количества движения выбрасывается наружу, в межзвездное пространство. Все же существенная, если не большая часть первоначального «вращательного момента» звезды сохраняется. В процессе катастрофического сжатия звезды ее масса (за вычетом выброшенной во время взрыва части) не меняется. Радиус же, как уже говорилось, уменьшается в сотню тысяч раз. Следовательно, из условия сохранения момента количества движения следует, что экваториальная скорость сжимающейся звезды должна увеличиться во столько раз, во сколько уменьшился ее радиус. На конечной стадии сжатия, когда образуется нейтронная звезда, ее экваториальная скорость вращения может быть огромной, даже близкой к скорости света! Нелишне подчеркнуть, что если первоначальная скорость вращения звезды (до взрыва) была сравнительно велика и если масса выброшенного во время взрыва вещества была сравнительно небольшой (что связано с небольшой потерей первоначального вращательного момента!), то задолго до того, как коллапсирующая звезда станет нейтронной, ее сжатие остановит центробежная сила, которая сравняется с силой сжимающего звезду гравитационного притяжения. Это обстоятельство, конечно, накладывает важные ограничения на сам процесс взрыва сверхновой.

Итак, первоначальная экваториальная скорость «только что» образовавшейся в результате гравитационного коллапса звезды должна быть огромной. С другой стороны, эта скорость связана с периодом вращения очевидной формулой

(20.2)

откуда

(20.3)

так как 3 1/R. Отсюда следует, например, что если в процессе катастрофического сжатия радиус звезды уменьшился, скажем, в 100 000 раз, то период ее вращения уменьшился в 10 миллиардов раз! Например, если бы наше Солнце, которое очень медленно вращается вокруг своей оси с периодом около 27 суток, вдруг превратилось бы в нейтронную звезду, то период вращения последней был бы около одной десятитысячной доли секунды!

Таким образом, из простого закона механики следует, что нейтронные звезды должны очень быстро вращаться. То, что ожидаемые периоды нейтронных звезд значительно короче наблюдаемых периодов пульсаров, не должно нас смущать: объяснение этому будет дано ниже.

Столь же естественно получается, что образовавшиеся вследствие коллапса нейтронные звезды должны быть сильно намагничены. Это — прямое следствие закона сохранения магнитного потока, который можно записать следующим образом (см. также § 16):

(20.4)

откуда следует, что при сжатии звезды магнитное поле на ее поверхности меняется обратно пропорционально квадрату радиуса. Сам закон сохранения магнитного потока попросту означает «неуничтожаемость» магнитных силовых линий, прочно «привязанных» к проводящему электричество веществу сжимающейся звезды. Посмотрим теперь, к чему приводит этот закон. Допустим, что до взрыва магнитное поле на поверхности звезды было очень слабое, например, было близко к одному эрстеду. Такое поле, например, имеется на поверхности Земли. Тогда оказывается, что магнитное поле образовавшейся после гравитационного сжатия нейтронной звезды будет иметь огромное значение в десять миллиардов эрстед! Ничего похожего ни в одной физической лаборатории мира никогда не получалось. Физики умеют создавать в ограниченной области на короткое время, исчисляемое микросекундами, магнитные поля напряженностью в несколько миллионов эрстед. Такие магнитные поля, какие следует ожидать на нейтронных звездах, им, как говорится, и не снились...

По мысли Н. С. Кардашева регулярное магнитное поле в Крабовидной туманности есть следствие «закручивания» поля нейтронной звезды в окружающей ее плазме, заполняющей некоторый вращающийся диск, имеющий магнитную связь с коллапсирующей звездой. Расчеты, выполненные Н. С. Кардашевым, показали, что за время жизни Крабовидной туманности таким способом могло «намотаться» поле нужной величины.

Рис. 20.1: Модель пульсара по Голду.

Работа Н. С. Кардашева была нацелена не столько на предсказание удивительных свойств образующихся при вспышках сверхновых нейтронных звезд, сколько на объяснения «квазирегулярного» магнитного поля Крабовидной туманности. Все же в ней совершенно четко подчеркивались два основных свойства образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд: а) огромная скорость осевого вращения, б) исключительно большая величина напряженности их магнитного поля. В появившейся в 1967 г. (т. е. примерно за год до публикации первой работы об открытии пульсаров) работе итальянского астронома Ф. Пачини также было обращено внимание на эти два основных свойства нейтронных звезд. В этой работе итальянский исследователь сделал важный акцент на тот простой факт, что кинетическая энергия вращающейся нейтронной звезды будет переходить в электромагнитную энергию и по этой причине ее период вращения будет непрерывно расти. По существу, то же предсказание о непрерывной потере кинетической энергии вращения нейтронной звезды сделал и Н. С. Кардашев тремя годами раньше. Ведь энергия магнитного поля Крабовидной туманности по его концепции черпается за счет кинетической энергии вращения нейтронной звезды, которая по этой причине должна тормозиться. Заслуга Пачини, однако, состоит в том, что он эту простую идею высказал в четкой и ясной форме. Это тоже имеет большое значение в истории науки!

Пожалуй, первый ученый, сказавший, что только что открытые пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, был известный американский астроном Т. Голд. Именно ему принадлежит простая модель пульсара, схематически изображенная на рис. 20.1. Для этой модели существенно, что магнитная ось нейтронной звезды, одновременно являющаяся осью конуса, в пределах которого по некоторым причинам сосредоточено мощное радиоизлучение, не совпадает с ее осью вращения. По этой причине при «благоприятном» положении наблюдателя по отношению к вращающейся нейтронной звезде он будет принимать от этой звезды радиоимпульсы, разделенные одинаковыми интервалами времени. Почти одновременно с Голдом такое же объяснение феномена пульсаров дал и Пачини, который вполне уже мог ссылаться на свою упомянутую выше теоретическую работу, опубликованную до открытия пульсаров. В этой работе, как мы видели, содержится важное теоретическое предсказание, что периоды вращения у всех нейтронных звезд должны со временем расти. Очень скоро путем прямых наблюдений была показана справедливость этого прогноза. Например, в начале 1969 г. с помощью гигантского радиотелескопа Пуэрто-Рико американские радиоастрономы Ричарде и Комелла нашли, что период пульсара Крабовидной туманности регулярно растет на 36 наносекунд в день (наносекунда — одна миллиардная часть секунды). У других пульсаров также вскоре было измерено непрерывное увеличение периодов, правда, значительно меньше. Можно спросить, а как вообще можно измерить столь ничтожные по своей величине изменения периодов? Ответ на этот вопрос прост: если бы период пульсаций был величиной строго постоянной, то можно было бы на большой срок вперед предсказать точную фазу. Например, предсказать, что точно через год, т. е. через тридцать один миллион шестьсот тысяч секунд у данного пульсара будет наблюдаться импульс радиоизлучения. Сравнение моментов реальных наблюдений импульсов и предсказанных в предположении о постоянстве периодов позволяет с огромной точностью определить малые изменения периодов пульсаров. Эта поразительная точность, вообще говоря, будет тем выше, чем короче период пульсара, чем дольше проводятся его наблюдения и, конечно, чем быстрее меняется период[ 50 ].

То, что у всех без исключения пульсаров периоды растут, явилось решающим подтверждением концепции, согласно которой пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды. И, наконец, два самых короткопериодических пульсара, NP 0531 и PSR 0835—45, находятся внутри радиоизлучающих туманностей — остатков вспышек сверхновых.

В связи с последним обстоятельством возникает вполне естественный вопрос, вернее, два вопроса: почему далеко не во всех радиотуманностях — остатках вспышек сверхновых — наблюдаются пульсары и почему пульсары, как правило, не находятся в пределах радиотуманностей? Рассмотрим прежде первый вопрос. Действительно, в большей части из известных радиотуманностей пульсары не обнаружены. Например, в самом ярком (после Солнца) радиоисточнике на небе, Кассиопее А, являющемся едва ли не самым молодым остатком вспышки сверхновой (см. часть III), пульсар не обнаружен. То же самое следует сказать о знаменитой системе тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя, а также об остатках исторических Сверхновых 1572 г. (Тихо) и 1604 г. (Кеплер). В известном каталоге австралийского радиоастронома Милна содержится свыше 100 таких объектов, из которых только у трех (или четырех) обнаружены пульсары. Объяснение этому очень простое: радиоизлучение пульсаров неизотропно (т. е. не имеет одинаковой интенсивности по всем направлениям), а сосредоточено в пределах некоторого конуса, ось которого наклонена к его оси вращения (см. рис. 20.1). Надо, конечно, еще иметь в виду, что для удаленных радиотуманностей поток излучения от пульсаров будет мал.

Вполне возможно, что в близком будущем будут открыты еще несколько слабых пульсаров у еще более удаленных туманностей. Все же эффект направленности излучения пульсаров должен играть важнейшую роль при объяснении отсутствия пульсаров в остатках вспышек сверхновых. Нам, например, очень повезло, что Крабовидная туманность, в дополнение ко многим своим удивительным свойствам, о которых речь шла в части III, к тому же имеет пульсар, который особенно «удачно» ориентирован по отношению к земным наблюдателям...

Отсутствие радиотуманностей вокруг подавляющего большинства пульсаров объясняется еще проще. Дело в том, что основная часть известных сейчас пульсаров имеет возраст, во всяком случае превышающий миллион лет, в то время как возраст даже наиболее «старых» радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых — по крайней мере в 10 раз меньше. В § 16 мы уже занимались оценкой возраста этих туманностей. Как же определяется возраст пульсаров?

Оказывается, что этот возраст можно определить довольно надежно, пожалуй, даже более надежно, чем возраст радиотуманностей. Выше уже шла речь о непрерывном увеличении периодов у всех без исключения пульсаров. Следовательно, можно полагать, что молодые, недавно образовавшиеся нейтронные звезды (которые радиоастрономы наблюдают как пульсары) должны вращаться значительно быстрее старых, уже порядком затормозивших свое вращение объектов. Отсюда ясно, что, зная период пульсара и его рост за единицу времени, можно определить его возраст. Обозначим изменение периода пульсара P за одну секунду через . Тогда ясно, что если бы за всю историю эволюции пульсара величина P была постоянной, то его возраст, выраженный в секундах, определялся бы простой формулой

(20.5)

Тот факт, что в начале «жизни» пульсара, когда его торможение должно было быть особенно сильным, а величина P естественно была значительно больше, чем у «старого» пульсара, заставляет сделать вывод, что действительный возраст пульсара должен быть меньше. Теория торможения пульсаров, о которой речь будет ниже, дает такую формулу для возраста пульсаров:

(20.6)

Рис. 20.2: Схема, поясняющая зависимость периода пульсара от его возраста.

На рис. 20.2 схематически приведена зависимость периода пульсара от его возраста, поясняющая сказанное выше. Применение этой формулы к пульсарам, находящимся внутри радиотуманностей, дает весьма впечатляющие результаты. Например, у пульсара NP 0531, находящегося внутри Крабовидной туманности, P = 0,033 секунды, = 36 наносекунд/день или 4,2 10^-13 с/с. Отсюда по формуле (20.6) t₁ = 4 10¹⁰ с или 1200 лет, что на 20% превосходит реальный возраст Крабовидной туманности, образовавшейся в 1054 г. Наконец, возраст пульсара PSP 0835—45 оказывается всего 12 000 лет, в то время как возраст туманности Паруса X (остатка сверхновой) около 10 000 лет.

Недавно был обнаружен третий пульсар, находящийся внутри остатка вспышки сверхновой MSH 15-52. Этот очень слабый пульсар имеет период 0,15 с и возраст (определяемый по замедлению вращения) 1570 лет. Пульсар этот, подобно пульсару в Крабовидной туманности, наблюдается как и в радио-, так и в рентгеновских лучах. Радиотуманность MSH 15-52, подобно объекту Паруса X, является комбинацией плериона и оболочки.

Что касается всех остальных пульсаров, не находящихся в пределах радиотуманностей, образовавшихся после вспышек сверхновых, то их возрасты, определенные по формуле (20.6), как правило, превышают миллион лет. Например, возраст первого из открытых пульсаров, СР 1133, оказывается 5 10⁶ лет.

Теперь вполне понятно, почему подавляющее большинство пульсаров не окружено радиотуманностями. За миллионы лет эти туманности благодаря своему расширению полностью «растворятся» в окружающей межзвездной среде и перестанут быть наблюдаемыми. Радиотуманности, образующиеся на месте вспышек сверхновых звезд, представляют собой сравнительно эфемерное образование, между тем как нейтронные звезды оказываются весьма долговечными объектами. Только самые молодые нейтронные звезды окружены еще не успевшими рассеяться туманностями — источниками радиоизлучения.

Различие в возрасте пульсаров и остатков вспышек сверхновых звезд, без сомнения, является основной причиной отсутствия вокруг подавляющего большинства пульсаров радиотуманностей. Но, в принципе, может быть еще одна очень любопытная причина. Дело в том, что пульсары движутся в пространстве с довольно значительными скоростями. Например, это имеет место для пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности (см. ниже). Чисто радиоастрономическим методом, о котором речь будет идти дальше, можно найти для ряда пульсаров их скорость по отношению к скорости движения неоднородностей в межзвездной среде. Так как последние не могут быть очень велики, то этот метод дает «тангенциальные» компоненты скоростей самих пульсаров. Эта скорость также оказывается очень большой — в пределах 150—500 км/с[ 51 ]. Если скорость вновь образовавшегося пульсара около 400—500 км/с, то за время существования генетически связанной с ним радиотуманности ( 100 тысяч лет) он уйдет от места своего рождения на 40—50 пс, что в 2—3 раза превышает радиус самых старых из наблюдаемых радиотуманностей. Таким образом, в принципе, возможна такая ситуация, когда пульсар довольно далеко уйдет от еще не успевшей «растаять» в межзвездной среде радиотуманности. В таком случае критерием генетической связи пульсара и радиотуманности будет уже не их пространственное совпадение и одинаковый возраст, а только возраст. Пока еще, несмотря на несколько попыток, такие пары не обнаружены. Однако вполне возможно, что в будущем поиски таких пар увенчаются успехом.

Возникает вопрос: а почему у вновь образовавшихся нейтронных звезд так велики пространственные скорости? По-видимому, причина кроется в самих обстоятельствах рождения нейтронных звезд. Вся совокупность наблюдательных данных, а также теория, говорят о том, что нейтронные звезды образуются в процессе взрыва сверхновых звезд. Очень трудно представить себе, однако, что такой взрыв должен быть идеально симметричным. В самом деле, наличие, например, магнитного поля, ось которого не совпадает с осью вращения, обязательно сделает выброс вещества из звезды, пусть даже немного, несимметричным. К чему же это приведет? Скорость выброса вещества во время взрыва звезды достигает 10 000 км/с (см. часть III), причем выбрасывается по крайней мере 10% массы звезды. Тогда очевидно, что если степень асимметрии взрыва всего лишь 10% (т. е. в одну сторону выбрасывается на 10% вещества больше, чем в другую), то по закону сохранения импульса тело, оставшееся после взрыва, т. е. нейтронная звезда, получит «скорость отдачи» не меньшую, чем 100 км/с. Скорее всего, эта скорость будет больше. Любопытно, что вывод о больших скоростях, образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд, был сделан теоретически до того, как этот результат был получен из наблюдений. О другой разновидности механизма получения больших скоростей вновь образующихся пульсаров речь будет идти в § 22.

Итак, пространственные скорости пульсаров очень велики, во всяком случае они превышают 200 км/с. Но если это так, то за миллиарды лет они должны уйти очень далеко от места своего рождения. У многих пульсаров скорости поступательного движения настолько велики, что они должны покидать нашу Галактику. Отсюда следует, что старые пульсары должны образовывать гигантскую квазисферическую «корону» вокруг Галактики размером в сотни тысяч световых лет. Ничего подобного, однако, не наблюдается! Пространственное распределение пульсаров примерно такое же, как у старых звезд галактического диска. Они концентрируются к галактической плоскости в слое толщиной около 300 пс. Кроме того, на расстоянии свыше 15 000 пс от галактического центра пульсары отсутствуют. Как же согласовать между собой с одной стороны — огромные пространственные скорости пульсаров, а с другой — их сравнительно «плоское» пространственное распределение? Скорее всего ответ такой. Спустя несколько миллионов лет после образования пульсары перестают излучать радиоволны. Поэтому «истинный» возраст подавляющего большинства пульсаров не превышает 2—3 миллиона лет. Следовательно, определение возраста пульсаров по формуле t = далеко не всегда дает хороший результат.

Полное количество всех пульсаров в Галактике должно быть порядка нескольких сотен тысяч. Только малая часть их наблюдаема (всего сейчас известно около 350 пульсаров). Так как средний возраст пульсаров близок к 2 10⁶ лет, то частота появления новых пульсаров приблизительно равна одному объекту за несколько десятков лет — величина, близкая к частоте вспышек сверхновых.

Среди всех известных до настоящего времени пульсаров, пожалуй, самым интересным является пульсар NP 0531, находящийся вблизи центра Крабовидной туманности. Все его свойства, если можно так выразиться, оказываются «экстремальными»: он является самым короткопериодическим[ 52 ], быстрее всех увеличивающим свой период, а следовательно, самым молодым из всех известных объектов этого класса. Но, пожалуй, самым интересным является то, что он является пока единственным пульсаром, от которого наблюдается не только радио-, но и оптическое излучение.

Мы уже упоминали в § 17, что в центральной части Крабовидной туманности находятся две звездочки приблизительно 16-й величины (см. рис. 17.5). Расстояние между этими звездочками меньше 5. Северная звездочка ничего интересного не представляет. Она не связана генетически с Крабовидной туманностью, а просто случайно проектируется на туманность — ее расстояние значительно меньше. Совершенно другую природу имеет южная звездочка. Еще в 1942 г. был получен ее спектр. Он оказался весьма необычным. Высокая интенсивность его ультрафиолетовой части указывала на то, что поверхность этой звезды очень горяча. Но самое примечательное — это отсутствие каких бы то ни было спектральных линий, как излучения, так и поглощения, в спектре этой звезды. Столь необычные характеристики «южной» звезды в Крабовидной туманности послужили для Бааде основанием предположить, что эта звезда — остаток взрыва Сверхновой 1054 г. В дальнейшем Бааде, как уже говорилось в § 17, исследовал удивительно быструю изменчивость деталей центральной части Крабовидной туманности, в непосредственной близости от южной звезды. Это указывало на продолжающуюся активность южной звезды — новый важный аргумент в пользу гипотезы Бааде.

Сразу же после того как Стэйлин и Райфенстайн открыли пульсар в Крабовидной туманности, а Комелла на Пуэрто-Риканской обсерватории в Аресибо определил необычно короткий его период, возникла идея, что этот пульсар может излучать импульсы и в оптическом диапазоне длин волн. Так как из радионаблюдений период пульсаций был известен, задача для оптических астрономов значительно упрощалась. Впервые оптические импульсы от пульсара NP 0531 наблюдали в самом начале 1969 г. американские астрономы Кок, Дисней и Тэйлор. Они использовали сравнительно небольшой 36-дюймовый телескоп обсерватории Стюарта в штате Аризона. Почти одновременно оптические импульсы с периодом 0,033 секунды были получены и двумя другими исследовательскими группами.

Можно и раньше было подозревать, что пульсар NP 0531 каким-то образом связан с южной звездочкой в центральной части Крабовидной туманности. В пользу этого предположения указывали, во-первых, близость координат обоих объектов и, во-вторых, необычные свойства южной звезды, о которых речь шла выше. Оптические наблюдения со всей наглядностью подтвердили это предположение. Прямые фотоэлектрические наблюдения блеска указанной звезды, выполненные с малым временем накопления, выявили поразительное явление: блеск этой звезды не постоянен (как долгие годы молчаливо предполагалось астрономами), а строго периодически меняется, как это видно на рис. 20.3. Период с огромной точностью равен периоду радиопульсара NP 0531. Так же как и в радиодиапазоне, наряду с «главным» импульсом в оптических лучах наблюдается «интеримпульс», который находится приблизительно (но не точно) посредине между главными импульсами. Итак, южная звездочка Крабовидной туманности, известная астрономам уже свыше 100 лет, оказалась вовсе не звездой, а пульсаром! Если бы не развитие радиоастрономии, приведшее в конце концов к открытию пульсаров, никому и. в голову не могла бы прийти «больная» мысль искать столь необычно короткую периодичность в оптическом излучении давно известного объекта! Этот пример наглядно демонстрирует взаимодействие и взаимосвязь оптической и радиоастрономии — двух могучих ветвей одного старого дерева. Таких примеров можно привести немало — стоит только упомянуть открытие квазаров. Во всех случаях, как правило, роль «разведчика», гида, обнаруживающего дотоле неизвестное явление природы, играет радиоастрономия.

Рис. 20.3: Кривая блеска пульсара NP 0531 (вверху — фотография центральной части Крабовидной туманности в соответствующие моменты времени).

Рис. 20.4: «Стробоскопические» наблюдения оптического излучения пульсара NP 0531.

Со всей очевидностью необычный характер южной звезды в Крабовидной туманности доказывают фотографии, приведенные на рис. 20.4. При получении этих фотографий использовался принцип хорошо известной детской игрушки, называемой «стробоскоп». Пучок света в телескопе фокусируется на телевизионную камеру, которая колеблется с периодом, точно равным периоду пульсара NP 0531. Если колебания камеры происходят в «фазе» с импульсами оптического излучения от этого пульсара, то каждый раз камера будет принимать его «максимальное» излучение. Если же фаза будет другой, то на камеру будет действовать весьма слабый световой поток от пульсара, излучаемый им в промежутке между импульсами. С другой стороны, эффект от соседних, «обычных» звезд, очевидно» совершенно не зависит от фазы колебаний камеры. На рис. 20.4 внизу видны три звезды, между тем как на фотографии, приведенной на рис. 20.4 вверху, появилась четвертая, самая яркая. Это и есть южная звезда Крабовидной туманности, фотография которой получена при совпадении фаз колебаний телевизионной камеры и пульсара. Трудно найти в современной астрономии более наглядное доказательство необычной природы давно известного космического объекта.

Через пару месяцев после того как было обнаружено оптическое излучение пульсара NP 0531, Брадт и его сотрудники обнаружили от него рентгеновское излучение. Вскоре выяснилось, что в «старых» рентгеновских наблюдениях Крабовидной туманности имелась пульсирующая составляющая, вклад которой составлял около 6% от полного рентгеновского излучения туманности, причем период пульсаций был как раз таким, как у NP 0531, т. е. 0,033 секунды. Само собой разумеется, что если бы не открытие радиопульсара с этим периодом, то пульсирующая составляющая в рентгеновском излучении Крабовидной туманности вряд ли была бы обнаружена.

С тех пор было выполнено большое количество исследований пульсара NP 0531 в рентгеновском диапазоне. В 1970 г. от него было обнаружено пульсирующее гамма-излучение с энергией квантов до 100 МэВ. Наконец, в 1972 г. было найдено и сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов до 10¹² эВ. Последнее было обнаружено очень интересным методом, основанным на эффекте Черенкова, от электронов, образующихся в земной атмосфере при поглощении потока жестких гамма-квантов от Крабовидной туманности.

Рис. 20.5: Кривые блеска NP 0531 в разных спектральных диапазонах.

На рис. 20.5 в одном масштабе приведены «кривые блеска» пульсара NP 0531 в разных спектральных диапазонах. Заметим, что самая низкая частота радиодиапазона, на которой зарегистрировано излучение этого пульсара, близка к 3 10⁷ Гц (длина волны 10 м), в то время как самая высокая частота гамма-диапазона превышает 3 10²⁷ Гц. Таким образом, отношение частот на обоих концах огромного диапазона электромагнитных волн, на которых излучает NP 0531, равно 10²⁰ : 1 — величина фантастически большая. Сравнивая кривые блеска на радио- и на оптических и рентгеновских частотах, мы видим, что на радиочастотах (особенно низких) импульс начинается всегда раньше, чем на высоких частотах. На низких радиочастотах наблюдается некое дополнительное излучение, предшествующее главному максимуму и четко от него отделенное по времени. Это дополнительное излучение получило название «предимпульс». На высоких частотах радиодиапазона интенсивность предимпульса быстро падает, из чего следует вывод, что его радиоспектр очень крутой, значительно более крутой, чем спектр радиоизлучения основного импульса и интеримпульса. В оптическом диапазоне никаких следов предимпульса не наблюдается. Из кривой блеска NP 0531 в оптических лучах следует, что интенсивность излучения между импульсами не падает до нуля, а составляет хотя и малую, но вполне реальную величину. Точные электрофотометрические измерения показывают, что, например, между главным импульсом и интеримпульсом интенсивность не опускается ниже уровня, составляющего около 1% максимальной интенсивности главного импульса. В рентгеновском же диапазоне эта «межимпульсная» интенсивность достигает 10%. Отсюда следует, что спектр этой составляющей излучения пульсара (которую можно назвать «почти изотропной») значительно «жестче», чем спектр основной части излучения, сосредоточенной в импульсах. Любопытно также, что в рентгеновских лучах интенсивность импульса и интеримпульса почти равны, между тем как в оптических лучах интенсивность интеримпульса раза в три меньше интенсивности главного импульса[ 53 ].

Особенно интересны результаты наблюдений NP 0531 в ближней инфракрасной области. Здесь интенсивность пульсара NP 0531 падает в сторону низких частот, между тем как поток инфракрасного излучения от самой Крабовидной туманности растет при уменьшении частоты. На рис. 20.6 схематически приведены спектры Крабовидной туманности и находящегося в ней пульсара для всего диапазона электромагнитных волн, от радио- до гамма-лучей. Из этого рисунка прежде всего следует, что высокочастотный (т. е. оптический и рентгеновский) спектр NP 0531 никоим образом не является простым продолжением его радиоспектра. Имеется еще одно важное отличие между радио- и оптическим излучением этого пульсара. В то время как оптическое излучение NP 0531 отличается удивительным постоянством (в частности, звездная величина NP 0531 остается неизменной в пределах долей процента), его радиоимпульсы подвержены большим вариациям по своей интенсивности. Довольно часто наблюдается огромное, более чем стократное, увеличение интенсивности радиоимпульсов по сравнению со средним значением. Именно по этой причине Стэйлин и Райфенстайн смогли открыть этот пульсар — ведь они не располагали приемной аппаратурой, которая смогла бы зарегистрировать очень короткую периодичность обычных импульсов от NP 0531. Но зато они уверенно обнаружили время от времени возникающие огромные по мощности кратковременные импульсы радиоизлучения от этого пульсара. Заметим в этой связи, что явление «гигантских импульсов» наблюдается также в радиоизлучении некоторых других пульсаров. Такая разница в поведении радио- и «высокочастотного» излучения от пульсара NP 0531 явно указывает на различие в механизмах их излучения.

Рис. 20.6: Схема спектров NP 0531 и Крабовидной туманности.

Основная доля электромагнитного излучения NP 0531 сосредоточена в «высокочастотной» части спектра. Зная величину потока излучения от этого пульсара во всем диапазоне (обозначим, как обычно, эту величину через F) и расстояние до Крабсвидиой туманности r, которое близко к 2000 пс, легко найти мощность излучения пульсара:

что в несколько сотен раз превышает мощность излучения Солнца. Основная часть этой мощности падает на рентгеновский диапазон. Еще в тридцатых годах нашего столетия было установлено, что южная звезда в центре Крабовидной туманности обладает хотя и малым, но вполне измеримым собственным движением. Ее смещение за год по обеим координатам согласно измерениям Дункана составляет = 0,010 секунды дуги, = 0,002 секунды дуги. В дальнейшем собственное движение этой звезды уточнялось наблюдениями ряда астрономов, в частности, пулковских. Зная собственное движение и расстояние до объекта, можно легко найти проекцию его пространственной скорости на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Учитывая, что расстояние до Крабовиднойтуманности составляет около 2000 пс, можно отсюда найти, что указанная выше проекция скорости составляет величину около 120 км/с. Таким образом, пульсар в Крабовидной туманности, подобно другим пульсарам, обладает большой пространственной скоростью. Об этом у нас речь уже шла выше.

Таковы основные результаты наблюдений пульсара NP 0531 на разных частотах. Некоторые другие результаты наблюдений, а также, что самое интересное, попытки теоретического объяснения природы этого пульсара будут рассматриваться ниже. Теперь же мы остановимся на двух других пульсарах, у которых, по-видимому, также наблюдается высокочастотное излучение. Первый из этих пульсаров связан с остатком сверхновой Паруса X, второй с MSH 15-52. Об этих пульсарах речь шла выше.

В 1977 г. на месте пульсара PSR 0833—45 был обнаружен исключительно слабый оптический объект, пульсирующий с периодом 0,089 секунды, но имеющий два максимума за период, так же как и гамма-излучение от этого пульсара (см. ниже). Любопытно, что от этого пульсара были обнаружены довольно интенсивные импульсы гамма-излучения с энергией квантов больше 30 МэВ. Гамма-профиль PSR 0833—45 имеет два максимума, по фазе не совпадающих с радиоимпульсом. По-видимому, причина гамма-излучения этого пульсара та же, что и сверхжесткого излучения NP 0531. Необходимо еще много наблюдений, чтобы разобраться в сложной проблеме, которую поставил этот очень интересный пульсар.

Тот факт, что жесткое рентгеновское излучение обнаружено только у двух-трех пульсаров, общим свойством которых является молодость, заставляет предположить, что длительность «рентгеноизлучающей» фазы у пульсаров мала по сравнению с длительностью радиоизлучающей фазы. С другой стороны, последняя также ограничена и для большинства пульсаров близка к 3 10⁶ лет (см. выше). Таким образом, мы чисто эмпирически приходим к представлению, что по мере эволюции нейтронной звезды «активность», проявляющаяся в радио-, оптическом и рентгеновском излучении, должна непрерывно уменьшаться. Напротив, гамма-излучение возможно астрономами уже обнаружено у некоторых сравнительно старых пульсаров, что говорит в пользу особой природы этого излучения (см. § 23).

Вернемся теперь к вопросу о связи пульсаров и радио- и рентгеновских туманностей — остатков вспышек сверхновых. Заслуживает, прежде всего, внимания тот факт, что все три туманности — остатки сверхновых; внутри которых находятся пульсары,— являются плерионами. В то же время из наблюдений следует, что плерионы, по-видимому, являются остатками вспышек сверхновых II типа. Это доказано для двух исторических сверхновых — 1054 г. (давшей начало Крабовидной туманности) и 1181 г. («родительницы» плериона 3C 58). Любопытно подчеркнуть, что туманности — остатки вспышек «исторических» (т. е. зарегистрированных в хрониках) сверхновых I типа плерионами не являются. Напрашивается вывод, что нейтронные звезды, наблюдаемые как пульсары,— это остатки взрывов более массивных и молодых сверхновых II типа, между тем как после взрывов менее массивных, сравнительно старых звезд — сверхновых I типа, звездных остатков не сохраняется,— они полностью рассеиваются в межзвездном пространстве.

То обстоятельство, что нейтронные звезды образуются в результате эволюции массивных звезд, представляется вполне естественным. Ибо только у таких звезд может образоваться кислородно-углеродное ядро с массой, превышающей чандрасекаровский предел. Наличие нейтронных звезд (наблюдаемых как рентгеновские пульсары — см. § 21) в массивных двойных системах как будто бы подтверждает такой вывод.

Возможно, что к этой проблеме имеет отношение явление радиоизлучения сверхновых (а не их остатков!), которое в последнее время привлекает к себе внимание радиоастрономов. Во всех трех случаях, когда это явление наблюдалось, излучали радиоволны сверхновые II типа спустя 1—3 месяца после максимума блеска. Не исключено, как предположил автор этой книги, что стимулирует радиоизлучение сверхновых II типа находящийся там молодой, активный пульсар. Возможно, однако, и другое объяснение, связывающее это радиоизлучение со взаимодействием расширяющейся оболочки с окружающим взорвавшуюся звезду «ветром».

Пожалуй, труднее всего для пульсаров определяются две основные характеристики всякого «нормального» источника радиоизлучения — поток и спектр. Эти трудности связаны прежде всего с самой природой пульсаров. Дело в том, что, как уже неоднократно упоминалось выше, радиоизлучение пульсаров в высшей степени сложным образом меняется со временем. Эти изменения, в частности, бывают очень быстрыми, например, два соседних импульса могут иметь заметно различающиеся «профили» (это то же самое, что на оптических частотах кривая блеска). Другими словами, за время порядка секунды (характерное время для периода пульсаров) могут наблюдаться существенные изменения потока. Специфической особенностью пульсаров как источников радиоизлучения являются их ничтожно малые угловые размеры. Поэтому они, как никакие другие известные в радиоастрономии источники, подвержены сцинтилляциям. И хотя спектр радиоизлучения пульсаров, по-видимому, достаточно стабилен, характер сцинтилляций существенно зависит от частоты излучения. Это приводит к сильнейшим искажениям спектра при прохождении излучения пульсара через межзвездную среду. Например, на некоторой частоте за несколько минут из-за сцинтилляции поток радиоизлучения может упасть до нуля, в то время как для частоты, слегка отличной, такое уменьшение потока произойдет уже в другой момент. Добавив к этому, что обусловленные сцинтилляциями искажения быстро меняются со временем, мы получим представление о том, что «истинный» спектр радиоизлучения пульсара определить не просто. Для исключения влияния сцинтилляции прежде всего нужно усреднять наблюдения по очень большому (исчисляемому сотнями) числу периодов. При этом, однако, возникает дополнительная трудность, что за такое большое количество периодов само «истинное» (т. е. не искаженное сцинтилляциями) излучение пульсаров может заметно измениться. Так получаются «сглаженные» по времени «синтетические» профили и «синтетические» спектры. В свою очередь сравнение различных «синтетических» профилей, полученных для одного и того же пульсара, позволяет выявить ряд вариаций, начиная от минутных и кончая годовыми. Естественно, что данных о более долговременных вариациях основных характеристик излучения пульсаров пока не существует, так как первые пульсары обнаружены всего около 15 лет назад.

Рис. 21.1: «Синтетические» спектры нескольких пульсаров.

На рис. 21.1 приведены «синтетические» спектры нескольких пульсаров, полученные на известной радиоастрономической обсерватории Джодрелл Бэнк. Как правило, спектральная плотность их потоков быстро падает с ростом частоты. Впрочем, у некоторых пульсаров (например, у PSR 0329+54) наблюдается довольно плоский максимум около частоты 400 МГц. А вообще, спектр может быть представлен степенным законом (как и для других источников космического радиоизлучения) F , где F — усредненная спектральная плотность потока, а величина («спектральный индекс») для большинства пульсаров меняется от -1 до -2, причем никакой зависимости от периода пульсара нет.

«Профили» радиоизлучения пульсаров часто отличаются большим количеством деталей. Например, у пульсара, находящегося в Крабовидной туманности, наблюдаются отдельные детали радиопрофиля, гораздо более «узкие», чем у оптической кривой блеска; эти детали довольно быстро меняются от периода к периоду, но «синтетический» профиль NR 0531 все же близок к кривой блеска его высокочастотного (оптического) излучения.

Радиоизлучение пульсаров сильно поляризовано. У отдельных импульсов иногда наблюдается почти 100%-ная линейная поляризация. Очень интересно, что даже у одного импульса за время, исчисляемое малыми долями периода, характеристики поляризации (например, направление колебаний электрического вектора) могут сильно меняться. Об этом важном явлении речь будет идти ниже, а пока отметим, что в общем случае у пульсаров наблюдается эллиптическая поляризация.

Как уже неоднократно указывалось, периоды пульсаров в первом приближении можно рассматривать как весьма стабильные. Однако длительные ряды наблюдений позволяют выявить очень интересные вариации в периодах. Прежде всего такие наблюдения выявляют важнейший эффект непрерывного увеличения периодов у всех без исключения пульсаров. Это позволяет сделать достаточно надежную оценку их возраста (см. выше). Из-за эффекта Доплера, вызванного орбитальным движением Земли со скоростью 30 км/с, периоды пульсаров в течение года меняются примерно на одну десятитысячную своего значения (для пульсаров, находящихся сравнительно близко от эклиптики), и на меньшую, но вполне «ощутимую» величину — для других пульсаров. При определении периода пульсаров с той большой точностью, какая достигается в настоящее время, эффект Доплера всегда исключается и дается значение «гелиоцентрического» периода, т. е. того периода, который обнаружил бы воображаемый наблюдатель, находящийся на Солнце.

Рис. 21.2: Результаты наблюдения «звездотрясения» у пульсара PSR 0833—45.

Чрезвычайно интересное явление было открыто в 1969 г. в Австралии радиоастрономами Манчестером и Радхакришнаном. Они обнаружили скачкообразное уменьшение периода пульсара PSR 0833—45, которое произошло где-то между 24 февраля и 3 марта 1969 г. (рис. 21.2, в промежутке времени между этими двумя датами наблюдения указанного пульсара не проводились). Величина уменьшения периода довольно значительна: около 200 наносекунд. Учитывая, что период этого пульсара 0,089 с, «сбой» периода составляет 2 10^-6 его значения. Интересно еще и то, что после описанного скачкообразного уменьшения периода дальнейшее его увеличение происходило быстрее на 1%, чем до «сбоя». Спустя 2¹/₂ года, в конце 1971 г., явление «сбоя» периода PSR 0833—45 повторилось почти в точности. Такое странное явление можно объяснить только реальным скачкообразным изменением периода вращения нейтронной звезды. Изменение периода вращения в свою очередь должно быть следствием скачкообразного уменьшения момента инерции звезды, вызванного какими-то сложными процессами в ее недрах (например, изменением характера связи между поверхностными слоями нейтронной звезды и ее недрами). Явление скачкообразного «сбоя» периода у пульсаров получило образное и меткое название «звездотрясений». В гораздо меньшем масштабе, чем у пульсара PSR 0833—45 несколько «звездотрясений» наблюдалось у пульсара в «Крабе». Изучение «звездотрясений» открывает единственную в своем роде возможность исследований недр нейтронных звезд, подобно тому как анализ сейсмических явлений на Земле является важнейшим методом исследования внутренних областей нашей планеты.

Огромная точность, с которой сейчас определяются периоды пульсаров и различные их вариации, позволяет сделать еще один важный вывод, касающийся природы пульсаров. Представим себе, что пульсар является компонентой двойной системы. Тогда величина его периода должна периодически меняться в соответствии с его орбитальным движением в двойной системе. Из того простого факта, что таких периодических изменений периода ни у одного пульсара не наблюдается, следует очень важный вывод, что пульсары (вернее, отождествляемые с ними нейтронные звезды) не являются компонентами кратных звездных систем. Этот факт сам по себе очень удивителен. Ведь двойственность очень распространена среди звезд. Как уже говорилось в § 14, по крайней мере 50% всех звезд входит в состав двойных звезд, а среди молодых, массивных звезд этот процент еще выше. А между тем из известных в настоящее время 350 пульсаров только три принадлежат к двойной звездной системе (см. ниже). До этого в астрономии не был известен какой-либо тип звезд, обладавший таким свойством. В рамках существующих представлений об образовании нейтронных звезд отсутствие двойственности у пульсаров как будто можно понять. Прежде всего достаточно велика вероятность того, что вследствие взрыва одной из компонент двойной системы пара распадается. Это будет так в случае, когда расстояние между компонентами двойной системы велико и эволюция каждой из компонент протекает более или менее независимо. Кроме того, требуется, чтобы во время взрыва большая часть массы звезды была выброшена в межзвездное пространство с достаточно большой скоростью. Однако, если взрыв имел место в «тесной» двойной системе, где расстояние между компонентами невелико, ситуация может быть совершенно другой. В этом случае, как мы видели в § 14, взрываться будет менее массивная звезда. При такой ситуации пара не будет разрушена даже тогда, когда большая часть взорвавшейся звезды будет выброшена в межзвездное пространство. Почему же не наблюдается пульсаров — компонент двойных систем, если большая часть таких систем сравнительно тесные? Советский астрофизик В. А. Шварцман выдвинул очень интересную гипотезу, объясняющую эту загадку. По его мнению, в двойной системе, особенно, если она тесная, имеет место непрерывное падение газа от нормального компонента на нейтронную звезду (так называемый «процесс аккреции»). Этот процесс может как бы «подавить» радиоизлучение нейтронной звезды и «потушить» связанный с нею пульсар. Когда последний «молод» и его «активность» велика, аккреция не в состоянии «заглушить» радиоизлучение нейтронной звезды. Но число таких очень молодых пульсаров можно буквально перечислить по пальцам одной руки. Большинство же пульсаров достаточно «стары», и если они входят в состав двойных систем, их излучение будет подавлено.

Летом 1974 г. на обсерватории Аресибо был обнаружен очень слабый пульсар PSR 1913, являющийся компонентой тесной двойной системы с периодом обращения 7^h46^m. Расстояние между компонентами немного больше радиуса Солнца. Вторая компонента должна быть либо белым карликом, либо еще более компактным объектом, заведомо не заполняющим свою полость Роша. Поэтому никакой аккреции в этой системе нет, что и делает пульсар наблюдаемым. Сама по себе аккреция газа на нейтронную звезду, находящуюся в двойной системе, может привести к чрезвычайно интересным и важным последствиям. Об этом мы будем много говорить в § 23. Следует, однако, заметить, что вопрос о причинах отсутствия двойственности у пульсаров до конца еще не ясен. Здесь у теоретиков еще много пищи для размышлений.

Рис. 21.3: «Синтетические» профили 18 пульсаров.

«Синтетические» профили пульсаров обнаруживают большое разнообразие. Хотя, как уже упоминалось выше, они показывают значительную изменчивость, для данного пульсара основные особенности таких профилей остаются неизменными и могут служить как бы его «паспортом». Например, есть такие пульсары, где профиль состоит из одного простого импульса, например, неоднократно уже упоминавшийся пульсар PSR 0833—45. Есть пульсары, у которых синтетический профиль состоит из двух, а то и трех «субимпульсов». Это хорошо видно из рис. 21.3, где приведены синтетические профили 18 пульсаров.

Интервал времени, в течение которого наблюдается излучение от пульсаров (так называемое «окно»), обычно составляет около 1/30 от периода. На рис. 21.4 приведена диаграмма, дающая зависимость ширины «окна» от периода пульсаров. Ширину «окна» удобно измерять в угловых единицах (360° соответствуют полному периоду пульсаров). На этом рисунке хорошо видно, что точки, соответствующие различным пульсарам, группируются около прямой, соответствующей ширине «окна» 9°.

Рис. 21.4: Зависимость ширины «окна» пульсаров от их периода.

Рис. 21.5: «Дрейф» импульсов в пределах «окна».

Хотя ширина «окна» для данного пульсара остается почти постоянной, отдельные детали профиля («истинного», а не усредненного «синтетического») могут в пределах «окна» перемещаться. У некоторых пульсаров такие перемещения носят удивительно регулярный характер. В таких случаях субимпульсы как бы перемещаются, «дрейфуют» в пределах «окна». Это явление впервые наблюдалось у пульсара PSR 1919+21. Сейчас уже известно довольно значительное количество пульсаров, где этот феномен наблюдается. На рис. 21.5 приводится схема, иллюстрирующая это интересное явление. Для таких пульсаров можно определить второй период, определяемый как промежуток времени, в течение которого их профиль повторяется. Обычно второй период P₂ в несколько раз длиннее основного периода P₁, определяемого вращением нейтронной звезды. Следует, однако, подчеркнуть, что второй период P₂ отнюдь не отличается той прецизионной точностью, которая характерна для основного периода P₁.

Из разных вариаций, которым подвержены профили импульсов пульсаров, едва ли не самым загадочным является полное прекращение радиоизлучения в течение значительного количества периодов. Так, излучение пульсара PSR 1237+25 внезапно «пропадает» на несколько минут, после чего «оживает» без малейшего сбоя периода. У пульсара PSR 0809+74 иногда «пропадает» несколько периодов. Такие явления, скорее всего, указывают на то, что по каким-то причинам у вращающейся нейтронной звезды внезапно прекращается радиоизлучение. В этой связи следует подчеркнуть, что детали основного процесса радиоизлучения пульсаров, приведшего к их открытию, все еще далеки от ясности. Ниже мы еще вернемся к этой проблеме.

Хотя природа радиоизлучения пульсаров пока еще довольно темна и загадочна, само по себе это излучение открыло новые, очень богатые возможности изучения межзвездной среды. Астрономы сразу же по достоинству оценили замечательную особенность этого радиоизлучения: его импульсный характер. Весьма полезным является и то, что радиоизлучение в ряде случаев оказалось линейно поляризованным. Все эти свойства пульсарного радиоизлучения позволяют использовать его как весьма эффективный зонд для изучения межзвездной среды. Прежде всего нашло себе применение явление дисперсии импульсов радиоизлучения от пульсаров в межзвездной среде. Об этом интереснейшем явлении стоит поговорить более подробно. Одинакова ли скорость распространения всех электромагнитных волн в межзвездной среде? Ведь ясно, что даже очень маленькая разница в скорости распространения электромагнитных волн различной длины в принципе могла бы дать вполне измеримый эффект, так как при огромных межзвездных расстояниях происходило бы непрерывное «накопление» разности времен прихода импульсов на разных волнах. На рубеже этого столетия наш самобытный астроном Г. А. Тихов пытался обнаружить такой эффект у затменно-двойных звезд: если бы эффект существовал, моменты звездных затмений в лучах разного цвета (например, синего и красного) должны были бы отличаться. Тогдашние сведения о природе межзвездной среды, однако, были даже не в зачаточном, а просто в нулевом состоянии. Только спустя несколько лет Гартманом были открыты линии межзвездного кальция, положившие начало изучению межзвездной среды (см. § 2). Теперь-то мы хорошо знаем, сколь несостоятельна была попытка Г. А. Тихова обнаружить межзвездную дисперсию света. Ведь плотность межзвездной среды настолько мала, что из-за обычной дисперсии даже на пути в 1000 световых лет импульс красного света опередит одновременно с ним излученный импульс синего света всего лишь на ничтожную долю секунды.

Открытие космического радиоизлучения коренным образом изменило старую проблему обнаружения дисперсии электромагнитных волн в межзвездной среде. Последнюю всегда можно рассматривать как плазму (даже в «зонах Н I», где водород не ионизован; см. § 2). Теория распространения и дисперсии радиоволн в плазме является очень хорошо разработанным отделом макроскопической физики. Приведем только выражение для показателя преломления электромагнитных волн в плазме, в которой магнитное поле отсутствует:

(21.1)

Здесь N_e — концентрация свободных электронов в плазме,  — частота излучения.

Как видно из формулы (21.1), показатель преломления плазмы для радиоволн меньше единицы. Как известно из элементарного курса физики, скорость распространения электромагнитных волн в среде с показателем преломления n 3_ф = c/n, где c = 3 10¹⁰ см/с — скорость света в вакууме. Коль скоро n меньше единицы, 3_ф > c, что как будто бы противоречит специальному принципу относительности. Никакого противоречия, однако, здесь нет. Дело в том, что 3_ф есть так называемая «фазовая скорость», относящаяся к строго определенной частоте волны. Принцип относительности утверждает, что нельзя передавать сигналы со сверхсветовой скоростью. Однако при помощи так называемой «монохроматической волны» (т. е. волны со строго определенной частотой) никакого сигнала передать нельзя. Для этого надо пользоваться группой волн, частоты которых слегка различны. Такая группа волн (или «волновой пакет») распространяется в среде с некоторой групповой скоростью, которая отличается от фазовой. В случае распространения волн в достаточно разреженной плазме групповая скорость выражается формулой

(21.2)

а время распространения группы волн

Из этих формул следует, что разница времени распространения группы волн в среде (плазме) и в вакууме (т. е. запаздывание группы) будет равна

(21.3)

где величина D = N_eR — число свободных электронов в цилиндре, площадь основания которого равна одному квадратному сантиметру, а образующая равна R. В формуле (21.3) частота выражена в мегагерцах, a R — в парсеках. Величина D называется «мерой дисперсии». Допустим теперь, что измеряется время приходов импульсов на двух частотах, слегка различающихся одна от другой на величину . Подчеркнем, что импульс радиоизлучения, содержащий набор частот, был испущен в некоторый момент времени и если бы не дисперсия межзвездной среды, он наблюдался бы одновременно на всех частотах. Наличие же дисперсии приводит к тому, что на более высоких частотах импульс будет наблюдаться раньше, чем на низких. Разница в моментах времени наблюдения импульса на частотах, различающихся на величину t, как можно показать, будет равна

(21.4)

Чтобы почувствовать, велика ли эта величина или мала, сделаем численный расчет. Допустим, что = 100 МГц, a D = 100 см^-3 пс. Тогда из формулы (21.4) следует, что при = 1 МГц t 1 с! Это очень большая величина, особенно если учесть, что 1 секунда близка к среднему периоду пульсаров. Из этого примера видно, что межзвездная дисперсия радиосигналов от пульсаров очень сильно искажает наблюдаемую структуру импульсов. В отдельных случаях, если не принять особых мер (например, не сузить полосу частот, которую принимает приемник радиоизлучения), она может «замыть» импульсы и сделать их ненаблюдаемыми. Об искажении наблюдений пульсаров межзвездной дисперсией мы уже говорили раньше.

Техника современной радиоастрономии позволяет определять величину меры дисперсии D для каждого пульсара с высокой точностью: до одной стотысячной. Такая высокая точность позволяет в отдельных случаях измерять вариации величины D. Особо интересны вариации меры дисперсии для пульсара в Крабовидной туманности. В этом случае D = 57 см^-3 пс или 1,75 10²⁰ см^-2. Однако во время периодов активности в центральной части Крабовидной туманности, связанных с образованием быстро движущихся «жгутов» (см. рис. 17.10), значение D меняется на величину D 10¹⁶ см^-2. Такое возрастание меры дисперсии обычно длится несколько недель, после чего D возвращается к первоначальному значению. Не подлежит сомнению, что описанные изменения D обусловлены прохождением радиоволн через движущиеся облака плазмы в центральной части Крабовидной туманности.

Если бы концентрация свободных электронов в межзвездной среде была известна с полной надежностью, знание D для того или иного пульсара позволило бы сразу же определить точное расстояние до него. В действительности, однако, это далеко не так. Осложняющим обстоятельством является то, что концентрация свободных электронов N_e меняется в различных областях межзвездной среды в довольно широких пределах (см. § 2).

Расчеты показывают, что в зонах Н I, занимающих большую часть межзвездной среды, N_e 3 10^-2. Это значение overlineN_e можно принять как среднюю электронную концентрацию в межзвездной среде, большая часть которой соответствует зонам неионизованного водорода Н I. С этим значением N_e и определяется сейчас расстояние до пульсаров по измеренной для них мере дисперсии, хотя такой метод в отдельных случаях может давать большие ошибки. Так, наличие очень слабой, оптически не наблюдаемой зоны H II, случайно проектирующейся на пульсар, может сделать оценку расстояния до него по измеренной мере дисперсии сильно завышенной.

Надежнее всего расстояния до отдельных пульсаров определяются по наличию в их радиоспектре линии поглощения межзвездного водорода 21 см. В этом случае применяется обычный в радиоастрономии метод, основанный на том, что межзвездный водород концентрируется к рукавам спиральной структуры Галактики (см. § 3). Однако возможности этого метода пока сильно ограничены, так как он требует, чтобы поток радиоизлучения от пульсара был довольно значительным. Только для очень немногих пульсаров расстояния были получены таким методом.

До сих пор мы не учитывали наличия мелких неоднородностей в межзвездной плазме, которые приводят к сильному рассеиванию радиоволн. Выше мы уже неоднократно говорили о важном явлении сцинтилляции радиоизлучения пульсаров. Теперь мы остановимся на этом явлении несколько подробнее.

Рис. 21.6: Схема, поясняющая сцинтилляцию радиоизлучения пульсаров.

В принципе сцинтилляции объясняются интерференцией излучения пульсара. Благодаря рассеянию на неоднородностях плазмы к наблюдателю одновременно приходит множество лучей, у которых «оптические пути» различны. Схематически это видно на рис. 21.6. На этом рисунке неоднородности в межзвездной среде (играющие роль «дифракционного экрана») для простоты изображены находящимися на одном определенном расстоянии z от наблюдателя. В действительности, конечно, они заполняют все пространство между источником и наблюдателем. Так как разность хода между различными лучами сильно зависит от длины волны, то из-за их интерференции будут наблюдаться значительные колебания интенсивности в смежных спектральных участках. Кроме того, движение наблюдателя или источника относительно «облаков» неоднородности межзвездной среды также будет приводить к изменению оптических путей лучей, что в свою очередь будет вызывать беспорядочные колебания яркости источника, наблюдаемые как сцинтилляции. Именно по этой причине из анализа сцинтилляции можно получить относительную скорость источника и неоднородностей, о чем шла речь в § 20. Если частота излучения растет, эффекты рассеяния на неоднородностях межзвездной плазмы уменьшаются и в конце концов для достаточно высоких частот пропадают совсем.

Рассмотрим теперь рис. 21.6, где через обозначен угол, в пределах которого рассеянное неоднородностями межзвездной среды излучение приходит к наблюдателю. Положим теперь, что размеры неоднородностей равны a, избыточная электронная концентрация в них равна N_e, а толщина области, где сосредоточены неоднородности, равна L. Можно показать, что имеет место соотношение

(21.5)

где r₀ e²/mc² = 10^-12 см² — классический радиус электрона.

Применение простой теории дифракции по схеме, представленной на рис. 21.6, к реальным сцинтилляциям радиоизлучения от пульсаров позволяет определить размеры неоднородностей a, которые порядка 10¹¹ см, а также избыточную электронную концентрацию в этих неоднородностях N_e, которая оказывается 10^-4 см^-3. Такая очень мелкая «рябь» в межзвездной плазме, по-видимому, есть следствие ее возмущения потоками заряженных космических лучей.

Рис. 21.7: Расплывание импульсов на разных частотах.

Другим следствием дифракции радиоволн от пульсаров на неоднородностях межзвездной среды является большая длительность импульсов на низких частотах. Это объясняется различием в групповом запаздывании разных лучей, приходящих к наблюдателю в пределах угла . Из-за такого различия (которое может достигать нескольких миллисекунд) на низких частотах импульс как бы «расплывается», т. е. его можно наблюдать больший промежуток времени. На рис. 21.7 приведена картина такого расплывания импульса на разных частотах для пульсара PSR 1946+35.

Так как радиоизлучение пульсаров поляризовано, а межзвездная плазма намагничена, следует ожидать изменения поляризационных характеристик при прохождении этого излучения через среду. Наиболее интересным эффектом взаимодействия линейно поляризованного излучения и намагниченной плазмы является фарадеевское вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, длина которой , дается формулой

(21.6)

где выражена в метрах, H — составляющая магнитного поля межзвездной среды, параллельная направлению распространения волны, l — расстояние от источника радиоизлучения до наблюдателя, выраженное в парсеках. Сравнивая направление электрического вектора в волне Для двух частот, можно непосредственно из наблюдений найти произведение R = N_eHl, называемое «мерой вращения». С другой стороны, для того же пульсара также из наблюдений определяется «мера дисперсии» D = N_el. Отсюда непосредственно определяется среднее значение «продольной» составляющей вектора межзвездного поля

(21.7)

Таким образом, было измерено уже несколько десятков значений H, соответствующих направлениям на различные пульсары. Почти во всех случаях H оказывается порядка (2 3) 10^-6 Э. Из всех существующих в настоящее время методов измерения величины межзвездного магнитного поля (например, эффект Зеемана в линии 21 см, изучение небольшой оптической поляризации света звезд, вызванной межзвездными пылинками и др.) этот метод является самым надежным и наглядным.

Рис. 21.8: Распределение магнитного поля межзвездной среды по небу, полученное из анализа фарадеевского вращения радиоизлучения пульсаров (координаты галактические).

Если направление магнитного поля меняется, то изменится и направление вращения плоскости поляризации. Так как межзвездное магнитное поле не вполне хаотично, а частично упорядочено (например, его силовые линии имеют тенденцию вытягиваться вдоль спиральных рукавов Галактики), то можно ожидать, что для больших участков неба направление фарадеевского вращения будет одинаково. Результаты наблюдений, подтверждающие эту картину, приведены на рис. 21.8. Черные кружки означают, что среднее значение межзвездного магнитного поля в направлении на соответствующий пульсар направлено к наблюдателю, белые — от наблюдателя. Величина кружков пропорциональна напряженности межзвездного магнитного поля. Вместе с тем рис. 21.8 дает представление о возможностях современной пульсарной радиоастрономии. Таким образом, открытие пульсаров, безотносительно к их природе, дало астрономам мощный метод исследования различных свойств межзвездной среды.

После того как в предыдущих параграфах было рассказано об основных наблюдательных фактах, касающихся пульсаров, уместно перейти к обсуждению существующих теорий. В какой-то степени мы уже осветили раньше теоретический аспект проблемы пульсаров, когда обсуждалось их отождествление с быстро вращающимися нейтронными звездами. Несомненно, что это отождествление является выдающимся достижением современной астрономии. Но, конечно, мало доказать, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды. Необходимо понять причину их фантастически мощного электромагнитного излучения. Этот вопрос имеет принципиальное значение. Хотя феномен нейтронной звезды теоретически известен астрономам вот уже 40 лет, полной неожиданностью оказалась невероятно высокая активность этих объектов.

В § 19 уже говорилось, что спустя свыше 30 лет после теоретического обоснования необходимости существования нейтронных звезд и незадолго до открытия пульсаров Пиддингтон, Кардашев и вслед за ними Пачини пришли к выводу, что нейтронные звезды должны быстро вращаться и быть сильно намагниченными. Но каким же образом все-таки излучает радиоволны такой объект? Этот вопрос оказался далеко не простым. Надо прямо сказать, что на сегодняшний день не существует общепризнанной количественной теории радиоизлучения пульсаров. Сказанное не означает, что теоретики за 15 лет открытия пульсаров ничего не сделали в этой области. Несомненно, продвижение есть, и многое в какой-то степени прояснилось. Но задача эта на самом деле оказалась исключительно трудной. Слишком «экстремальны» физические условия в пульсарах. Их, например, невозможно в настоящее время моделировать в лабораторных условиях. Чудовищно высокая напряженность магнитного поля, о чем уже речь шла выше, радикально меняет картину распространения радиоволн в плазме. Наконец, большой теоретической проблемой является понимание структуры физических условий недр нейтронной звезды. Грубая модель обсуждалась выше. Но очень важно и вместе с тем необычайно трудно понять причину «звездотрясений», да и вращение сверхтекучего тела вокруг своей оси ставит немало проблем. Ведь из-за отсутствия вязкости и «сцепления» между частицами такое вещество, казалось бы, не должно вращаться как твердое тело...

Итак, нерешенных проблем в физике нейтронных звезд более чем достаточно. Поэтому, освещая современное состояние теории пульсаров, мы будем останавливаться только на самых простых и хорошо апробированных положениях. Заметим, однако, что даже и здесь отсутствует единство взглядов ученых и однозначность в истолковании результатов наблюдений.

Прежде всего следует сказать хотя бы несколько слов об ожидаемых теоретических свойствах нейтронных звезд. Сама возможность существования нейтронных звезд как стабильных конфигураций, находящихся в состоянии равновесия под действием сил гравитации и давления, была высказана еще в 1934 г. американскими астрономами Цвикки и Бааде, которые предположили, что нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых звезд. Долгие годы после этого было совершенно не ясно, образуются ли действительно нейтронные звезды или они представляют собой только изящную математическую конструкцию. Между тем теоретики продолжали исследовать сверхплотное состояние звездного вещества. Уже давно стало ясно, что гипотетические нейтронные звезды не могут представлять собой однородной конфигурации, другими словами, физическое состояние нейтронной звезды должно меняться от ее периферии к центру. Нельзя также считать, что вещество такой звезды состоит только из очень плотно упакованных нейтронов. Во всей ее толще в качестве «примеси» к нейтронам должны быть протоны и электроны. Вблизи поверхности должны доминировать тяжелые ядра, а в самых центральных областях — сверхтяжелые элементарные частицы — гипероны, которые в условиях лабораторных экспериментов крайне нестабильны. Выяснилось, что эти ядра в наружных слоях нейтронной звезды должны образовывать кристаллическую решетку, т. е. периферия нейтронной звезды представляет собой твердое тело. Между тем внутренние ее слои должны представлять собой сверхтекучую жидкость.

Рис. 22.1: Схема внутреннего строения нейтронной звезды.

Следует подчеркнуть, что при построении модели нейтронной звезды теоретики столкнулись с большими трудностями, связанными главным образом с недостаточностью наших знаний о природе ядерных сил, действующих между частицами, образующими нейтронную звезду. Тем не менее «полукачественную» модель нейтронной звезды все же удалось построить. На рис. 22.1 схематически показана стратификация вещества в нейтронной звезде, как она представляется в настоящее время. Вблизи поверхности вещество состоит главным образом из очень плотно «упакованных» ядер железа. Кроме того, там имеется сравнительно небольшое количество ядер гелия и других легких элементов, а также очень плотный вырожденный электронный газ, подобный тому, какой имеется в недрах белых карликов (см. § 10). Присутствие электронов необходимо для компенсации положительного объемного заряда ядер. По мере продвижения в глубь нейтронной звезды ее плотность растет и электроны как бы «вдавливаются» в ядра. При этом образуются богатые нейтронами ядра, более тяжелые, чем ядра железа. При плотности вещества около 3 10¹¹ г/см³ эти тяжелые ядра перестают быть устойчивыми. Они начинают выбрасывать нейтроны и постепенно по мере продвижения в глубь вещество становится смесью очень плотно упакованных нейтронов, в то время как тяжелые ядра уже играют роль сравнительно небольшой «примеси». Наконец, при плотности около 5 10¹³ г/см³ тяжелые ядра совсем исчезают. При больших плотностях, уже приближающихся к ядерной плотности, вещество состоит преимущественно из очень плотно упакованных нейтронов со сравнительно небольшой примесью протонов и электронов. При плотности 3 10¹⁴ г/см³ концентрация заряженных элементарных частиц — протонов и электронов — составляет еще несколько процентов от концентрации нейтронов. Наконец, в самых центральных областях нейтронной звезды появляются и начинают играть существенную роль гипероны (прежде всего сигма-минус-гипероны, обозначаемые символом ^-), а также мю-мезоны, которые вместе с нейтронами, электронами и протонами являются там доминирующими частицами. Не исключено, что в самых центральных областях нейтронной звезды вещество состоит из очень плотно упакованных кварков. Следует, однако, подчеркнуть, что физические условия в самых центральных областях нейтронной звезды известны сейчас особенно плохо. Слишком еще несовершенны наши знания о характере взаимодействия этих частиц в столь необычных условиях.

Недостаточность знаний физических условий в самых центральных областях нейтронных звезд делает пока далекими от совершенства их модели, т. е. построение теоретической зависимости радиусов нейтронных звезд от их массы. Тем не менее кое-какие результаты теоретиками уже получены. Например, оказалось, что чем меньше масса нейтронной звезды, тем больше ее радиус.

В этой связи следует подчеркнуть, что теория еще не может указать на область допустимых значений масс нейтронных звезд, хотя большая часть специалистов полагает, что массы их должны быть сравнительно невелики, в пределах 0,15 1,5M. Этот важный вопрос пока еще далек от ясности.

Рис. 22.2: Теоретическая зависимость радиуса и момента инерции нейтронных звезд от их массы.

На рис. 22.2 приведена од на из существующих моделей нейтронных звезд, дающая зависимость их радиуса от массы. Для масс больших, чем 1M, разные модели дают разные зависимости R(M), что объясняется незнанием точного уравнения состояния вещества для плотности, превышающей 10¹⁵ г/см³ (сравните с зависимостью «масса — радиус» для белых карликов на рис. 10.1).

Большой интерес представляют уже упоминавшиеся в предыдущем параграфе «звездотрясения», т. е. скачки в периоде пульсаров PSR 0831—45 (Паруса X) и NP 0531 (Краб). У первого пульсара наблюдались два таких скачка, разделенных промежутком времени больше двух лет, причем относительное изменение периода достигало 10^-6. У NP 0531 такие скачки значительно меньше. Вероятнее всего «звездотрясения» связаны со скачкообразным изменением момента инерции вращающейся нейтронной звезды. Такое изменение может быть достигнуто, если нейтронная звезда уменьшает свой радиус на величину 0,01 см. Как можно понять такое явление?

Из-за быстрого вращения равновесной конфигурацией нейтронной звезды должна быть фигура, близкая к эллипсоиду вращения. Но вследствие непрерывного замедления вращения должны меняться параметры этого эллипсоида (он должен становиться все менее сплюснутым). Однако жесткость твердой «коры» нейтронной звезды препятствует «плавному» изменению ее фигуры. По этой причине в коре накапливаются упругие натяжения, и после достижения предела прочности происходит скачкообразная деформация коры, носящая характер сдвига. Таким образом, изучение «звездотрясений» позволяет глубже понять свойства нейтронных звезд.

На рис. 22.2 приведена также теоретически рассчитанная характеристика нейтронной звезды — ее момент инерции I, определяющий кинетическую энергию вращения (E = , где  — угловая скорость). Для допустимых значений массы нейтронных звезд (0,15 < M < 1 2M) 7 10⁴³ < I < 7 10⁴⁴ г/см².

Из наблюдаемого увеличения периодов пульсаров со временем можно получить , а следовательно, и = .

Скорость уменьшения кинетической энергии вращения пульсара

(22.1)

Первая задача физики пульсаров — понять, почему вращающиеся нейтронные звезды тормозятся, тем самым непрерывно выделяя энергию. Простейшее объяснение этого явления сводится к тому, что нейтронные звезды сильно намагничены. Тогда вращающаяся нейтронная звезда, находящаяся в вакууме, будет излучать магнитно-дипольное излучение, частота которого равна частоте вращения, а мощность определяется формулой

(22.2)

где  — угол между магнитной осью и осью вращения, H₀ — напряженность магнитного поля на поверхности пульсара. Например, пульсар в Крабовидной туманности NP 0531, для которого = 200 с^-1, = 2,4 10^-9, теряет энергию = 3 10³⁸ эрг/с. Если причина торможения — магнитно-дипольное излучение, то, приравнивая = L_m, найдем, что H₀ 3 10¹² Э. Другой причиной торможения этого пульсара может быть излучение им гравитационных волн (см. § 24). Для этого надо только предположить, что фигура нейтронной звезды слегка асимметрична, т. е. представляет собой трехосный эллипсоид. В этом случае мощность гравитационного излучения вращающейся нейтронной звезды определяется формулой

(22.3)

где I — момент инерции, а _e — эксцентриситет экваториального эллипса нейтронной звезды. Частота гравитационных волн, как оказывается, равна удвоенной частоте вращения.

Как видно из этой формулы, зависимость мощности гравитационного излучения от угловой скорости значительно более сильная, чем в случае магнитно-дипольного излучения. Поэтому заметный эффект может быть только у очень быстро вращающихся пульсаров, например, у NP 0531 (см. об этом в § 24). В том случае, когда центр магнитного диполя не совпадает с центром нейтронной звезды, излучение будет асимметричным. В этом случае звезда приобретет импульс отдачи в направлении от вращения. Не этим ли объясняются высокие скорости пульсаров?

Если бы торможение вращающихся нейтронных звезд было обусловлено их магнитно-дипольным излучением, то, как можно показать, ³. Между тем статистический анализ большого количества пульсаров с известными и дает эмпирическую зависимость ^3,4. У пульсара NP 0531, для которого и наблюдались особенно тщательно, эмпирическая зависимость имеет вид ^2,7. Это означает, что рассмотренная выше простая модель торможения намагниченных вращающихся нейтронных звезд недостаточна. И прежде всего предположение, что нейтронная звезда находится в вакууме, заведомо не выполняется. Тем самым задача становится значительно более сложной.

Вращающийся намагниченный проводник создает в окружающем пространстве электрическое поле. Составляющая этого поля, перпендикулярная к поверхности проводника, будет стремиться «вырвать» из него электроны и ионы. В реальных условиях нейтронной звезды напряженность электрического поля достигает огромных значений. К тому же температура поверхности нейтронной звезды достаточно высока. По этим причинам пространство вокруг нейтронной звезды заполнится большим количеством заряженных частиц, которые, двигаясь по силовым линиям магнитного поля, будут вместе с нейтронной звездой с той же угловой скоростью вращаться вокруг ее оси. Такое «твердотельное» вращение должно иметь место вплоть до некоторого критического расстояния от оси вращения, т. е. внутри цилиндра. Радиус этого цилиндра R₁ = c/ определяется условием, что на его поверхности скорость твердотельного вращения равна скорости света[ 54 ]. Однако если плотность плазмы вокруг нейтронной звезды достаточно велика, область ее твердотельного вращения будет меньше и определится условием равенства плотностей магнитной энергии и кинетической энергии плазмы.

Итак, вращающаяся намагниченная нейтронная звезда окружает себя довольно плотной магнитосферой, в электродинамическом смысле являющейся ее продолжением. Как показывают расчеты, электрические заряды в магнитосфере нейтронной звезды должны быть разделены, т. е. там должны быть значительные объемные заряды. Плотность зарядов определяется формулой

(22.4)

Например, на поверхности пульсара NP 0531, где H 3 10¹² Э, a = 200 с^-1, n_-- n₊ 10¹³ см^-3, т. е. довольно значительная. Конечно, полная плотность плазмы около поверхности этого пульсара должна быть гораздо больше.

Рис. 22.3: Схема строения магнитосферы пульсара. Rc — радиус светового цилиндра.

Заряженные частицы, предварительно ускорившись электрическим полем до релятивистских энергий, будут «вытекать» из магнитосферы на бесконечность по «открытым» силовым линиям, причем заряды разных знаков будут вытекать по разным линиям. На рис. 22.3 приведена схема магнитосферы пульсара для простейшего случая, когда магнитная ось совпадает с осью вращения. В случае, когда оси не совпадают, качественно структура магнитосферы остается такой же.

Около светового цилиндра, который пересекают уходящие в бесконечность магнитные силовые линии, последние уже сильно деформированы потоками вытекающей из магнитосферы пульсара релятивистской плазмы. Поток энергии частиц и магнитного поля, вытекающей через световой цилиндр, можно приближенно оценить формулой

(22.5)

где _p = c² — плотность энергии релятивистских частиц. Если магнитное поле дипольно, то H = H₀R³/R₁³; следовательно,

(22.6)

т. е. получается формула, сходная с формулой для мощности магнитно-дипольного излучения в вакууме (22.2). Но, конечно, физическое содержание ее другое: основная часть энергии покидает магнитосферу пульсара в форме потока релятивистских частиц.

Теория позволяет найти только поток энергии этих частиц. Без дополнительных предположений нельзя оценить количество вытекающих из магнитосферы пульсара частиц и среднюю энергию каждой частицы, не говоря уже об энергетическом спектре этих частиц. Рассмотрим конкретно ситуацию в случае пульсара NP 0531. Формула (22.4) в сочетании с законом изменения (n_-- n₊) как R^-3 позволяет определить нижнюю границу потока заряженных частиц через поверхность светового цилиндра этого пульсара:

(22.7)

С другой стороны, несомненно, что источником энергии излучения всей Крабовидной туманности, мощность которого 10³⁸ эрг/с, является корпускулярное излучение пульсара NP 0531. Далее, примем во внимание, что энергия релятивистских электронов, находящихся в туманности, лежит в пределах 10¹⁰—10¹⁴ эВ. Отсюда следует, что поток заряженных частиц через световой цилиндр будет 10³⁶—10⁴⁰, а концентрация их там 10⁹—10¹³ см^-3, т. е. довольно значительная величина.

Таким образом, логическим следствием электродинамики намагниченных вращающихся нейтронных звезд является неизбежность образования вокруг них мощной протяженной магнитосферы со значительным разделением зарядов. Столь же неизбежен вывод о необходимости «пульсарного ветра», т.е. потоков заряженных частиц, вытекающих из магнитосферы по уходящим в бесконечность силовым линиям. Заметим, что этот вывод отнюдь не является тривиальным. До открытия пульсаров молчаливо предполагалось, что атмосферы нейтронных звезд должны иметь совершенно ничтожную протяженность. Например, даже при температуре такой атмосферы 10⁶ К высота однородной водородной атмосферы, вычисленная по известной барометрической формуле h = kT/m_Hg = kTR²/m_HGM, равна 1 см (g = GM/R² — ускорение силы тяжести на поверхности нейтронной звезды). Столь малое значение h означало бы, что плотность атмосферы нейтронной звезды падала бы практически до нуля на расстоянии в несколько десятков сантиметров. В то же время огромный гравитационный потенциал нейтронных звезд является причиной образования вокруг них очень глубокой «потенциальной ямы», куда должен стекаться межзвездный газ. При некоторых упрощающих предположениях из формулы, описывающей распределение плотности в окрестностях нейтронной звезды, следует, что при r = R = 10⁶ см и T 10⁴n 10⁴n, наличие «пульсарного ветра» существенно меняет эту картину. В частности, в такой магнитосфере могут происходить процессы, сопровождаемые неравновесным радиоизлучением огромной мощности.

Перейдем теперь к анализу самых общих характеристик этого радиоизлучения. Речь пойдет о природе «окна» излучения, синтетического профиля импульсов, а также о тех характерных вариациях поляризации излучения, которые были описаны в § 21. Что касается природы «окна», то она в основном объясняется «эффектом маяка» (см. рис. 20.1). Это сравнение очень точно. Пучок излучения от некоторого яркого «пятна», жестко связанного с вращающейся нейтронной звездой, описывает в пространстве гигантский конус. Когда пучок проходит через наблюдателя, последний фиксирует импульс радиоизлучения. Геометрической характеристикой пучка является его диаграмма направленности. В предельных случаях последняя может быть «карандашной» или «веерной» (рис. 22.4). В первом случае угловые размеры пучка по всем направлениям приблизительно одинаковы. Во втором случае угловые размеры пучка по одной координате сравнительно невелики, между тем как по другой координате, перпендикулярной к первой, они могут быть равны 360°. С точки зрения механизмов излучения, могут реализовываться как «карандашные», так и «веерные» диаграммы.

Рис. 22.4: Схема «карандашной» (слева) и «веерной» диаграмм направленности излучения.

Из наблюдения профиля импульсов следует, что ширина «окна» около 9° (см. § 21). Однако, как правило, эти профили имеют довольно богатую структуру, в частности, они состоят из значительно более узких субимпульсов. Возникает вопрос: чем объясняются эти субимпульсы? В принципе имеются две возможности объяснения этого эффекта: а) излучение исходит из одной очень маленькой области, жестко связанной с вращающейся нейтронной звездой. В этом случае субимпульсы следует объяснить сложным, как бы «изрезанным» характером диаграммы излучения; б) излучение каждого субимпульса исходит из определенного «пятна» на вращающейся нейтронной звезде и имеет простую (т. е. не «изрезанную») диаграмму. Наличие нескольких субимпульсов означает, что излучающие «пятна» разбросаны по довольно значительной области вращающейся нейтронной звезды. Тот факт, что субимпульсы имеют тенденцию сохранять свою «индивидуальность» в течение нескольких периодов вращения и, кроме того, имеют определенную поляризацию, говорит в пользу второй возможности. Таким образом, характерным «элементом» радиоизлучения пульсара является субимпульс, диаграмма излучения которого проста, а состояние поляризации определенно. Наблюдаемый профиль пульсара определяется последовательностью таких субимпульсов, проходящих через пульсарное «окно».

Рис. 22.5: Изменения вектора поляризации оптического излучения пульсара NP0531.

При такой интерпретации относительная длительность импульсов определяется протяженностью области, где находятся излучающие «пятна». Что касается «интеримпульсов», наблюдаемых у некоторых пульсаров, то они объясняются «пятнами», находящимися совсем в другой (почти диаметрально противоположной) области вращающейся нейтронной звезды. Наблюдаемое у пульсара в Крабовидной туманности (а также у некоторых других пульсаров) сравнительно слабое излучение между импульсами следует объяснить распределением излучающих областей по большому объему в окрестностях нейтронной звезды.

Какая же причина «держит» излучающие пятна в строго определенных областях вокруг вращающейся нейтронной звезды? Очевидно, что такой причиной может быть только очень сильное магнитное поле. Естественно также связать наблюдаемую поляризацию и ее изменения по мере прохождения субимпульсов через пульсарное «окно» с изменением ориентации магнитного поля по отношению к наблюдателю из-за вращения нейтронной звезды.

Очень большие и характерные изменения направления вектора поляризации оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности (рис. 22.5) и радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 (рис. 22.6) проще всего объяснить «карандашной» диаграммой. В обоих этих случаях через пульсарное «окно» проходит, по существу один субимпульс; следовательно, излучение исходит от сравнительно небольших излучающих пятен. Вероятнее всего, что эти «пятна» связаны с магнитными полюсами соответствующих нейтронных звезд. Расчеты, которые мы здесь приводить не будем, показывают, что вращение вектора магнитной оси полностью объясняет наблюдаемые быстрые вариации направления поляризации. Применительно к пульсару в Крабовидной туманности эта теория дает интересную дополнительную информацию. Из скорости изменения направления линейной поляризации оптического излучения этого пульсара следует, что его магнитная ось почти перпендикулярна к оси вращения, причем наименьший угол, образуемый магнитной осью с лучом зрения, равен всего лишь 2°. Любопытно отметить, что радиоизлучение от пульсара в Крабовидной туманности не показывает таких закономерных изменений направления поляризации, как оптическое излучение.

Рис. 22.6: Изменения вектора поляризации радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 за время наблюдения одного импульса.

Как же образуются пучки направленного излучения, которые вращаются в пространстве, будучи «привязаны» к вращающейся нейтронной звезде? Как это ни странно, на этот четкий вопрос однозначного ответа пока нет. Разные группы исследователей придерживаются разных мнений.

Так, например, первый астроном, понявший природу пульсаров, Голд, образование пучка излучения связывает с магнитосферой нейтронной звезды, жестко с нею соединенной и вместе с ней вращающейся. Гипотеза Голда ясна из схемы, изображенной на рис. 20.1. Ионизованный газ (плазма) находится в магнитосфере пульсара и вращается вместе с последней с той же угловой скоростью, что и нейтронная звезда. По мере приближения (изнутри) к поверхности «светового цилиндра» скорость вращения приближается к скорости света. При этом в силу эффекта специальной теории относительности, вращающиеся вокруг оси нейтронной звезды электроны плазмы будут излучать частоты, близкие к частоте (E/mc²)², где E = mc² = mc² — энергия электронов, вращающихся со скоростью 3, достаточно близкой к c. Релятивистские заряженные частицы всегда излучают внутри некоторого конуса, ось которого совпадает с вектором их мгновенной скорости, а угловой «раскрыв» = mc²/E. Всегда можно представить, что около поверхности светового цилиндра плазма распределена не равномерно, а концентрируется в отдельных облаках. Последнее обстоятельство и объясняет наличие пучков излучения.

В какой-то мере сходную «кинематическую» картину радиоизлучения пульсаров развивали и другие авторы, особенно В. В. Железняков и Г. Смит. Согласно этой картине в магнитосфере пульсара вблизи светового цилиндра имеется область, заполненная плазмой, являющейся источником неравновесного, почти изотропного радиоизлучения. При твердотельном вращении магнитосферы вместе с находящимся в ней облаком из-за эффекта Доплера будет резко увеличиваться частота излучения, когда последнее направлено к наблюдателю. При этом очень сильно будет меняться интенсивность излучения. Таким образом, с точки зрения внешнего наблюдателя такое излучение будет остронаправленным.

Несомненным достоинством «кинематических» теорий радиоизлучения пульсара является возможность непринужденного объяснения одинаковости диаграммы излучения для разных частот. Особенно это относится к пульсару в Крабовидной туманности, импульсы рентгеновского излучения которого практически одновременны с импульсами радиоизлучения. Однако объяснить поляризацию излучения пульсаров и характерные изменения ее со временем очень трудно в рамках только одного «кинематического» механизма.

Совершенно другую геометрию излучения предложили Радхакришнан и Кук. В развитой ими картине излучение вовсе не обязательно связывать с поверхностью светового цилиндра. Излучающим агентом также являются релятивистские электроны, но они релятивистские «сами по себе», а не потому, что движутся (вращаются) с почти световой скоростью, находясь около поверхности светового цилиндра (как в модели Голда). Релятивистские электроны в картине Радхакришнана — Кука движутся в области магнитных полюсов нейтронной звезды и излучают благодаря некоторой модификации синхротронного механизма. В отличие от обычного синхротронного механизма, где релятивистские электроны движутся по спирали вокруг магнитных силовых линий, причем угол между векторами скорости и поля достаточно велик, здесь электроны движутся практически точно по силовым линиям, а излучают только благодаря кривизне последних. В этом смысле рассмотренный выше механизм Голда также, конечно, является синхротронным.

Хотя применение «обобщенного» (так называемого изгибного) синхротронного механизма к радиоизлучению пульсаров представляет несомненный интерес, так как довольно непринужденно объясняет важнейшее его свойство, а именно — направленность, при более детальном рассмотрении обнаруживаются серьезные трудности. Дело в том, что ширина пучков, определяющая длительность субимпульсов, должна хотя и слабо, но все же зависеть от частоты излучения. Ничего подобного, однако, не наблюдается. На всех частотах длительность субимпульсов одинакова. Имеются также серьезные расхождения между наблюдаемыми свойствами поляризации пульсарного радиоизлучения и ожидаемыми согласно той или иной модификации синхротронного механизма.

Резюмируя, следует сказать, что общепринятой теории радиоизлучения пульсаров пока еще нет, хотя отдельные ее элементы, по-видимому, имеются. Вся сложная картина радиоизлучения пульсаров должна определяться совокупным влиянием большого числа факторов: сильного магнитного поля, коллективным взаимодействием заряженных частиц и полей и, конечно, движением плазмы с релятивистской скоростью около внутренней границы светового цилиндра.

До сих пор мы в основном обсуждали вопрос о «геометрии» излучения. Теперь следует остановиться на тех физических процессах, которые могут быть его причиной. Прежде всего рассмотрим вопрос о мощности излучения пульсаров. Последнюю можно найти, измеряя поток излучения во всем радиодиапазоне в течение импульса, зная отношение длительности импульса и период у пульсара и задаваясь видом диаграммы излучения (карандашная, веерная). Полученная таким образом мощность для разных импульсов меняется в очень широких пределах — от 10²⁷ до 10³¹ эрг/с или, соответственно, от 10¹⁴ до 10¹⁸ МВт. Эту мощность любопытно сравнить с совокупной мощностью всех земных радио- и телепередатчиков, работающих в том же диапазоне частот, которые при условии, что они работают одновременно, излучали бы несколько тысяч мегаватт. Как видим, естественные космические радиопередатчики неизмеримо мощнее искусственных земных.

Особняком стоит пульсар в Крабовидной туманности. Наряду с радиоизлучением, средняя мощность которого 10³¹ эрг/с (на короткое время она иногда увеличивается в сотню раз), этот пульсар излучает также в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Мощность его оптического излучения, которое отличается удивительной стабильностью, достигает 10³⁴ эрг/с, что в 2,5 раза превосходит мощность излучения Солнца. Но основная мощность излучается этим пульсаром в рентгеновском и гамма-диапазонах. Излучаемая мощность в «жестких» квантах этого диапазона достигает значения 3 10³⁷ эрг/с, что в десять тысяч раз превосходит мощность излучения Солнца на оптических частотах и близка к мощности излучения звезд-гигантов на частотах оптического, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.

Представляет интерес оценить для пульсаров мощность излучения единицы объема в излучающей области. Учитывая геометрию пульсаров, можно сделать вывод, что протяженность излучающей области «в глубину» не может превосходить радиуса светового цилиндра. С другой стороны, из длительности импульсов следует, что проекция этой области на поверхность нейтронной звезды должна иметь линейные размеры порядка нескольких десятых ее радиуса. Отсюда, в частности, следует, что у пульсара в Крабовидной туманности объем излучающей области не превосходит 10²³ см³. Поэтому излучаемая единицей объема мощность в рентгеновском и гамма-диапазонах у этого пульсара превосходит 10¹⁴ эрг/см³ с. Это фантастически большая величина, в миллиарды раз превосходящая мощность генерации термоядерной энергии в единице объема звездных недр.

Важной характеристикой интенсивности излучения является яркостная температура (см. § 4). Если для оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности яркостная температура близка к десяти миллиардам кельвинов, а в рентгеновском диапазоне она равна «всего лишь» сотне тысяч кельвинов, то в радиодиапазоне она достигает огромной величины 10²⁸ кельвинов!

Непомерно мощное радиоизлучение пульсара в Крабовидной туманности (а также всех других пульсаров) совершенно исключает возможность его объяснения суммой независимо излучающих заряженных частиц, как это имеет место в случае синхротронного или теплового излучения. С аналогичной ситуацией астрономы встретились еще в сороковых годах, когда радиоастрономические наблюдения обнаружили гигантские всплески солнечного радиоизлучения. Изучение этого интересного явления заставило сделать вывод, что оно возникает при упорядоченных «когерентных» движениях электронов в сравнительно больших объемах плазмы. При таких упорядоченных движениях элементарных зарядов складываются амплитуды излучаемых ими элементарных электромагнитных волн. Следовательно, интенсивность результирующей электромагнитной волны от всей системы излучающих зарядов (пропорциональная квадрату результирующей амплитуды) будет в огромное число раз больше суммы интенсивностей элементарных волн, излучаемых отдельными зарядами. В лабораторных условиях хорошим примером радиоизлучения упорядоченно (когерентно) движущихся электрических зарядов являются обычные передающие антенны. Например, передающая антенна с эффективной поверхностью в десять тысяч квадратных метров может излучать мощность в несколько мегаватт. Если бы вся поверхность, окружающая магнитосферу пульсара в Крабовидной туманности, была покрыта такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы всего лишь 10⁹ МВт, т. е. в десять миллиардов раз меньше мощности радиоизлучения этого пульсара. Даже если бы весь объем его магнитосферы был плотно заполнен такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы в сотню тысяч раз меньше наблюдаемой! Этот пример демонстрирует всю ничтожность творения рук и мозга людей по сравнению с естественными процессами в природе.

Исключительно высокая яркостная температура может быть реализована также и в том случае, когда механизм радиоизлучения представляет собой некоторую разновидность процесса мазерного усиления. В § 4 мы уже познакомились с естественными космическими мазерами, которые так неожиданно оказались связанными с процессом звездообразования. В этом случае мазерное усиление имеет место только для узкого интервала частот, соответствующего радиолиниям молекул OH и H₂O. Однако процесс мазерного усиления при некоторых условиях может происходить и в очень широком спектральном интервале, совершенно не связанном с той или иной радиолинией.

Следует еще раз подчеркнуть необычность условий, в которых имеет место генерация и распространение радиоволн. Например, напряженность электрического поля в пульсарном излучении в области генерации доходит до нескольких миллиардов вольт/метр. Отсюда непосредственно следует вывод, что это «собственное» электрическое поле «само по себе» ускоряет «породившие» его электроны до релятивистских энергий. В этой сложной ситуации такие элементарные понятия как показатель преломления, суперпозиция волн и др. уже теряют обычный смысл.

Резюмируя, следует сказать, что радиоизлучение пульсаров представляет собой некоторый когерентный процесс, возникающий в весьма необычных условиях. Для того чтобы такое излучение как-то возникло, необходимо, чтобы в магнитосфере пульсаров было достаточное количество свободных электронов. Необходимость существования свободных электронов в магнитосфере пульсаров следует из основных законов электродинамики (см. выше). Кроме того, имеется довольно мощный поток плазмы, вытекающий с поверхности нейтронной звезды. Это явление мы назвали «пульсарным ветром». Концентрация частиц в таком потоке может быть довольно значительной. Подробнее об этом мы уже говорили применительно к пульсару, находящемуся в Крабовидной туманности. К сожалению, при современном уровне теории неясно, в какой области магнитосферы пульсаров происходит генерация радиоволн. Это может быть слой около магнитных полюсов, непосредственно примыкающий к поверхности нейтронной звезды, или же далекая периферия магнитосферы около внутренней поверхности светового цилиндра. Предстоит еще очень большая работа как наблюдателей, так и теоретиков, чтобы природа радиоизлучения пульсаров, связанная с «активностью» нейтронных звезд, была понята.

Важной особенностью плазмы магнитосферы пульсаров является то, что она состоит не из электронов и положительных ионов (как обычная плазма), а из электронов и позитронов. Само образование такой плазмы можно себе представить следующим образом. Вблизи твердой поверхности сильно намагниченной быстровращающейся нейтронной звезды возникает электрическое поле с составляющей вдоль магнитного поля, отличной от нуля. Это поле вырывает из поверхностных слоев нейтронной звезды первичные заряженные частицы и ускоряет их до огромных значений энергии 10⁷—10⁸mc². Двигаясь вдоль искривленных магнитных силовых линий, эти частицы генерируют кванты гамма-излучения. В сильном магнитном поле нейтронной звезды каждый такой квант распадается на электрон и позитрон, которые, в свою очередь, порождают гамма-кванты «изгибного» излучения. Таким образом, в магнитосфере пульсара непрерывно образуются электронно-позитронные лавины, «питающие» находящуюся там плазму. Потоки этой специфической плазмы все время движутся с релятивистскими скоростями от поверхности нейтронной звезды наружу. Когерентно излучающие сгустки такой плазмы и являются «материальным носителем» радиоизлучения пульсаров.

Рис. 22.7: Спектр источника с синхротронной реабсорбцией.

Несомненно, что природа высокочастотного излучения пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности, радикально отличается от природы его радиоизлучения. Это ясно видно хотя бы из общего спектра электромагнитного излучения этого пульсара, приведенного на рис. 20.6. Радио- и высокочастотный спектры никак не «сшиваются», т. е. высокочастотное излучение (в котором, кстати сказать, заключена подавляюще большая часть энергии) никоим образом не является «продолжением» радиоизлучения этого пульсара. Кроме того, между ними имеется еще одно фундаментальное различие: высокочастотное излучение весьма постоянно, т. е. профиль импульсов не меняется со временем, радиоизлучение же переменно и по-другому поляризовано. Все факты говорят о том, что в то время как радиоизлучение NP 0531, так же, как и радиоизлучение других пульсаров, обусловлено неким, пока неизвестным «когерентным» механизмом, высокочастотное излучение есть сумма излучений отдельных релятивистских электронов, движущихся в магнитосфере пульсара, т. е. является синхротронным. Эго значительно упрощает задачу теоретического истолкования наблюдаемых свойств оптического и рентгеновского излучения NP 0531.

В основу теории высокочастотного излучения пульсара в Крабовидной туманности, по нашему мнению, следует положить знаменательный факт «завала» его спектра в ближней инфракрасной области. Какова причина этого явления? Автор настоящей книги еще в 1970 г. привел аргументы в пользу того, что этот «завал» следует объяснить явлением «синхротронной реабсорбции», в то время как само высокочастотное излучение пульсара NP 0531 объясняется обычным «синхротронным» механизмом, являющимся причиной основной части излучения Крабовидной туманности во всем диапазоне электромагнитных волн (см. § 17). Само явление синхротронной реабсорбции состоит в том, что при очень большой плотности релятивистских частиц космический объект перестает быть прозрачным для «собственного» синхротронного излучения. Эта непрозрачность начинается на некоторой частоте и прогрессивно растет в сторону низких частот. По этой причине интенсивность на низких частотах как бы «срезается» и синхротронный спектр источника приобретает вид, изображенный на рис. 22.7. На этом же рисунке для сравнения прерывистой линией изображен спектр того же источника при условии его прозрачности, т. е. при отсутствии синхротронной реабсорбции. Мы видим, что характер высокочастотного спектра пульсара в Крабовидной туманности (см. рис. 20.6) такой же, как у источника, где существенна синхротронная реабсорбция.

Значение частоты _m, начиная с которой эффект синхротронной реабсорбции становится существенным, тем выше, чем «компактнее» источник, т. е. прежде всего чем больше плотность находящихся там релятивистских электронов.

Угловые размеры источника синхротронного излучения, в спектре которого наблюдается синхротронная реабсорбция, определяются формулой

(22.8)

где () — безразмерный множитель порядка единицы, выражается в секундах дуги. Эта очень важная для радиоастрономии формула впервые была получена в 1963 г. советским радиоастрономом В. И. Слышем. Тогда она была особенно полезной для изучения природы только что открытых квазаров, радиоспектры которых часто показывают явление синхротронной реабсорбции на частотах, лежащих в диапазоне сотен и тысяч мегагерц (что соответствует дециметровым и сантиметровым волнам). Тот факт, что в случае пульсара в Крабовидной туманности _m 10¹⁴ с^-1 (сто миллионов мегагерц), сам по себе весьма поразителен. Он означает, прежде всего, что этот пульсар представляет собой «сверхкомпактный» источник.

Анализ показывает, что в области синхротронного оптического и рентгеновского излучения пульсара в Крабовидной туманности H 3 10³ Э, в то время как полное значение вектора напряженности магнитного поля там 10⁶ Э. Это означает, что излучающая область находится где-то вблизи светового цилиндра, радиус которого для пульсара NP 0531 равен 1,5 тысяч километров, что в 100—200 раз больше радиуса нейтронной звезды. По этой причине напряженность магнитного поля в области светового цилиндра в несколько миллионов раз меньше, чем на поверхности нейтронной звезды.

На основе теории синхротронного излучения можно вычислить концентрацию релятивистских электронов в магнитосфере пульсара NP 0531 и их поток в Крабовидную туманность. Оказывается, что этот поток как раз достаточен для непрерывного «питания» этой туманности энергией, необходимой для компенсации ее мощного излучения. Таким образом, синхротронная теория естественно объясняет оптическое и рентгеновское излучение едва ли не самого любопытного космического объекта. Что касается происхождения сверхжесткого гамма-излучения (см. сноску на стр. 616), то скорее всего оно обусловлено столкновениями между заряженными частицами, ускоренными до ультравысоких энергий электрическими полями в магнитосфере пульсара NP 0531.

Как уже указывалось во введении к этой книге, бурное развитие внеатмосферной астрономии, так же как и радиоастрономии, привело в послевоенные годы к революции в нашей науке. Пожалуй, наиболее впечатляющими достижениями внеатмосферной астрономии были выдающиеся успехи рентгеновской астрономии. Первые наблюдения рентгеновского излучения Солнца были выполнены сразу же после войны, в 1946 г., с помощью счетчиков фотонов, установленных на маленьких ракетах. Потребовалось, однако, целых 16 лет для того, чтобы прогресс техники таких наблюдений позволил обнаружить первый рентгеновский источник, находящийся далеко за пределами Солнечной системы. Низкая разрешающая способность, характерная для рентгеновской астрономии (в то время порядка десятка градусов), не позволила сразу же более или менее точно определить положение нового рентгеновского источника на небе. Возникло даже предположение, что этот довольно яркий источник находится в центре Галактики. Вскоре, однако, выяснилось, что этот источник ничего общего с галактическим центром не имеет, находится в созвездии Скорпиона и удален от галактической плоскости почти на 20°. Последнее обстоятельство указывало на сравнительную его близость к Солнцу. Ведь толщина «галактического диска» — области, где находится подавляющее большинство звезд,— не превосходит 500 пс, в то время как радиус этого диска доходит до 15 000 пс. Так как галактическая широта рентгеновского источника в Скорпионе около 20°, то вероятное расстояние до него не должно быть больше, чем 250/ sin 20° 750 пс. Такой простой способ грубой оценки расстояний до неизвестных галактических источников весьма распространен в астрономии. Вернемся теперь к космическим рентгеновским источникам.

Вновь открытый рентгеновский источник получил название «Скорпион Х-1», где буква «X» символизирует рентгеновское излучение («икс-лучи»). Аналогичная «номенклатура» для вновь открываемых источников была принята в первые бурные годы развития радиоастрономии. Самые яркие радиоисточники получили названия по созвездиям, где они были обнаружены: Лебедь А, Кассиопея А, Телец А, Дева А и т. д. До сих пор эти названия сохранились, хотя сейчас уже каждый астроном знает, что Телец А — это Крабовидная туманность, а Дева А — это гигантская сфероидальная галактика NGC 4486. Вскоре после открытия источника Скорпион Х-1 было обнаружено рентгеновское излучение от Крабовидной туманности — об этом уже шла речь в § 17, а также два новых источника в созвездии Лебедя, сразу же получившие названия Лебедь Х-1 и Лебедь Х-2.

В последовавшие после открытия источника Скорпион Х-1 8 лет развитие рентгеновской астрономии все еще было недостаточно быстрым. Наблюдения проводились на ракетах, причем запуски их были немногочисленны и более или менее случайны (исключение составило наблюдение покрытия рентгеновского источника в Крабовидной туманности Луной, о чем речь шла в § 17). Все же в этот период была получена весьма ценная информация о природе рентгеновских источников. Прежде всего обращает на себя внимание огромная величина потока рентгеновского излучения от источника Скорпион Х-1. В интервале энергии рентгеновских квантов 1—10 кэВ (длины волн порядка нескольких ангстрем) этот поток 3 10^-7 эрг/см². Примерно такой же поток (болометрический!) дает звезда седьмой видимой величины. Только в 1966 г. улучшившаяся техника рентгеноастрономических наблюдений дала возможность локализовать на небе источник в Скорпионе с точностью в несколько минут дуги, что сразу же позволило отождествить этот загадочный объект с довольно слабой и до того времени ничем не обращавшей на себя внимание звездой 13-й величины. К этому времени было обнаружено, что поток рентгеновского излучения от источника Скорпион Х-1 довольно сильно меняется: ото дня ко дню вариации потока достигают многих десятков процентов. Оптическая звездочка, отождествляемая с этим источником, также довольно беспорядочно меняет свой блеск (примерно от 12-й до 13-й звездной величины), причем эти изменения практически не связаны с изменениями рентгеновского потока (см., однако, ниже).

Спектр источника Скорпион Х-1 многократно измерялся и в области 1—20 кэВ хорошо представляется экспоненциальным законом

(23.1)

где E — энергия рентгеновских квантов, T — параметр, имеющий смысл температуры. Величина T порядка нескольких десятков миллионов кельвинов. Такой спектр бывает у очень горячей плазмы с температурой T, причем эта плазма должна быть прозрачна к собственному рентгеновскому излучению. Наряду с изменениями потока рентгеновского излучения наблюдаются одновременные изменения спектра, который, однако, сохраняет свой экспоненциальный характер. При таких изменениях характеризующая спектр температура меняется от 25 до 100 миллионов кельвинов! Следует, однако, заметить, что в области высоких энергий (E 50 кэВ) в спектре источника Скорпион Х-1 имеется довольно значительное избыточное излучение, заведомо не являющееся «продолжением» излучения горячей плазмы в этом спектральном диапазоне.

Оптический спектр звездочки, с которой отождествляется Скорпион Х-1, изображен на рис. 23.1. В ближней инфракрасной области спектральная плотность потока излучения растет с ростом частоты, а в видимой и ультрафиолетовой областях спектральная кривая идет почти горизонтально. Важную точку на спектральной кривой дали наблюдения в ультрафиолетовой области около 1500 A, выполненные методами внеатмосферной астрономии. Эта точка ложится на продолжение горизонтальной части кривой рис. 23.1. На этот яркий непрерывный спектр накладываются довольно слабые линии излучения бальмеровской серии водорода, гелия и ионизованных атомов углерода и кислорода. Интенсивности этих линий, равно как и их лучевые скорости, очень сильно меняются. Например, лучевые скорости за несколько часов колеблются в пределах многих сотен километров в секунду, меняя при этом свой знак. Это означает, что облака ионизованного газа, излучающего эти линии, иногда движутся с такой большой скоростью на наблюдателя, иногда — от него. Интересно, что лучевые скорости линий, принадлежащих разным элементам, различны и часто меняются в противоположной фазе. Все вместе это означает, что в окрестностях источника Скорпион Х-1 происходят бурные процессы, сопровождаемые выбросами довольно больших масс газа.

Рис. 23.1: Оптический и инфракрасный спектр источника Скорпион Х-1.

Основная часть непрерывного оптического спектра источника Скорпион Х-1 скорее всего является продолжением его рентгеновского спектра. Это означает, что как рентгеновское, так и оптическое излучение этого источника представляет собой обыкновенное тепловое излучение очень горячего газа, температура которого порядка нескольких десятков миллионов градусов. Но так как коэффициент поглощения такого газа сильно растет с уменьшением частоты излучения, то в близкой инфракрасной и в красной областях спектра он уже перестает быть прозрачным для собственного излучения. На этих частотах горячий газ должен поэтому излучать как абсолютно черное тело. В области частот, удовлетворяющих условию h < kT, зависимость интенсивности от частоты должна определяться классической формулой Рэлея — Джинса:

(23.2)

где R — радиус излучающей области, r — расстояние до источника. Действительно, из наблюдаемого спектра, приведенного на рис. 23.1, следует, что в инфракрасной и красной областях F T², как это и должно быть по закону Рэлея—Джинса. Зная T[ (3 5) 10⁷ K] и оценивая грубо r 500 пс, нетрудно получить оценку радиуса излучающей области R 10⁹ см, т. е. размеры источника рентгеновского излучения должны быть всего лишь около 10 000 км! Следовательно, это очень компактный объект. Из принятого нами значения r (которое, по причине высокой галактической широты источника, вряд ли может быть ошибочно больше, чем в два раза в ту или другую сторону) следует, что мощность рентгеновского излучения Скорпиона Х-1 (его «рентгеновская светимость») должна быть L_X 10³⁷ эрг/с, т. е. в 2—3 тысячи раз больше «полной» болометрической светимости Солнца! Если известны размеры источника, кинетическая температура заполняющей его горячей плазмы и теория ее излучения (которая очень хорошо и надежно разработана!), то не представляет труда оценить плотность частиц (электронов и ионов) в этой плазме. Эта плотность (вернее, концентрация) оказывается порядка 10¹⁶ см^-3 — величина достаточно большая, близкая к концентрации частиц в верхних слоях солнечной фотосферы. Наконец, если известны размеры источника и его плотность, то легко оценить полную массу газа, излучающего наблюдаемые от этого источника рентгеновские кванты. Эта масса по астрономическим масштабам совершенно ничтожна: всего лишь около 10²⁰ г, т. е. в сотню миллионов раз меньше массы земного шара. Запас тепловой энергии в этом плотном облаке плазмы около 10³⁶ эрг. Это означает, что «предоставленное самому себе» плазменное облако должно было высветиться за какую-нибудь десятую долю секунды! Так как этот источник наблюдается вот уже свыше 20 лет (а «живет» по крайней мере многие тысячи лет), то должен существовать какой-то непрерывный и притом очень мощный источник «накачки» энергии в горячую плазму. Горячее плазменное облако, которое каким-то образом, перманентно нагреваясь, излучает рентгеновские кванты — это только «второстепенная деталь» совершенно необычного космического тела, непосредственно не наблюдаемого.

Как видим, анализ рентгеновского и оптического излучения источника Скорпион Х-1 позволил получить ряд важных выводов о его природе и вскрыть его совершенно неожиданные, дотоле неизвестные в астрономии свойства. Этот источник по своим общим характеристикам оказался не уникальным. Приблизительно такие же свойства были обнаружены и у другого источника, Лебедь Х-2, отождествляемого с любопытной звездой 15-й величины.

Естественно, что сразу же после открытия галактических рентгеновских звезд теоретики стали размышлять об их природе и прежде всего об источниках огромной энергии их рентгеновского излучения. Уж такова натура теоретиков; хотя информация о рентгеновских звездах тогда была совершенно не достаточна (она и сейчас, мягко выражаясь, не избыточна...), недостатка в различных гипотезах и теориях не было. Не надо быть, однако, слишком строгим к теоретикам — они верны человеческой природе. Очень уж хотелось, и это так естественно, понять сущность этих удивительных объектов... В то время «в воздухе чувствовалось», что открытие нейтронных звезд уже не за горами. Напомним, что это было за несколько лет до открытия пульсаров. Первая идея объяснения природы нейтронных звезд была простая и, если можно так выразиться, «лобовая». Спектр наблюдаемого излучения не исключал возможности его тепловой природы, т. е. возможности описания его формулой Планка с температурой порядка десяти миллионов кельвинов. Однако идея о том, что рентгеновские источники — это горячие нейтронные звезды, быстро обнаружила свою несостоятельность (см. § 19).

«Новая эпоха» в рентгеновской астрономии качалась в декабре 1970 г., когда американцы с восточноафриканского полигона запустили на экваториальную орбиту специализированный рентгеновский спутник «Ухуру» (см. введение). Если до запуска этого спутника число известных космических рентгеновских источников было около 35, то после двух лет работы «Ухуру» число известных рентгеновских источников возросло почти до 200. При этом были зарегистрированы практически все источники, потоки от которых превышают одну тысячную потока от источника Скорпион Х-1 (в интервале энергий рентгеновских квантов от 2 до 20 кэВ). Наблюдаемые источники можно разделить на два класса. Источники первого класса имеют галактическую широту меньше 20°, источники второго класса — больше 20°. Как правило, самые интенсивные источники принадлежат к первому классу. Отсюда можно сделать вывод, что оба класса источников действительно представляют собой совершенно различные по своей природе объекты. В самом деле, если бы все рентгеновские источники представляли собой объекты сходной природы и находились в Галактике, то тогда источники, наблюдаемые в высоких галактических широтах, в среднем были бы к нам гораздо ближе. Но в таком случае они должны были бы быть более яркими. Такую картину мы наблюдаем в оптической астрономии: самые яркие звезды совершенно не концентрируются к Млечному Пути, между тем как слабые («телескопические») звезды очень сильно к нему концентрируются. «Высокоширотные» рентгеновские источники распределены по небу изотропно. Некоторые из них отождествляются с метагалактическими объектами — отдельными галактиками и скоплениями удаленных галактик. Поэтому можно сделать вывод, что по крайней мере часть «высокоширотных» рентгеновских источников суть весьма удаленные от нас метагалактические объекты. Что касается ярких источников, расположенных в низких галактических широтах (т. е. в полосе Млечного Пути), то подавляющее их большинство находится в нашей Галактике. Всего таких источников оказалось около 100. Из этого количества около 10 отождествляются с остатками вспышек сверхновых. Мы уже говорили о них в § 16. Основная же часть наблюдаемых галактических источников рентгеновского излучения должна принадлежать к совершенно особому классу объектов звездной природы, более или менее сходных с источниками Скорпион Х-1. В дальнейшем такие источники мы будем называть «рентгеновскими звездами». Следует различать два типа рентгеновских звезд. Первый тип концентрируется к галактической плоскости, что явно указывает на связь с молодыми массивными звездами. Ниже речь будет идти об объектах такого типа.

Рентгеновские звезды, помимо концентрации к галактическому экватору, обнаруживают явно выраженную концентрацию к галактическому центру: свыше половины их расположено в интервале долгот 60° по обе стороны галактического центра. Отсюда можно сделать вывод, что среднее расстояние до этих источников равно расстоянию от Солнца до галактического центра — около 10 000 пс. Этот вывод следует также из анализа спектров рентгеновских источников, находящихся в области созвездия Стрельца (это созвездие находится в направлении на галактический центр). У таких источников спектр часто обрывается со стороны низких энергий. Такой «обрыв» происходит из-за поглощения рентгеновского излучения межзвездным газом, причем для того, чтобы спектр оборвался у энергии квантов, равной 3 кэВ (как это наблюдается), нужно как раз такое количество межзвездных атомов, какое находится между Солнцем и центром Галактики.

Зная расстояние до таких источников ( 10 000 пс) и величину потоков рентгеновского излучения (которые непосредственно наблюдаются), можно сделать вывод, что мощности рентгеновского излучения у таких объектов доходят до 10³⁸ эрг/с, т. е. в десятки раз превосходят болометрическую светимость Солнца. Этот важный вывод подтверждается наблюдениями рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках — Магеллановых Облаках, расстояние до которых хорошо известно (60 000 пс). С другой стороны, из статистического анализа результатов наблюдений следует, что среди рентгеновских источников почти нет объектов, мощность излучения которых была бы 10³⁴—10³⁵ эрг/с. Если бы это было не так, то в Галактике наряду со сравнительно яркими источниками наблюдалось бы значительно большее количество слабых. Таким образом, рентгеновские звезды образуют в Галактике довольно ограниченную по мощности (10³⁹—10³⁸ эрг/с) и по численности ( 100 объектов) популяцию. Это означает, что большая часть всех существующих в Галактике рентгеновских звезд уже наблюдается. Подтверждением вывода о малочисленности рентгеновских звезд являются результаты наблюдения рентгеновского излучения от туманности Андромеды, которая регистрируется как довольно слабый источник. Как известно, эта туманность представляет собой гигантскую спиральную звездную систему, во многих отношениях сходную с нашей Галактикой. Учитывая, что туманность Андромеды удалена от нас на расстояние около 600 000 пс, можно найти по измеренной величине потока суммарную мощность всех находящихся в ней рентгеновских источников, которая оказывается около 2 10³⁹ эрг/с. Так как средняя мощность рентгеновского излучения источников около 10³⁷ эрг/с, то мы непосредственно получаем, что в туманности Андромеды имеется примерно сотня таких рентгеновских звезд (см. ниже).

Таким образом, можно сделать вывод, что рентгеновские звезды—чрезвычайно редкий феномен. В нашей Галактике, так же как и в туманности Андромеды, на миллиард «обычных» оптических звезд приходится только одна рентгеновская. Пожалуй, трудно назвать какую-либо другую популяцию в разнообразном «населении» Галактики, которая была бы так же редка. Разве только шаровые скопления по своей малочисленности могут сравниться с рентгеновскими звездами. Но шаровые скопления — это огромные агрегаты вещества, состоящие из сотен тысяч очень старых звезд, между тем как рентгеновские звезды — очень компактные объекты, несомненно, связанные с заключительным этапом эволюции звезд.

Выдающиеся по своей значимости результаты по исследованию рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках были получены на уже упоминавшейся ранее обсерватории «Эйнштейн». Чувствительность установленных там рентгеновских телескопов превосходила чувствительность детекторов «Ухуру» примерно в 1000 раз! Это дало возможность обнаружить в туманности Андромеды около сотни рентгеновских источников (рис. 23.2). В Большом и Малом Магеллановых Облаках также было обнаружено значительное количество рентгеновских источников. В Большом Магеллановом Облаке, богатом молодыми массивными звездами, найдено всего около 200 источников, а в Малом — свыше 20. Скорее всего, основная часть источников в Большом Магеллановом Облаке связана с молодыми, массивными звездами (см. ниже). Это означает, что в Магеллановых Облаках наблюдаются, в основном, источники I типа (см. стр. 696). Между тем у гигантской галактики М 31 в Андромеде, масса которой раза в 2 больше массы нашей Галактики, скорость образования молодых звезд из газово-пылевой среды невелика, что объясняет сравнительно небольшое количество обнаруженных там источников I типа.

Рентгеновские источники обнаружены и у галактик, более удаленных, чем туманность Андромеды. Например, 10 источников обнаружено в М 83 и 9 — в карликовой галактике М 33, находящейся в созвездии Треугольника. У более удаленных галактик пока нельзя наблюдать отдельные рентгеновские источники. Наблюдениям доступно только суммарное излучение всех источников, находящихся в данной галактике. На обсерватории «Эйнштейн» такое излучение удалось обнаружить от 35 из 43 исследованных галактик.

Рис. 23.2: Вверху: рентгеновские источники в туманности Андромеды (М 31). Внизу: рентгеновские источники в центральной части М 31 (фотография получена на обсерватории «Эйнштейн»).

Важной особенностью излучения рентгеновских звезд является их переменность. Как правило, потоки рентгеновского излучения меняются. Эти вариации потоков носят довольно разнообразный характер. У отдельных источников наблюдаются очень быстрые изменения потоков, носящие неправильный характер. Например, у одного из наиболее ярких источников Лебедь Х-1 существенные изменения потока происходят за время меньше 0,001 с! Уже один этот факт говорит о том, что линейные размеры таких источников должны быть меньше 0,001 световой секунды, т. е. < 300 км (1/20 земного радиуса). По-видимому, в действительности они значительно меньше. Хорошо изучены вариации потока у самого яркого источника Скорпион Х-1. У этого источника таких быстрых изменений потока, как у источника Лебедь Х-1, не наблюдается. Он может излучать на более или менее постоянном уровне в течение нескольких дней. За это время как оптический, так и рентгеновский поток от него меняется в пределах 20%, причем вариации оптического и рентгеновского излучения не связаны. На это «спокойное» излучение накладываются отдельные «вспышки», длящиеся по нескольку часов. Вспышки охватывают как оптический, так и рентгеновский диапазон. Во время вспышек потоки меняются в 2—3 раза, причем среднее значение потоков в этой «активной» фазе раза в два больше, чем в спокойной. Никакой периодичности вспышек не обнаружено. Одновременные оптические и рентгеновские наблюдения показали, что во время вспышек рентгеновское излучение источника Скорпион Х-1 становится более «жестким» (т. е. в его спектре доля энергичных квантов растет), а оптическое излучение становится более «голубым». Если исходить из развитой выше модели этого источника как компактного плазменного облака, то следует предположить, что во время вспышек температура плазмы и ее средняя плотность растут. Последнее обстоятельство приводит к тому, что для оптического излучения плазма становится непрозрачной для более коротких волн, отчего спектр становится более «голубым» (закон Рэлея—Джинса!).

Рис. 23.3: Кривая блеска рентгеновского излучения источника Центавр Х-3.

Пожалуй, самым выдающимся открытием, сделанным на «Ухуру», является обнаружение строгой периодичности вариации потока рентгеновского излучения от некоторых источников. Это открытие, как мы увидим дальше, дало ключ к пониманию природы рентгеновских звезд и для их «осмысленного» количественного исследования. До «Ухуру» исследования этих объектов носили характер бессистемного сбора наблюдательных данных. Суть открытия сводится к следующему.

Исследования вариаций потока от источника умеренной интенсивности Центавр Х-3 показали, что существуют два уровня излучения этого источника: «высокий» и «низкий». Когда уровень излучения «низкий», поток уменьшается раз в 10. Оба уровня излучения чередуются с удивительно точной периодичностью, равной 2,08707 дня. В течение этого периода источник наблюдается на «низком» уровне излучения около 0,5 суток (рис. 23.3). Объяснение такой строгой периодичности не представляет труда для астрономов. Рентгеновский источник Центавр Х-3 входит в состав двойной системы, причем плоскость орбиты наклонена под небольшим углом к лучу зрения. При движении рентгеновской компоненты этой двойной системы по своей орбите она будет периодически заходить за «нормальную» (т. е. «оптическую») компоненту, которая тем самым будет ее экранировать. По этой причине поток рентгеновского излучения на Земле резко уменьшится. Когда «затмение» рентгеновской звезды оптической закончится, первоначальный («высокий») уровень потока рентгеновского излучения восстановится. Аналогичное явление давно известно в оптической астрономии: речь идет о затменных переменных звездах, типичным представителем которых является знаменитая звезда Алголь.

Рис. 23.4: Пульсации потока рентгеновского излучения источника Центавр Х-3.

Рис. 23.5: Кривая лучевых скоростей пульсирующего рентгеновского источника Центавр Х-3.

Наряду с 2,08707-дневной периодичностью потока рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 была обнаружена и другая, гораздо менее тривиальная периодичность. Оказалось, что излучение этого источника носит характер периодических пульсаций, с периодом 4,84239 секунды! (рис. 23.4). В промежутках между такими очень короткими импульсами поток рентгеновского излучения уменьшается почти в 10 раз. Точные наблюдения показали, что сам период пульсаций плавно меняется с периодом 2,08707 дня по синусоидальному закону (рис. 23.5). Эти маленькие, но регулярные изменения периода пульсаций легко объясняются эффектом Доплера при орбитальном движении источника е постоянным периодом пульсаций. Это доказывается хотя бы тем наблюдаемым фактом, что скорость изменений периода пульсации обращается в нуль тогда, когда затмение достигает середины, т. е. когда направление орбитальной скорости рентгеновского источника перпендикулярно к лучу зрения (рис. 23.6). Из величины вариаций периода пульсаций, обусловленных орбитальным движением рентгеновской звезды, непосредственно, по известной формуле эффекта Доплера, находится значение орбитальной скорости, которая оказывается равной 415 км/с.

Рис. 23.6: Сравнение кривых лучевых скоростей пульсирующего источника Центавр Х-3 и кривой затмения.

Следует заметить, что часто «пульсирующая компонента» рентгеновского источника пропадает на несколько дней. В течение этого времени поток рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 уменьшается на порядок и становится примерно таким же, как при «затмениях», т. е. излучение источника остается на более или менее постоянном («низком») уровне. Затем короткие импульсы возобновляются без всякого сбоя в фазе. Эти сложные явления, по-видимому, связаны с механизмом самого рентгеновского излучения источника Центавр Х-3. Переход между двумя уровнями излучения происходит не резко, а длится около часа. В течение этого короткого «переходного» времени спектр становится значительно «жестче». Это указывает на наличие довольно протяженной атмосферы вокруг оптической компоненты двойной системы, которая, «находя» на рентгеновский источник, производит поглощение прежде, чем последний скроется за непрозрачным диском звезды. Длительность этой «переходной» стадии меняется, что указывает на нестационарность оболочки, окружающей оптическую звезду.

После нескольких неудачных попыток рентгеновский источник Центавр Х-3 был отождествлен со спектрально-двойной звездой 13-й величины. Эта звезда является переменной и обладает рядом особенностей. Основанием для такого отождествления послужило хорошее совпадение координат (в пределах 1 дуги), а главное — периодические изменения лучевых скоростей линий в спектре этой звезды, причем период в точности совпадает с орбитальным периодом Центавра Х-3. Указанные периодические изменения лучевых скоростей спектральных линий, без сомнения, вызваны, орбитальным движением оптической звезды. Анализ рентгеновских и оптических данных позволяет выяснить характеристики двойной системы Центавр Х-3. Это очень тесная пара звезд с почти круговой орбитой, радиус которой 6 10¹¹ см, что только в 8,7 раза превышает радиус Солнца. Оптическая звезда представляет собой объект довольно высокой светимости, масса которого около 15 солнечных масс, а радиус 5 10¹¹ см (в 7,2 раза больше солнечного). Это означает, что расстояние от рентгеновского источника до фотосферы оптической звезды всего лишь в 1,5 раза больше солнечного радиуса. Масса рентгеновской компоненты, линейные размеры которой невелики, порядка массы Солнца. При таком отношении масс обеих компонент двойной системы «большая» оптическая звезда заполняет свою «полость Роша» (см. § 14) и из малой области на ее поверхность должна вытекать струя газа, образующего вокруг компактной рентгеновской компоненты уплощенный диск.

Такова модель рентгеновского источника Центавр Х-3, которая логически вытекает из того факта, что рентгеновская звезда входит в состав тесной двойной системы. В истории астрономии двойные звезды сыграли большую роль. Например, только для двойных систем можно с достоверностью определить массы звезд. Явление новых звезд тесно связано с их двойственностью (см. § 14). С другой стороны, сама эволюция звезд в двойных системах отличается большим своеобразием (см. тот же параграф). Тот факт, что была обнаружена рентгеновская звезда в составе тесной двойной системы, позволяет получить не только ценнейшую информацию об основных характеристиках таких звезд, но и открывает возможность понять их природу. Сразу же напрашивается аналогия между 4,84-секундным периодом пульсаций рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 и радиопульсарами. Поэтому объекты, подобные источнику Центавр Х-3, сразу же получили название «рентгеновские пульсары». Аналогия между рентгеновскими и радиопульсарами имеет глубокий смысл, о чем будет идти речь ниже.

Рис. 23.7: Кривая блеска рентгеновской звезды в Малом Магеллановом Облаке.

Центавр Х-3 далеко не единственный рентгеновский источник, являющийся компонентой тесной двойной системы. В настоящее время количество таких источников порядка нескольких десятков. В частности, один рентгеновский источник, наблюдаемый в ближайшей к нам карликовой неправильной галактике — Малом Магеллановом Облаке (рис. 23.7), входит в состав двойной системы и имеет орбитальный период 3,4 дня. Кстати, заметим, что одна лишь эта звезда дает свыше 80% мощности всего рентгеновского излучения Малого Магелланова Облака — галактики хотя и «карликовой», но все-таки содержащей несколько миллиардов звезд.

Рис. 23.8: Кривая блеска рентгеновского излучения рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Рекордно короткий период наблюдается у замечательного рентгеновского источника Лебедь Х-3, о котором речь будет идти ниже. Его период равен всего лишь 4,8 часа. В высшей степени интересным «двойным» рентгеновским источником является Геркулес Х-1. Прежде всего этот источник оказался вторым (после Центавра Х-3) рентгеновским пульсаром. Период его пульсаций равен 1,2378 секунды — значительно короче, чем у источника Центавр Х-3, в то время как орбитальный период, полученный как из анализа рентгеновских «затмений» (рис. 23.8), так и из периодических вариаций периода пульсаций, обусловленных орбитальным движением пульсирующего источника (рис. 23.9), равен 1,70016 дня. Помимо этих двух характерных периодов (орбитального движения и пульсаций), источник Геркулес Х-1 имеет еще и третий, значительно более длительный период. Его длительность равна 35 дням (рис. 23.10). В течение 11 или 12 дней этот рентгеновский источник вполне надежно наблюдается, причем его поток меняется из-за «затмений» с периодом 1,70 дня. После этого он на 24 дня полностью «выключается». Интересно, что после периода невидимости этот рентгеновский источник «включается» очень быстро, всего лишь за несколько часов. В течение следующих трех дней после этого поток продолжает расти, но уже довольно медленно, а затем так же медленно и постепенно падает до нуля, после чего наступает 24-дневный период невидимости.

Рис. 23.9: Кривая изменений периода пульсаций рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Рис. 23.10: 35-дневный цикл «видимости» у рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Перед наступлением главного минимума, обусловленного затмением маленькой рентгеновской звезды оптической звездой, у источника Геркулес Х-1 наблюдается еще дополнительный минимум, глубина которого меняется с 11-дневным циклом видимости этого источника (см. рис. 23.10). При этом наблюдаются сильные изменения в спектре источника, его излучение становится значительно более жестким. Такого же характера изменения в спектре наблюдаются и при «включении» источника, между тем как при «выключении» источника никаких спектральных изменений не наблюдается. Все это говорит о том, что в системе источника Геркулес Х-1 имеется газ, производящий сильное поглощение мягкого рентгеновского излучения. В отличие от Центавра Х-3, где поглощающий газ сосредоточен в атмосфере вокруг оптической звезды, в случае Геркулеса Х-1 поглощение производится струями газа, участвующими в орбитальном движении, а также, возможно, газовым диском, окружающим рентгеновский источник. Спектр последнего в периоды, когда поглощение газа его не искажает, сам по себе довольно «жесткий». Если он обусловлен тепловым излучением плазмы, то температура ее должна во всяком случае превышать пятьдесят миллионов кельвинов. Скорее всего, однако, рентгеновское излучение от источника Геркулес Х-1 (также, как и от Центавра Х-3) не является тепловым.

Вскоре после того, как эти удивительные особенности источника Геркулес Х-1 стали известны, он был отождествлен с переменной звездой HZ Геркулеса, блеск которой колеблется в пределах 13—15 звездной величины. Эти изменения сопровождаются одновременными спектральными изменениями. Когда звезда более ярка, ее цвет более голубой. Последующие наблюдения (в частности, советских астрономов) показали, что изменение блеска HZ Геркулеса носит периодический характер, причем период в точности равен орбитальному периоду источника Геркулес Х-1, т. е. 1,70 дня. Минимум оптического блеска соответствует минимуму рентгеновского потока. Это означает, что на поверхности оптической звезды (спектральный класс которой F) всегда имеется довольно большое горячее пятно, обращенное к рентгеновскому источнику. Происхождение такого пятна объясняется совершенно естественно: мощное рентгеновское излучение нагревает поверхностные слои «оптической» звезды, обращенные к рентгеновскому источнику.

Почти круговая орбита рентгеновской звезды вокруг «оптической» следует из анализа данных наблюдений. Из вариаций 1,24-секундного периода пульсаций рентгеновского источника с периодом 1,70 дня получается его орбитальная скорость, равная 169 км/с. При этом радиус орбиты близок к 4 10¹¹ см или 5,7 солнечного радиуса, в то время как радиус «оптической» звезды HZ Геркулеса в два раза превышает солнечный. Масса звезды HZ Геркулеса в два раза превышает массу Солнца, а масса ее рентгеновского спутника около одной солнечной массы. Зная радиус HZ Геркулеса и температуру ее «темной» стороны, можно найти светимость этой звезды, а следовательно, ее абсолютную величину. Сравнение найденной таким образом абсолютной величины и наблюдаемой величины позволяет определить расстояние до HZ Геркулеса, которое оказывается близким к 2000 пс. Так как галактическая широта Геркулеса Х-1 довольно велика, 35°, то можно сделать интересный вывод, что расстояние рентгеновского источника от галактической плоскости необычайно велико, свыше 1000 пс! Объяснение этого обстоятельства должно быть неразрывно связано с вопросом о происхождении рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Из наблюдений следует, что импульсное рентгеновское излучение пульсара Геркулес Х-1 (так же, как и источника Центавр Х-3) подобно радиоизлучению «обычных» пульсаров носит направленный характер. В таком случае, совершенно так же, как и у радиопульсаров, наблюдаемый период пульсаций есть период вращения излучающего тела вокруг своей оси. Но с таким коротким периодом, как 1,24 с, может вращаться только нейтронная звезда. Таким образом, внешняя аналогия между радио- и рентгеновскими пульсарами превращается в тождество их природы: оба типа пульсаров являются нейтронными звездами. Но в то время как радиопульсары никогда не входят в состав двойных систем, рентгеновские пульсары наблюдаются только в двойных системах[ 55 ]. Имеется и еще одно важное различие между двумя видами пульсаров: периоды радиопульсаров монотонно растут, причем скорость увеличения периода каждого такого пульсара зависит только от его возраста, у источника же Геркулес Х-1 период пульсаций за полгода наблюдений уменьшился примерно на одну стотысячную своего значения. Это уменьшение периода происходило отнюдь не равномерно. Аналогичная картина имеет место и для источника Центавр Х-3.

Особую проблему представляет объяснение отсутствия 35-дневного цикла в оптической переменности HZ Геркулеса. Ведь если оптическая переменность этой звезды объясняется ее нагревом мощным потоком рентгеновского излучения от второй компоненты, то почему этот нагрев продолжается и в течение 24-х дней 35-дневного периода, когда источник рентгеновского излучения «выключен»? Здесь могут быть два объяснения, отнюдь не исключающие одно другое. Во-первых, можно предположить, что диаграмма излучения рентгеновского пульсара участвует в двух движениях. Если излучающая область не совпадает с полюсами вращающейся нейтронной звезды (а, например, находится около магнитных полюсов, как у радиопульсаров), то из-за вращения этой звезды около оси диаграмма излучения будет периодически проходить через наблюдателя. Здесь геометрия такая же, как у радиопульсаров. Представим себе теперь, что сама ось вращения описывает прецессионное движение (так называемая «свободная прецессия», вызванная небольшой асимметрией в распределении массы в нейтронной звезде) с периодом около 35 дней. Тогда можно представить себе, что в течение почти ²/₃ этого периода диаграмма излучения рентгеновского пульсара не будет «смотреть» на Землю ни при какой фазе осевого вращения. В то же время она всегда будет направлена на какую-то часть поверхности находящейся рядом оптической звезды, которая находится достаточно близко и видна под большим телесным углом.

Недостатком этой модели являются довольно жесткие ограничения геометрического характера. Подозрительным также представляется и то, что ни у одного из известных радиопульсаров явление периодического «выключения» импульсов на длительный срок не наблюдается. Между тем явление свободной прецессии не должно, казалось бы, зависеть от того, является ли нейтронная звезда одиночной или входит в состав двойной системы. Альтернативой является предположение, что около компактного рентгеновского источника находится более или менее изотропный источник пока ненаблюдаемого мягкого рентгеновского или ультрафиолетового излучения, которое и «греет» находящуюся рядом оптическую звезду HZ Геркулеса. Этим источником может быть, например, горячий газовый диск, окружающий рентгеновский пульсар — быстро вращающуюся нейтронную звезду. Для подтверждения этой гипотезы решающее значение должны иметь будущие внеатмосферные наблюдения источника Геркулес Х-1 в указанной выше спектральной области[ 56 ].

Итак, вся совокупность наблюдательных данных говорит о том, что рентгеновские источники, входящие в состав двойных систем, представляют собой весьма компактные объекты с массой, близкой к массе Солнца. Почти наверное это нейтронные звезды, очень быстро вращающиеся вокруг своих осей. Нужно теперь разобраться в главном вопросе: в чем причина столь мощного рентгеновского излучения нейтронных звезд, входящих в состав двойных систем? Конечно, о ядерных источниках здесь говорить не приходится. Остаются только два источника: кинетическая энергия вращения такой звезды и потенциальная гравитационная энергия, освобождаемая при падении на поверхность нейтронной звезды газовых масс. Последний механизм называется «аккрецией». Сразу же нужно сказать, что если рентгеновские пульсары — это нейтронные звезды, то первый из упомянутых выше источников энергии отпадает. В самом деле, в случае источника Центавр Х-3 экваториальная скорость нейтронной звезды должна быть около 10 км/с. Следовательно, кинетическая энергия вращения этой звезды должна быть 3 10⁴⁴ эрг. Так как мощность рентгеновского излучения этого источника 10³⁷ эрг/с, то запаса кинетической энергии хватит только на один год. Вообще следует сказать, что при таком источнике энергии рентгеновские пульсары тормозились бы, т. е. периоды их вращения должны были бы расти, что противоречит наблюдениям.

Гораздо более эффективным источником энергии является падение на поверхность нейтронной звезды облаков и струй газа. Так как радиусы таких звезд очень малы ( 10 км), а массы близки к солнечной, то скорость падающего на поверхность таких звезд вещества достигает 100 000 км/с, т. е. 1/3 скорости света (вспомним, что на поверхности Земли эта скорость равна 11 км/с, а на поверхности Солнца 618 км/с). При такой скорости падение одного грамма вещества приводит к выделению 0,1c² 10²⁰ эрг энергии. Следовательно, для производства 10³⁷ эрг/с надо, чтобы на поверхность нейтронной звезды ежесекундно падало 10¹⁷ г газа. Эту величину следует считать достаточно «скромной». Ведь при таком темпе за год выпадает не больше одной тысячной массы Земли. Источником этого газа может быть только оптическая звезда, находящаяся вблизи нейтронной звезды. Как мы видели выше, оптические компоненты двойных систем, другой компонентой которых являются нейтронные звезды, заполняют свою полость Роша. Поэтому с части поверхности оптической звезды по направлению к нейтронной звезде будет непрерывно течь струя газа.

Как показывают расчеты, эта струя будет «питать» газовый диск, быстро вращающийся вокруг нейтронной звезды[ 57 ]. Из этого диска газ будет падать на нейтронную звезду, ускоряясь ее гравитационным полем. При падении на поверхность нейтронной звезды приобретенная газом энергия превратится в излучение. Наличие у нейтронной звезды сильного магнитного поля усложняет эту картину движения газовых струй в тесной двойной системе. Падающая на нейтронную звезду струя газа будет на некотором расстоянии от нее (там, где плотность магнитной энергии равна плотности кинетической энергии газовой струи) остановлена, после чего газ потечет вдоль силовых линий магнитного поля на поверхности нейтронной звезды. Таким образом, следует ожидать, что падающие от оптической звезды массы ионизованного газа будут достигать поверхности нейтронной звезды в двух сравнительно малых «пятнах», окружающих магнитные полюсы. Размеры этих «пятен» могут быть около 0,1 радиуса нейтронной звезды, т. е. 1 км. В этой малой области происходят грандиозные по масштабам энерговыделения процессы. Там распространяются сильные ударные волны, происходит весьма эффективное ускорение электронов до релятивистских энергий, имеют место сложные процессы взаимодействия охваченной разными возмущениями плазмы с магнитным полем. Детали этих процессов сейчас тщательно исследуются теоретиками и многое здесь еще непонятно. Но общая картина генерации мощного рентгеновского излучения уже проясняется. Излучают релятивистские и нерелятивистские электроны, движущиеся в сильном магнитном поле нейтронной звезды. Источник энергии — потенциальная энергия, приобретенная газом в сильнейшем гравитационном поле нейтронной звезды. Наконец, источник газа — оптическая компонента тесной двойной системы, заполняющая свою полость Роша или же звездный ветер.

Мы пока еще не знаем с достоверностью, каковы те эволюционные процессы, которые приводят к образованию в тесной двойной системе нейтронной звезды. Общая проблема эволюции в таких системах уже рассматривалась в § 14. Несомненно, что нейтронная звезда в тесной двойной системе есть «конечный продукт» эволюции более массивной компоненты этой системы. Образованию нейтронной звезды должно было предшествовать существенное перетекание массы от эволюционирующей (первоначально более массивной) компоненты ко второй компоненте. Можно предполагать, что после того как существенная часть (70—80%) массы эволюционирующей звезды перетекла, произошел взрыв гелиевой звезды — вспышка сверхновой, приведшая к образованию нейтронной звезды. В процессе взрыва могла быть выброшена из двойной системы масса газа до 1M со скоростью порядка нескольких тысяч километров в секунду. По закону сохранения импульса, если взрыв не вполне симметричен, центр тяжести двойной системы должен был получить равный и противоположно направленный импульс. Не этим ли объясняется то, что источник Геркулес Х-1 находится так «высоко» над галактической плоскостью? Интересно, что лучевая скорость HZ Геркулеса направлена к галактической плоскости и близка к 60 км/с. Это может означать, что она, удалившись на максимальное расстояние от галактической плоскости, движется теперь обратно. В принципе такая система может совершить несколько колебаний поперек галактической плоскости с характерным периодом порядка 10⁸ лет.

Рис. 23.11: Схема эволюции тесной двойной системы.

На рис. 23.11 приведена схема эволюции тесной двойной системы массивных звезд, рассчитанная голландскими теоретиками.

Наряду с «оптической» звездой, заполняющей свою полость Роша, как уже упоминалось выше, источником газа для аккреции на нейтронную звезду может быть и «звездный ветер» от оптической компоненты, достаточно удаленной от нейтронной звезды и поэтому не заполняющей своей полости Роша. В этом случае оптическая компонента—горячий сверхгигант спектрального класса О—В с массой больше 10M. Именно у таких звезд мощность корпускулярного излучения (или что то же — звездного ветра) достаточно велика, например, 10^-6—10^-7M/год. В этом случае только доля процента вытекающего из звезды корпускулярного излучения «перехватывается» нейтронной звездой, что, впрочем, вполне достаточно для генерации рентгеновского излучения наблюдаемой мощности. Мы приходим, таким образом, к представлению, что должны быть две разновидности рентгеновских источников — компонент двойных массивных систем:

a. источники, где оптическая компонента — горячий массивный сверхгигант, испускающий мощный звездный ветер; типичный представитель — Центавр Х-3;

b. источники, где оптическая компонента по массе лишь немного превышает Солнце и заполняет свою полость Роша. Типичный представитель — Геркулес Х-1.

В то время как источники первого типа находятся вблизи галактической плоскости, источники второго типа могут быть достаточно удалены от нее.

Не исключено, что обе разновидности источникой происходят от тесных двойных систем с массивными компонентами, но в то время как у источников типа а) массы компонент сходны, у источников типа б) отношение масс больше 3. Расчеты показывают, что если у более массивной компоненты M₁ > 10M, то после перетекания масс останется компактная гелиевая звезда с массой 3M, которая может взорваться как сверхновая и «превратиться», таким образом, в нейтронную звезду. В противном случае в процессе эволюции могут образоваться только белые карлики. Если отношение масс M₁/M₂ > 3, то в процессе эволюции, как оказывается, большая часть массы системы покидает ее. При взрыве сверхновой в такой системе в большинстве случаев пары распадаются.

Характерной особенностью рентгеновских источников является наличие в ряде случаев наряду с орбитальными периодами весьма коротких периодов пульсации. Выше мы уже подробно говорили о 4,84-секундном периоде пульсаций у Центавра Х-3 и 1,24-секундном — у Геркулеса Х-1. В 1975 г. было сделано важное открытие «длинных» периодов пульсаций у рентгеновских источников. Например, у источника 0940—40, принадлежащего к типу а) и имеющего орбитальный период около 9 суток, найден пульсационный период в 283 с. Несколько длинных пульсационных периодов было найдено у так называемых «новых» (или «временных») рентгеновских источников[ 58 ]. Довольно длинный пульсационный период (405 с) был обнаружен у источника А 1118—61. Самый длинный период у известных к 1977 г. источников равен 31 минуте. Скорее всего продолжительные периоды пульсаций есть следствие торможения вращения нейтронной звезды намагниченной плазмой, в которую «погружена» двойная система. Возможно, что конкретным механизмом такого торможения является генерация вращающейся нейтронной звездой звуковых волн, а также обычная вязкость. Таким образом, период вращения нейтронной звезды — рентгеновского пульсара — как бы «подстраивается» к физическим характеристикам двойной системы, в которой он находится (период орбитального движения, мощность звездного ветра от «оптической» компоненты и пр.). Наблюдаемые вариации периодов вращения пульсаров скорее всего вызваны, в первую очередь, вариациями мощности звездного ветра, «питающего» путем аккреции нейтронную звезду.

Долгие годы, несмотря на ряд попыток, никак не удавалось доказать двойственность самого яркого рентгеновского источника Скорпион Х-1. Это оказалось очень трудной задачей, так как на ожидаемое регулярное изменение блеска оптической звезды, отождествляемой с этим источником, накладывались беспорядочные изменения с большой амплитудой. В то же время никакой периодичности в рентгеновском излучении (типа той, которая наблюдается у Центавра Х-3 и Геркулеса Х-1) у Скорпиона Х-1 не было обнаружено. Последнее обстоятельство, конечно, не является аргументом против двойственности этого источника: ведь вполне возможно, что плоскость орбиты наклонена под большим углом к лучу зрения!

Только в 1975 г. американским астрономам из анализа оптических наблюдений удалось найти орбитальный период Скорпиона Х-1, оказавшийся равным 0,787 ± 0,006 суток. Масса каждой из компонент меньше 2M, а скорость системы 145 км/с, т. е. очень велика.

Было также показано, что яркий источник Лебедь Х-2 представляет собой двойную систему с малой массой (M_O 2M, M_X 1M), сходную со Скорпионом Х-1 и Геркулесом Х-1. Орбитальный период Лебедя Х-2 T = 0,86 дня, а расстояние 2 кпс.

Особый интерес представляет проблема радиоизлучения рентгеновских звезд. Несколько таких объектов (например, Скорпион Х-1, Лебедь Х-1) оказались источниками очень слабого, переменного радиоизлучения. Заметим, однако, что само по себе это не является проблемой. В последние годы радиоизлучение было обнаружено от нескольких тесных двойных систем, в частности, от Алголя и Лиры. В таких системах мощные потоки газовых струй должны приводить к значительному радиоизлучению. Однако в сентябре 1972 г. наблюдалось уже не совсем обычное явление. Поток очень слабого радиоизлучения от рентгеновской звезды Лебедь Х-3 скачком увеличился в 2000 раз! Вспышка длилась несколько дней, спустя две недели она повторилась. Во время вспышки радиоисточник Лебедь Х-3 оказался одним из самых ярких на небе на сантиметровых волнах. Это позволило, в частности, по «пропечатавшимся» в его спектре межзвездным радиолиниям поглощения 21 и 18 см определить расстояние до него, оказавшееся около 7000 пс. Мощный всплеск радиоизлучения объясняется выбросом облака релятивистских частиц и плазмы. Странно, что рентгеновское излучение этого источника не претерпело при этом никаких изменений. По-видимому, детальное изучение рентгеновских звезд принесет астрономам еще много неожиданностей.

В 1978 г. внимание астрономов было сконцентрировано на совершенно уникальном объекте SS 433. Поразительной особенностью этого звездообразного источника является наличие в его спектре водородных и гелиевых эмиссионных линий, длины волн которых меняются с периодом 164 дня. Каждая «стационарная» линия водорода и гелия имеет по обе стороны от себя две «подвижные» линии, сильно смещенные в красную и фиолетовую части спектра. На рис. 23.12 приведена кривая лучевых скоростей. Обращает на себя внимание ее огромная амплитуда. По характерной кривой лучевых скоростей не представляет особого труда построить кинематическую модель SS433. Она сводится к представлению, что из этого источника в двух противоположных направлениях выбрасываются две газовые струи с огромной скоростью v = 0,27c или 81 000 км/с, причем ось, вдоль которой происходит выбрасывание газа, прецессирует с периодом 164 дня. Этот звездообразный объект находится внутри давно уже известной радиотуманности W 50 — явном остатке сверхновой, имеющем форму неполной оболочки. Объект SS433 является источником рентгеновского излучения, так же как и радиотуманность W 50.

Рис. 23.12: Часть спектра SS 433, на которой видна очень интенсивная «несмещенная» линия Н ( = 6563 A), с обеих сторон от которой видны две компоненты той же линии с сильным красным ( 7400—7500 A) и фиолетовым ( 6100—6200 A) смещением. Спектры получены в течение грех последовательных ночей. Отчетливо видно прогрессивное смещение красной и фиолетовой компонент.

Дальнейшие оптические наблюдения показали, что блеск SS 433 меняется с периодом 13,1 суток. Эти изменения объясняются двойственностью объекта, В этом случае мы наблюдаем в оптических лучах своеобразную «затменную переменную» (см. рис. 23.13), одной компонентой которой является массивная горячая голубая звезда — сверхгигант, другой — плотный, горячий газовый диск, окружающий вторую, весьма компактную компоненту— нейтронную звезду или черную дыру. Этот диск образуется путем перетекания мощной струи газа от звездной компоненты через лагранжеву точку L (см. рис. 14.1). В отличие от других аналогичных систем (например, Лебедь Х-1, Центавр Х-3), скорость перетекания очень велика — до 10^-4M/год— в десятки тысяч раз больше, чем в системе Лебедь Х-1. Такая фаза «быстрого перетекания» соответствует «сверхкритической» аккреции и длится сравнительно недолго, 10⁴ лет. При сверхкритической аккреции почти весь перетекающий газ выталкивается из диска силой светового давления. Это и является причиной вытекания двух струй в направлениях, перпендикулярных к плоскости газового диска (рис. 23.14). Так как эта фаза эволюции является кратковременной, число объектов, подобных SS 433, должно быть в нашей Галактике весьма незначительным.

Рис. 23.13: Кривая лучевых скоростей для «красной» и «фиолетовой» компонент SS 433. По оси абсцисс внизу отложены даты в юлианских днях, вверху — даты обычного календаря.

Рис. 23.14: Рентгеновское изображение SS 433, полученное на обсерватории «Эйнштейн». Около 10% всего излучения исходят от двух вытянутых струй, симметрично расположенных по отношению к источнику.

Радиоинтерференционные наблюдения выявили излучение струй и убедительно доказали прецессионный характер их движения. С этими струями также связано рентгеновское излучение W 50. Изучение удивительных явлений, происходящих в SS 433, позволило лучше понять характер эволюции массивных двойных систем и связанных с ними рентгеновских и радиоисточников.

В высшей степени интересным, но пока еще загадочным является открытие импульсов жесткого рентгеновского (или мягкого гамма-) излучения космического происхождения. Хотя первые публикации появились во второй половине 1973 г., само открытие было сделано в 1967 г. Его история весьма любопытна.

Как известно, СССР и США заключили в свое время договор о прекращении ядерных взрывов в атмосфере и на поверхности Земли. Подавляющее большинство стран (к сожалению, не все) присоединились к этому соглашению. Для контроля над подобными, взрывами США запустили на большую высоту серию искусственных спутников «Вела», оснащенных специальными регистрирующими приборами. В числе этих приборов были также детекторы мягкого гамма-излучения в диапазоне энергии квантов 0,2—2 МэВ. Чувствительность этих детекторов почти не зависела от направления прихода гамма-излучения, т. е. они были практически «изотропными». Однако в случае, когда гамма-излучение носит импульсный характер (что как раз и следует ожидать во время ядерных испытаний), направление прихода можно зарегистрировать, если известны разности моментов прихода импульсов на разных спутниках контрольной системы. Это, конечно, требует непрерывной регистрации уровня гамма-излучения, наблюдаемого на разных спутниках, с точностью не меньшей, чем 10^-2 с.

Велико же, по-видимому, было изумление работников этой «патрульной службы», когда они обнаружили, что временами наблюдаются довольно интенсивные кратковременные импульсы жесткого излучения, не связанные ни с Землей, ни с Солнцем. В тех очень редких случаях, когда удавалось определить координаты (с точностью около 5°), галактические широты источников этого загадочного излучения оказались весьма значительными. Это может означать, что либо источники находятся в Метагалактике, либо они сравнительно близки к Солнцу (например, удалены от нас на расстояния, не превышающие сотню парсек). Раньше чем обсуждать обе эти возможности, остановимся более подробно на наблюдаемых характеристиках этих пока еще загадочных импульсов.

Прежде всего довольно ясно, что если эти импульсы были обнаружены при помощи «патрульной» аппаратуры, отнюдь не предназначенной для астрономических наблюдений, потоки излучения должны быть достаточно велики. И действительно, при наблюдаемой длительности явления в несколько десятков секунд поток в указанном выше интервале энергий квантов достигает 10^-4 эрг/см² с, что в несколько сотен раз превышает полный поток от самого яркого из космических источников рентгеновского излучения, источника Скорпион Х-1. Заметим, однако, что последний излучает преимущественно в мягком рентгеновском диапазоне с энергией квантов в несколько килоэлектронвольт. В диапазоне же около 1 МэВ поток излучения от загадочных космических импульсных источников зачастую превосходит поток от солнечных вспышек и на много порядков превышает потоки от других космических источников.

Естественно, что такое выдающееся явление, как импульсы космического гамма-излучения, стало объектом исследования также и на других спутниках. И хотя после первого известия об обнаружении загадочных импульсов прошло не так уж много времени, сейчас (1983 г.) кое-что прояснилось.

Прежде всего установлено, что спектр космических импульсов простирается в значительно более «мягкую» область, по крайней мере до 10 кэВ. Установлено также, что где-то около энергии квантов E₁ 200 кэВ этот спектр довольно круто (экспоненциально) обрывается, в то время как для E < E₁ спектр убывает с ростом E по степенному закону F F^-, где 0,5, и меняется как для разных источников, так и для одного и того же источника с течением времени. В последнем случае, по-видимому, «жесткость» спектра растет вместе с ростом потока.

Очень интересна «временная» структура импульсов. Они состоят из отдельных весьма интенсивных «всплесков» длительностью около секунды, разделенных промежутком времени 10 с. Полная длительность импульсов, как уже говорилось выше, порядка нескольких десятков секунд. Во время «всплеска» поток излучения достигает максимума очень быстро, за время во всяком случае меньшее, чем 0,1 с. Это означает, что линейные размеры излучающей области довольно незначительны, меньше 10 000 км.

Всплески, в течение которых излучается энергия > 10^-4 эрг/см², наблюдаются один раз в несколько месяцев. Естественно, что всплески, при которых выделяется меньшая энергия, должны наблюдаться значительно чаще, так как они должны исходить от более удаленных, а потому и более многочисленных источников.

Учитывая наблюдаемые свойства импульсов жесткого излучения, вряд ли, по нашему мнению, их можно считать метагалактическими объектами. В принципе, мощное жесткое излучение можно ожидать при вспышках сверхновых звезд. Однако никакой корреляции между вспышками сверхновых, имевшими место в других галактиках за последние несколько лет, и импульсами жесткого излучения не обнаружено. В этой связи заметим, что в 1972 г. вспыхнула сверхновая в довольно близкой к нам галактике NGC 5253 (см. § 15). Никакого импульса жесткого излучения, однако, при этом обнаружено не было.

Определение координат космических импульсных гамма-источников является довольно сложной задачей. Это можно сделать, в принципе, зная моменты регистрации начала импульсов на разных детекторах, удаленных друг от друга на как можно большее расстояние. Чем больше расстояние, тем выше точность локализации источников на небе.

В 1978 г. на борту двух советских межпланетных станций «Венера-11» и «Венера-12» были установлены детекторы мягкого гамма-излучения. Там же были установлены приборы для регистрации моментов времени с точностью 2—3 миллисекунды. Одновременно на околоземной орбите находился советский спутник «Прогноз-7», на котором была установлена такая же аппаратура. Эти наблюдения проводились в содружестве с французскими учеными.

Всего за 1¹/₂ года работы удалось наблюдать свыше 150 гамма-импульсов. В отдельных случаях их координаты определялись с точностью, превосходящей 1. Особенно интересны были наблюдения исключительно мощного всплеска 5 марта 1979 г., у которого удалось выявить 8-секундную периодичность в потоке излучения. Это доказывает, что излучают вращающиеся нейтронные звезды. Большой интерес представляют десятки спектров гамма-импульсов, анализ которых пока не закончился. В высшей степени важно то, что ни одного оптического объекта до 23 звездной величины на месте гамма-импульсных источников пока не найдено. Это может означать, что вспышки связаны с одиночными нейтронными звездами. В противном случае наблюдался бы оптический компонент двойной системы.

Тем больший интерес представляют результаты анализа старых пластинок Гарвардского Патруля, на которых была сфотографирована область неба, где 19 ноября 1978 г. наблюдался яркий гамма-импульс. Координаты источника этого импульса были измерены на космических аппаратах «Венера-11» и «Венера-12» с точностью, превосходящей 1. Эта область фотографировалась 17 ноября 1928 г. Всего последовательно были получены 4 пластинки, причем время экспозиции каждой из них было 40^m. На второй пластинке, в точности на том же месте, где спустя полвека наблюдался гамма-импульс, было получено довольно яркое пятнышко, соответствующее звездному объекту 10-й величины. На остальных пластинках никаких объектов ярче 15-й величины не было. Тщательный анализ удивительного пятнышка позволил прийти к выводу, что наблюдалась вспышка оптического излучения, длительность которой была во всяком случае меньше 10 минут. Недавно выполненные наблюдения на большом оптическом телескопе обнаружили на месте гамма-вспышки 19 ноября 1928 г. очень слабый объект 23-й величины.

Вряд ли можно сомневаться в том, что 17 ноября 1928 г. наблюдалась вспышка оптического излучения, скорее всего сопутствующая гамма-импульсу. Жалко, конечно, что тогда не было гамма-астрономии... Важным результатом описанных наблюдений является установление повторности вспышек. В случае явления 19 ноября 1978 г. интервал времени между импульсами, вероятно, меньше 50 лет или равен этой величине. Любопытно, что из всех гамма-импульсов, зарегистрированных на советских автоматических межпланетных станциях, не было ни одного «повторяющегося», т. е. принадлежащего одному и тому же источнику. Это обстоятельство имеет большое значение для оценки полного количества источников импульсного гамма-излучения.

При современной чувствительности детекторов этого излучения можно зарегистрировать (в среднем, конечно) 1 импульс в день. Если за пару лет работы детекторов не было замечено ни одного повторного импульса, то для данного источника средний интервал между ними заведомо превосходит 2—3 года. С другой стороны, в случае явления 19 ноября 1978 г. этот интервал, как мы видели, равен (или меньше) 50 годам. Можно, очень грубо, конечно, принять, что средний интервал между гамма-импульсами у источников составляет примерно 10 лет. За это время с современными средствами можно было наблюдать 3000 источников. Но все они (в среднем) — сравнительно близкие объекты. Из распределения источников импульсного излучения по небу следует, что никакой реальной концентрации их к галактической плоскости нет. Это означает, что даже слабейшие из них находятся от нас на расстоянии, меньшем, чем половина толщины «диска», соответствующего их пространственному распределению. Так как потоки излучения от самых ярких гамма-импульсов в несколько сот раз больше, чем от самых слабых, то последние находятся от нас в среднем в 20—30 раз дальше, чем самые близкие (и, следовательно, в среднем самые яркие) источники. Например, если самые близкие источники импульсного гамма-излучения удалены на расстояние 30 пс (расстояние до ближайших пульсаров), то самые слабые (т. е. в среднем далекие) будут находиться на расстоянии 1000 пс. Следовательно, мы можем наблюдать импульсные источники внутри сферы радиуса 1000 пс, что составляет 3 10^-4 объема Галактики. Значит, полное количество импульсов в Галактике за 10 лет составляет 10⁷. Одновременно мы таким образом получаем оценку полного количества источников импульсного гамма-излучения, так как среднее время между импульсами у одного источника выше было принято равным 10 годам.

Наша оценка, конечно, является очень грубой, а главное — содержит произвольные элементы (например, расстояние до ближайших источников). Дальнейшие наблюдения, особенно более слабых импульсов, позволят эту оценку существенно уточнить. Тем не менее уже сейчас видно, что полное число источников импульсного гамма-излучения в Галактике очень велико: оно заключено, вероятно, между 10⁶ и 10⁸. Ничего удивительного в этом нет. Вряд ли можно теперь сомневаться в том, что источниками импульсного гамма-излучения являются нейтронные звезды, число которых в Галактике должно быть очень велико, 10⁸. Это следует из частоты вспышек сверхновых II типа, в результате которых и образуются нейтронные звезды. Создается впечатление, что существенная, если не большая часть нейтронных звезд, когда-либо образовывавшихся в Галактике, время от времени излучает гамма-импульсы. Речь идет, главным образом, о старых объектах, возраст которых исчисляется многими миллиардами лет. Мы приходим к представлению, что более или менее периодически повторяющиеся всплески мягкого гамма-излучения есть фундаментальное свойство нейтронных звезд. Таким же свойством является их радиоизлучение, проявляющееся в феномене пульсаров. Однако, как мы видели в § 21, пульсары — это сравнительно молодые нейтронные звезды, возраст которых 2—3 миллиона лет, между тем как способность к импульсному гамма-излучению нейтронные звезды, по-видимому, сохраняют «до глубокой старости», когда их возраст исчисляется уже миллиардами лет.

Пока вопрос о причине самого явления гамма-всплесков у нейтронных звезд покрыт густым туманом. Можно только высказывать разного рода гипотезы. При всех условиях важно оценить энергетические соотношения. Если принять, что расстояние до ближайших источников импульсов около 30 пс, а поток энергии в импульсе 10^-4 эрг/см², то полная энергия излучения будет 10³⁷ эрг. За несколько миллиардов лет будет излучено 3 10⁴⁵ эрг — величина, ничтожно малая по сравнению с энергией гравитационной связи нейтронной звезды ( 10⁵³ эрг). Квазипериодический характер явления наводит на мысль о постепенном накоплении какой-то неустойчивости, которая время от времени как бы «сбрасывается». Вполне возможно, что существует глубокая связь между описанными в § 21 «звездотрясениями» и всплесками гамма-излучения. Такое «звездотрясение» может привести к сильнейшему возмущению магнитосферы нейтронной звезды, стимулирующему всплеск гамма-излучения. Другая гипотеза исходит из аналога «вулканического извержения», когда богатая нейтронами неравновесная материя недр нейтронной звезды прорывается через «трещины» на ее поверхность...

Только будущие наблюдения помогут сделать правильный выбор между различными, как правило, довольно экзотическими возможностями объяснения природы космических гамма-импульсов.

1975 год в рентгеновской астрономии прошел под знаком рентгеновских всплесков. Одновременно работающие три спутника — «АНС», «SAS-3» (США) и «Ариэль» (Англия) непрерывно получали богатый наблюдательный материал. Было установлено, что всплески, исходящие от NGC 6624, почти периодичны; наблюдалась последовательность всплесков, разделенных промежутками времени 0,22 суток. Впрочем, через месяц этот интервал сильно укоротился. Вскоре были обнаружены рентгеновские всплески от других шаровых скоплений, например, NGG1851, NGC 6388, NGC6541 и ряда других. Очень интересный источник рентгеновских всплесков был обнаружен около галактического центра. «Квазипериод» рентгеновских всплесков в этом случае оказался рекордно коротким, около 17 с. От этого источника уже наблюдалось несколько тысяч импульсов (см. рис. 23.15).

Любопытно отметить, что мощность каждого отдельного всплеска от указанного источника тем больше, чем длительнее «спокойный» интервал времени до последующего всплеска. Создается определенное впечатление, что всплеск определяется постепенным «накоплением» некоторого запаса энергии, которая затем быстро освобождается. Это может быть, например, накоплением газа в сильном магнитном поле магнитосферы нейтронной звезды с последующим быстрым «высыпанием» на ее поверхность. После того, как координаты этого источника были определены с точностью 1, на его месте в красных лучах было обнаружено дотоле неизвестное (из-за сильного межзвездного поглощения света) шаровое скопление.

В настоящее время (начало 1983 г.) 12 (из 35) таких источников рентгеновского излучения (получивших название «барстеров») отождествляются с шаровыми скоплениями, вернее, с их самыми центральными частями.

Рис. 23.15: Запись всплеска рентгеновского излучения от источника МХВ 1728—34.

Тот факт, что пространственное распределение барстеров такое же, как и шаровых скоплений, означает, что эти рентгеновские источники принадлежат к старейшему («второму») типу звездного населения нашей Галактики. По-видимому, значительная, если не большая, часть рентгеновских источников в туманности Андромеды (см. рис. 23.2) является барстерами. В этой галактике 17 из 224 обнаруженных рентгеновских источников находятся в шаровых скоплениях. Всего в М 31 насчитывается 237 шаровых скоплений, в то время как в нашей Галактике их около 150.

Выше, на стр. 696, мы уже говорили о двух типах рентгеновских источников в Галактике, имеющих, соответственно, «плоское» и «полусферическое» распределение. Теперь мы можем первые отождествить с массивными двойными системами типа Центавр Х-3, у которых «оптическим» компонентом является голубой массивный сверхгигант. Источники второго типа — это барстеры и сходные с ними старые объекты, у которых мощность рентгеновского излучения примерно такая же, как у источников I типа, но зато мощность оптического излучения в 1000 раз меньше. Хотя двойственность барстеров пока еще не доказана прямыми наблюдениями, вряд ли в этом можно сомневаться. Напрашивается вывод, что у барстеров и сходных с ними объектов оптическим компонентом является маломассивный красный карлик. Объектами, сходными по своей природе с барстерами, могут быть ярчайшие источники Скорпион Х-1 и Лебедь Х-2.

Вернемся теперь к «обычным» барстерам. Доказано, что они испускают рентгеновское излучение и в промежутках между вспышками. Существенно, что энергия, излученная между вспышками, примерно в сто раз превышает энергию, излученную при вспышках. Это обстоятельство имеет решающее значение для понимания природы рентгеновского излучения барстеров. Излучение барстеров в промежутках между вспышками обусловлено аккрецией газа от второго компонента двойной системы, подобно тому, как это происходит в массивных двойных системах. Однако, по мере накопления вещества на поверхности нейтронной звезды, возникают благоприятные условия для термоядерного взрыва на ее поверхности, вызывающего мощную вспышку рентгеновского излучения. При такой вспышке на грамм вещества выделяется c² энергии (где = 10^-3 — «упаковочный эффект» при синтезе ядер), а при аккреции на нейтронную звезду 0,1c² эрг/г. Теперь понятно, почему энергия, излучаемая между всплесками, примерно в 100 раз превосходит энергию, излучаемую при всплесках[ 59 ].

Существует полная аналогия между барстерами и обычными новыми звездами, вспышки которых обусловлены термоядерными взрывами водорода, скапливающегося на поверхности белого карлика. Оптической астрономии давно известны пекулярные звездные объекты, являющиеся тесными двойными системами, одна из компонент которых — белый карлик. Можно провести интересную аналогию между такими системами и системами, содержащими нейтронную звезду. Заметим, что свойства тесных двойных систем зависят еще от характера перетекания вещества на компактный объект (звездный ветер, перетекание через лагранжеву точку).

У классических новых звезд дана компонента (некомпактная) — красный карлик, а другая — белый, причем перетекание вещества осуществляется через лагранжеву точку. Если же одной из компонент белого карлика является красный гигант, наблюдаются «новоподобные» звезды. Их «рентгеновским аналогом» могут служить некоторые «временные» источники, о которых речь шла выше. У карликовых новых типа U Близнецов (см. гл. 14) ядерные вспышки на поверхности белого карлика не происходят. Рентгеновским аналогом таких систем могут быть старые источники типа Скорпион Х-1 и Лебедь Х-2.

Огромное увеличение чувствительности детекторов рентгеновского излучения на космической обсерватории «Эйнштейн» открыло возможность изучать сравнительно слабые источники. Было открыто и исследовано рентгеновское излучение от многих десятков звезд — «карликовых» новых типа U Близнецов, новоподобных и других пекулярных объектов. Исключительный интерес представляет исследование обычных звезд главной последовательности, рентгеновское излучение которых обусловлено их коронами. Сравнительный анализ корон у звезд разных спектральных классов совершенно по-новому поставил проблему солнечной активности.

Вернемся теперь к проблеме барстеров. Как объяснить тот удивительный факт, что более 1/3 их входят в состав шаровых скоплений, в которых заключена всего 1/3000 всех старых звезд? Скорее всего, такие двойные системы (красный карлик плюс нейтронная звезда) образовались только при захватах до этого одиночных звезд. При этом избыток энергии шел на возбуждение колебаний в толще красного карлика. Очевидно, захваты могли происходить только там, где звездная плотность очень велика, а относительные скорости малы. Такие условия реализуются в ядрах шаровых скоплений. Некоторые барстеры со временем могли покидать шаровые скопления. Да и шаровые скопления могли разрушаться. Именно таким образом могли возникнуть барстеры, не связанные с шаровыми скоплениями.

Основоположник теории внутреннего строения звезд выдающийся английский ученый А. С. Эддингтон был, как известно, крупнейшим знатоком общей теории относительности. Он впервые во время солнечного затмения в 1919 г. измерил предсказанное Эйнштейном отклонение светового луча от удаленной звезды в поле тяготения Солнца. Тем интереснее полное горького пессимизма замечание Эддингтона, что общая теория относительности — это «красивый, но бесплодный цветок». Это замечание во времена Эддингтона было совершенно справедливо. Действительно, если специальная теория относительности буквально за несколько лет «завоевала» физику, а в течение последних десятилетий и технику (например, электронику), то совсем по-другому сложилась судьба общей теории относительности. Похоже на то, что она была создана гением Эйнштейна явно преждевременно. В самом деле, со времени публикации окончательного варианта этой теории (1916 г.) прошло около 70 лет. Этот огромный период в истории науки можно разделить на две части: до 1963 г. и после 1963 г. В течение первого периода общая теория относительности занимала весьма обособленное положение в физике и астрономии, будучи с ними почти не связанной. Столь необычная ситуация объясняется ничтожно малой величиной поправок, которую в ньютонову теорию гравитации вносит общая теория относительности в «нормальных» лабораторных или космических условиях. В самом деле, эти поправки по порядку величины равны отношению ньютоновского гравитационного потенциала к квадрату скорости света, т. е. GM/c²R. Можно убедиться, что почти для всех объектов Галактики эти поправки меньше, чем 10^-6, и только для белых карликов с их сравнительно высоким гравитационным потенциалом поправки достигают 3 10^-4. В то же время применение эффектов общей теории относительности к космологии (Фридман) не могло контролироваться адекватными наблюдениями галактик, так как эти наблюдения ограничивались красными смещениями / = z 10^-2.

В сущности говоря, все величественное здание теории опиралось на три предсказанных ею эффекта, которые были настолько малы, что измерялись только на пределе возможности тогдашней измерительной техники. Речь идет об отклонении светового луча в поле солнечного тяготения, о гравитационном красном смещении и об очень медленном движении перигелия Меркурия. Диспропорция между величием теоретических построений и ничтожностью конкретных приложений была разительной.

Ситуация резко изменилась начиная с 1963 г., когда были открыты квазары с их огромным красным смещением, несомненно, космологической природы. Переменность оптического и радиоизлучения этих объектов приводит к выводу об их компактности, что в сочетании с их большими массами позволяет ожидать значительных релятивистских поправок к их гравитационному потенциалу. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение Вселенной, отражающее ее физическое состояние, когда она была в десятки тысяч раз моложе, чем сейчас. Тем самым релятивистская космология получила настоящий фундамент, основывающийся на конкретных астрономических наблюдениях. Еще через два года, в 1967 г., были открыты пульсары, оказавшиеся нейтронными звездами. Для них поправки, вносимые общей теорией относительности в ньютонову теорию гравитации, уже нельзя считать малыми. Наконец, в 1971 г. были открыты рентгеновские звезды, которые сделали вполне реальной проблему обнаружения черных дыр — объектов, которые просто нельзя понять без общей теории относительности.

Все эти выдающиеся открытия наблюдательной астрономии сделали наконец-то общую теорию относительности необходимой для изучения и понимания фундаментальных свойств Вселенной. С другой стороны, бурное развитие техники физических измерений, являющееся следствием переживаемой нами научно-технической революции, резко увеличило возможности наблюдательной проверки эффектов общей теории относительности. Если раньше экспериментальным основанием теории относительности было измерение известных трех эффектов (см. выше), то сейчас можно указать по крайней мере на 20 различных опытов, из которых 15 уже выполнены. Для выполнения этих весьма важных экспериментов широко используются достижения радиоастрономии, лазерной и космической техники, радиолокации. Например, ожидаемое различие в ходе часов на поверхности Земли и на спутнике, движущемся по синхронной орбите, равно P/P 5 10^-10, в то время как стабильность водородных мазерных часов составляет P/P 5 10^-13 за много месяцев. Приведем еще один пример. Согласно общей теории относительности, расстояние между Землей и Луней должно периодически меняться с амплитудой около 1 м, в то время как современная лазерная техника позволяет измерить это расстояние с точностью до 15 см. Наконец, стоит упомянуть, что отклонение луча в поле тяготения Солнца сейчас с наибольшей точностью измеряется радиоинтерферометрическим методом, причем источниками радиоизлучения являются квазары. В ближайшие годы точность этих измерений будет доведена до 10^-3 от измеряемой величины. Новые прецизионные измерения позволят уточнить общую теорию тяготения, которую, как всякую живую область науки, отнюдь нельзя считать законченной и раз навсегда данной.

Мы сейчас остановимся на эффектах общей теории относительности, которые следует ожидать на заключительной стадии эволюции некоторых звезд. Речь пойдет о едва ли не самой «горячей» проблеме современной астрофизики — проблеме черных дыр. Как уже неоднократно упоминалось, после исчерпания запасов ядерного горючего достаточно массивные звезды (M > 2,5M) должны катастрофически сжиматься «в точку», так как никакая сила уже не может противодействовать сжимающей такую звезду силе гравитации. В принципе, конечно, такая звезда может на заключительной фазе своей эволюции сбросить (например, во время взрыва, приводящего к образованию сверхновой) «лишнюю» массу, и тогда катастрофически сжимающаяся звезда «застабилизируется» как нейтронная. Трудно, однако, ожидать, чтобы звезда на этой фазе эволюции «точно знала», сколько ей надо сбросить массы, чтобы катастрофического сжатия в точку не произошло. Во всяком случае, не видно причин, почему бы не существовали достаточно массивные звезды, которые в конце своей эволюции неограниченно сжимались бы. Так как во время гравитационного коллапса механическое равновесие звезды нарушается резко (т. е. сила тяготения на конечную величину превосходит силу, вызванную перепадом газового давления), то сжатие звезды происходит практически со скоростью свободного падения. Через время t₁ 1/ звезда сожмется достаточно сильно для того, чтобы гравитационный потенциал стал таким большим, что необходимость учета поправок общей теории относительности становится очевидной. Если, например, средняя плотность звезды при начале коллапса 10⁶ г/см³ (что близко к плотности изотермического вырожденного ядра у проэволюционировавшей звезды), то t₁ 1 с.

Задача о характере поля тяготения в сферически-симметричном случае с учетом эффектов общей теории относительности сразу же после опубликования классической работы Эйнштейна была точно решена выдающимся немецким астрофизиком К. Шварцшильдом (отцом ныне здравствующего профессора М. Шварцшильда, так много сделавшего для теории эволюции звезд). Пользуясь решением К. Шварцшильда, можно найти зависимость радиуса коллапсирующей звезды от времени так, как это представляется по часам «внешнего» (например, земного) наблюдателя:

(24.1)

где r_g = 2GM/c² — так называемый «гравитационный радиус», а сфера радиуса r_g называется «сферой Шварцшильда». Заметим, что для Солнца r_g = 2,96 км, а для Земли r_g = 0,44 см, r₁ — радиус звезды в момент t₁, причем в формуле (24.1) предполагается, что (r₁ - r_g) r_g. Напомним, что радиусы нейтронных звезд только в несколько раз больше их гравитационного радиуса. Применение решения К. Шварцшильда к проблеме коллапса невращающейся звезды вполне законно, так как мы можем рассматривать движение каждой точки на поверхности коллапсирующей звезды как свободное падение в сферически-симметричном поле тяготения. Из формулы (27), таким образом, следует, что с точки зрения внешнего наблюдателя при приближении r к r_g скорость сжатия асимптотически замедлится практически до нуля. Внешний наблюдатель никогда не зафиксирует переход сжимающейся звезды под сферу Шварцшильда — ведь по его часам для этого сжимающейся звезде потребуется бесконечно большое время. А между тем воображаемый наблюдатель, находящийся на сжимающейся звезде и коллапсирующий вместе с ней, никаких особенностей, связанных с пересечением сферы Шварцшильда, не заметит. По его часам пройдут считанные секунды, в течение которых звезда и он сам сожмутся в точку. Здесь эффекты общей теории относительности проявляют себя самым разительным образом. Грубо говоря, смысл этих эффектов состоит в том, что в очень сильном гравитационном поле скорость течения всех процессов (по часам внешнего наблюдателя) крайне замедляется.

С точки зрения внешнего наблюдателя в процессе гравитационного коллапса светимость звезды при приближении ее радиуса к гравитационному будет катастрофически быстро падать. Это падение светимости обусловлено совместным действием гравитационного красного смещения, эффекта Доплера и аберрации света. На основе теории К. Шварцшильда можно получить следующее выражение для зависимости светимости коллапсирующей звезды от времени:

(24.2)

В пределе при t светимость L 0, так же как и частота излучения. Для наблюдателя же, связанного с коллапсирующей звездой, светимость (по его часам!) может даже расти. С точки зрения же внешнего наблюдателя коллапсирующая звезда практически перестанет излучать и прекратит свое сжатие у r r_g за время (по его часам!) r_g/c, т. е. 10^-5 с. Сказанное относится не только к фотонному, но и к нейтринному излучению коллапсирующей звезды. Как показал В. Л. Гинзбург, магнитное поле коллапсирующей звезды при r r_g также как бы исчезает для внешнего наблюдателя.

Таким образом, для внешнего наблюдателя за очень короткое время 10^-5 с коллапсирующая звезда как бы «пропадает». Такой объект получил весьма образное название «черной дыры». Никакое излучение — фотонное, нейтринное или корпускулярное,— из такой «дыры» уже не выходит. Единственное, что остается от этой звезды для внешнего мира,— это ее гравитационное поле, определяемое массой. Если, например, в двойной системе одна из компонент сколлапсирует, то это ничуть не отразится на движении второй компоненты.

Учет вращения звезды осложняет картину гравитационного коллапса, но качественно ее не меняет. Следует, однако, подчеркнуть, что никакое вращение не может предотвратить коллапс. Конечной стадией эволюции достаточно массивных объектов после исчерпания запасов ядерной энергии должен быть коллапс.

Точное решение задачи общей теории относительности для сферически-симметричного вращающегося гравитирующего тела было дано сравнительно недавно, в 1963 г., Керром. Это решение отличается большим изяществом и открывает возможность для довольно любопытных теоретических умозаключений. Применение этого решения к проблеме коллапса вращающейся звезды имеет своим следствием только некоторое отличие характеристик гравитационного поля вблизи сколлапсировавшей звезды от шварцшильдовского решения. Итак, от сколлапсировавшей звезды остаются для внешнего наблюдателя только ее характеристики: 1) масса M, 2) вращательный момент K. Характерное «стирание» индивидуальных характеристик коллапсирующих звезд при их асимптотическом приближении к гравитационному радиусу известный американский физик Уиллер пояснил таким афоризмом: «черные дыры не имеют волос...»

В последние годы теоретики довольно много занимались абстрактными математическими свойствами черных дыр. Например, исследовались возможности столкновения черных дыр с обыкновенными звездами и между собой. Оказывается, что после таких столкновений могут образовываться новые черные дыры, причем в течение короткого времени r_g/c 10^-5 с они будут находиться в сильно возмущенном состоянии, характеризующимся мощным излучением гравитационных волн (см. ниже), после чего они опять «успокаиваются». Самым общим образом было доказано несколько важных математических теорем о черных дырах. Сформулируем две из них: а) образовавшаяся каким-либо способом черная дыра никогда не может быть разрушена; б) одна черная дыра никогда не может разделиться на две черные дыры, хотя обратный процесс возможен.

Недавно, однако, английский теоретик Хоукинг показал, что, строго говоря, теорема а) неверна: образовавшиеся каким-либо образом черные дыры очень малой массы с течением времени как бы «испаряются». Остановимся на этом любопытном феномене, казалось бы, разрушающем все наши представления о черных дырах, более подробно. Согласно взглядам современной физики, вакуум представляет собой отнюдь не абсолютную пустоту, в которой движутся различные материальные тела. На самом деле вакуум — как бы огромный резервуар, наполненный всевозможными, так называемыми «виртуальными» частицами и античастицами.

При отсутствии внешних воздействий (например, полей) эти «виртуальные» частицы не «материализуются», их как бы нет. Однако достаточно сильные или переменные поля (электрическое, гравитационное) вызывают превращения виртуальных частиц в материальные, которые вполне могут быть наблюдаемы.

Хоукинг обратил внимание на то, что коллапсирующую звезду нельзя считать абсолютно застывшей. Характерное время изменения всех процессов, очевидно, равно гравитационному радиусу, поделенному на скорость света, т. е.

(24.3)

Другое дело, что сама величина этих процессов по мере гравитационного коллапса становится очень малой — звезда как бы застывает. Суть дела, однако, в том, что изменяющееся гравитационное поле «материализует» только те виртуальные частицы (например, фотоны), у которых частота равна характерной частоте изменения гравитационного поля, т. е. _g = = . Поэтому в гравитационном поле «застывшей» звезды — черной дыры должны непрерывно рождаться кванты с частотой, равной _g. Имеет место своеобразный резонанс.

Согласно расчетам Хоукинга, черная дыра с массой М излучает как абсолютно черное тело, температура которого

(24.4)

где =  — постоянная Планка, k = 1,4 10^-16 — постоянная Больцмана. Мощность излучения черной дыры

(24.5)

где M — масса черной дыры, выраженная в граммах.

За счет этого излучения черная дыра теряет массу, а размеры ее непрерывно уменьшаются. Из формул (24.4) и (24.5) видно, что для «обычных» черных дыр, масса которых M = 2 10³³ г, температура T 10^-7 К, а мощность излучения примерно равна 10² эрг/с, т. е. ничтожно мала. Такие звездные дыры излучают в диапазоне сверхдлинных (многокилометровых) радиоволн. Другое дело, если масса черной дыры маленькая. Такие «мини-дыры» в принципе могут существовать как «реликт» отдаленной эпохи, когда возраст Вселенной был значительно меньше микросекунды. По мере «таяния» («испарения») малой черной дыры мощность излучения и его жесткость будет расти и в конце концов малый остаток дыры как бы взорвется, породив вспышку жесткого гамма-излучения. Любопытно отметить, что последние 10⁹ г черная дыра излучает за 0,1 с. За это время вырабатывается энергия mc² = 10³⁰ эрг, соответствующая энергии взрыва миллиона мегатонных водородных бомб! Время жизни черной дыры определяемое таким процессом испарения, будет

(24.6)

Отсюда видно, что если черные дыры образовались 10¹⁰ лет тому назад, когда Вселенная была очень маленькая и плотная, то до нашей эпохи могли «дожить» только такие дыры, масса которых больше 10¹⁵ г. Именно такие дыры (если они, конечно, существуют...) и должны «взрываться» в наше время. Из того факта, что таких вспышек мы не наблюдаем, можно сделать вывод, что по крайней мере в Солнечной системе таких «реликтов» нет и что только очень малая часть массы Вселенной может находиться в форме малых черных дыр. Любопытно отметить, что у черной дыры с массой 10¹⁵ г, т. е. миллиард тонн, гравитационный радиус 10^-13 см, что близко к классическому радиусу электрона...

Огромный теоретический интерес представляет характер коллапса с точки зрения воображаемого наблюдателя, находящегося на коллапсировавшем теле. Как уже говорилось, момент прохождения сжимающейся звездой шварцшильдовской сферы для такого наблюдателя ничем не выделен. Хотя полной ясности по поводу судьбы сжимающейся звезды у ученых пока нет, все же не видно причин, почему бы ей не сжаться в точку. Высказывались робкие надежды, что ситуация может быть другой при плотности 10⁹³ г/см³ (!). При таких плотностях должны становиться существенными квантовые явления в сильных гравитационных полях, хотя что это такое, никто толком сейчас не знает. Разумеется, как уже подчеркивалось выше, с точки зрения внешнего наблюдателя такая ситуация никогда не реализуется. Но это не значит, что обсуждение этой проблемы лишено какого бы то ни было физического смысла. Ведь шварцшильдовская сфера существует отнюдь не только у звезд. Любая масса, в частности, сколь угодно большая, имеет свой гравитационный радиус. Известно, что если бы средняя плотность вещества во Вселенной превосходила 10^-29 г/см³, Вселенная была бы замкнутой. Но это то же самое, что вся Вселенная находилась бы под своим гравитационным радиусом. При современном уровне наблюдательной астрономии нельзя исключить возможность. того, что если не вся Вселенная, то ее отдельные, достаточно большие и массивные части находятся внутри своих шварцшильдовских сфер. Например, некоторые теоретики считают, что в ядрах галактик имеются весьма массивные черные дыры. Заметим, что средняя плотность вещества внутри шварцшильдовской сферы 1/M². Поэтому, если масса черной дыры M достаточно велика (например, 10⁸ 10⁹M), то средняя плотность будет сравнительно низкой, и там, в принципе, могут находиться не только воображаемые, но и вполне реальные наблюдатели. Таким образом, вопрос о том, сжимается ли коллапсирующий объект в точку (т. е. до бесконечно высокой плотности) или что-то ему это сделать мешает, представляет отнюдь не абстрактный интерес. Еще раз подчеркнем, что однозначного ответа на этот вопрос пока еще наука не дает.

Однако при всей важности этих проблем для астрофизиков (да и не только астрофизиков) основное — это обнаружить во Вселенной реальные (так сказать, «живые», хотя и лишенные «собственных волос») черные дыры.

В принципе сейчас можно указать по крайней мере на три вида таких наблюдений: 1. Поиски «невидимых» черных дыр в двойных (или кратных) звездных системах. 2. Поиски черных дыр в двойных звездных системах, являющихся мощными источниками рентгеновского излучения. 3. Поиски гравитационного излучения, сопутствующего коллапсу.

Что касается поисков невидимых, но достаточно массивных компонент в двойных системах, то следует заметить, что эта задача столь же трудна, как и неопределенна. Хотя разные авторы в последние годы обращали внимание на несколько «подозрительных» двойных систем (в том числе знаменитая система Лиры, а также Близнецов, Водолея и ряд других объектов), результаты их анализа все же не отличаются определенностью, а главное, однозначностью. Ведь «невидимость» массивной компоненты не обязательно объясняется ее «чернодырной» природой. Звезды обнаруживают удивительное разнообразие характеристик, особенно в двойных системах (см. § 14). Кроме того, нельзя исключить возможность того, что вокруг «подозреваемой» звезды имеется пылевое облако, делающее ее невидимой.

Значительно более перспективными представляются попытки обнаружить черные дыры в тесных двойных системах по рентгеновскому излучению одной из компонент. В предыдущем параграфе мы уже довольно подробно обсуждали рентгеновские пульсары, являющиеся нейтронными звездами, излучающими в рентгеновском диапазоне по причине аккреции. Можно себе представить совершенно таким же образом тесную двойную систему, одной из компонент которой является черная дыра. «Оптическая» компонента у такой системы может заполнять свою полость Роша и мощная струя газа будет падать на черную дыру. Так как струя газа несет с собой большой вращательный момент, то она образует вокруг черной дыры быстро вращающийся газовый диск. Частицы, образующие диск, будут вращаться вокруг черной дыры приблизительно по закону Кеплера. Из-за вязкости частицы диска будут непрерывно терять вращательный момент и часть их будет постепенно «оседать» в черную дыру. В процессе такого оседания, как можно показать, газ будет излучать во внешнее пространство часть своей гравитационной потенциальной энергии.

В процессе оседания газа в черную дыру температура внутренних частей диска станет очень высокой. Такой диск может быть мощным источником рентгеновского излучения. Мощность и спектр излучения в первом приближении такие же, как и от нейтронных звезд — рентгеновских пульсаров. Разумеется, рентгеновское излучение при аккреции газа на черную дыру не может носить характер строго периодических импульсов (как у Геркулеса Х-1 и Центавра Х-3). Но ведь далеко не все рентгеновские пульсары — нейтронные звезда — излучают «секундные» импульсы. Этому может, например, помешать сильное рассеяние или «неблагоприятная» (по отношению к земному наблюдателю) ориентация оси вращения нейтронной звезды. В то же время рентгеновский источник — горячий компактный диск, вращающийся вокруг нейтронной звезды, может из-за своего орбитального движения вокруг «оптической компоненты» периодически затмеваться точно так же, как и рентгеновский пульсар.

Таким образом, в принципе, среди рентгеновских источников — компонент тесных двойных систем могут быть и черные дыры. Решающий тест, позволяющий отличить черную дыру от нейтронной звезды, состоит в определении массы такого рентгеновского источника. К сожалению, эта задача оказывается далеко не простой. Из зависимости лучевых скоростей оптической звезды от времени, вызванной ее орбитальным движением вокруг центра тяжести системы, можно получить только функцию масс (см. § 1), но отнюдь не массу «невидимого» рентгеновского источника. Если бы рентгеновский источник имел пульсирующую строго периодическую компоненту, то в сочетании с анализом кривой лучевых скоростей оптической компоненты можно было бы определить массы каждой из компонент. Но в случае рентгеновского источника, связанного с черной дырой, пульсирующей компоненты в рентгеновском излучении не может быть. При такой ситуации приходится применять разного рода косвенные методы, далеко не всегда надежные.

Рис. 24.1: Схема, поясняющая вариации лучевых скоростей линии Не II 4486 в «антифазе» с линиями поглощения оптической компоненты системы.

Уже несколько лет обсуждается возможность того, что яркий рентгеновский источник Лебедь Х-1 обусловлен черной дырой. Как известно, этот источник надежно отождествляется с яркой звездой класса В, у которой длины волн спектральных линий меняются с периодом 5,6 дня. И вот появилось сообщение, что длина волны линии излучения ионизованного гелия в спектре этой звезды меняется с тем же периодом, но с противоположной фазой. Если бы эти наблюдения подтвердились, то естественно было бы считать, что эта линия излучения возникает не в атмосфере «оптической» звезды, а в газовой струе около рентгеновского источника или в окружающем его диске. Тогда понятно, почему изменения лучевых скоростей этой линии противоположны по фазе изменениям лучевых скоростей других линий (рис. 24.1). Из измеренного отношения амплитуд лучевых скоростей, как легко понять, непосредственно находится отношение масс. Так как масса оптической звезды класса В около 20M, а отношение амплитуд лучевых скоростей как будто оказалось равным 1 : 2, то сразу же следовал важнейший вывод, что масса рентгеновской звезды около 10M. Так как верхний предел массы нейтронных звезд около 2,5M, то выходило, что источник Лебедь Х-1 — черная дыра. Большинство исследователей в настоящее время (1983 г.) считают, что компактная рентгеновская компонента Лебедя Х-1 имеет массу, превышающую шесть солнечных, следовательно, является черной дырой.

С проблемой сверхмассивных черных дыр должна быть тесно связана общая проблема активности ядер галактик и квазаров, которой уделялось так много времени в астрономии в течение последнего десятилетия.

Теперь настала пора поговорить о приеме гравитационного излучения как методе обнаружения коллапса звезд. Но прежде всего читатель должен получить хотя бы самое общее представление о гравитационных волнах.

Рис. 24.2: Схема гравитационного квадруполя.

Из закона всемирного тяготения Ньютона следует, что гравитационная сила убывает с расстоянием как r^-2. Заметим, однако, что вызывающее притяжение тело предполагается при этом точечным либо сферическим. Представим себе теперь, что притяжение вызывают массы, движущиеся в пределах области, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до точки наблюдения. В этом случае мы можем разделить силу притяжения в точке наблюдения на две части. Первая часть, являющаяся главной, равна GM/r², где M — сумма масс тел, а r — расстояние от точки наблюдения до центра тяжести системы масс, вызывающих притяжение. Вторая часть силы притяжения носит характер небольшой добавки и зависит от относительного расположения масс. Можно показать, что по порядку величины эта «добавка» равна GMa²/r⁴. На рис. 24.2 приведена простейшая схема, иллюстрирующая сказанное. Дополнительная сила в этом случае равна + - (где положено M₁ = M₂ = M). Величина, пропорциональная Ma²г, носит название «квадрупольный момент». Квадрупольный момент отличен от нуля не только для системы тел, но и для любого несимметричного тела (например, трехосного эллипсоида). Квадрупольный момент может меняться со временем. Так будет, например, у двойной звездной системы или вращающегося несимметричного тела. В этих случаях он будет меняться со временем строго периодически. Следовательно, на основании ньютоновской теории тяготения обусловленное квадрупольным моментом ускорение «пробной» частицы в точке наблюдения будет также периодически меняться с той же фазой, без всякой «задержки». Ведь теория Ньютона исходит из концепции мгновенного дальнодействия.

Обратим теперь внимание на то, что в поле тяготения регистрирующие приборы могут измерять только относительные ускорения, т. е. разность ускорений в двух точках. Относительное ускорение от точечного или сферически-симметричного тела меняется с расстоянием как 1/r³ — это хорошо известное выражение для приливных сил. Квадрупольная составляющая гравитации от системы тел или несимметричного тела вызывает относительное ускорение, равное GMa²l/r⁵, где l — расстояние между двумя пробными частицами. Мы видим, что это относительное ускорение очень быстро убывает с расстоянием.

Релятивистская теория тяготения в этом пункте радикально расходится с ньютоновской. Согласно общей теории относительности для r > ct (где t — характерное время изменения квадрупольного момента, например, период орбитального движения двойной системы звезд или период осевого вращения несимметричного тела), относительное ускорение, обусловленное квадрупольным моментом, меняется не как r^-5, а как r^-1. При этом, если изменение со временем квадрупольного момента носит периодический характер, фаза этих относительных ускорений смещена на величину r/cr. Все это означает, что меняющийся со временем квадрупольный момент гравитирующего тела (или системы тел) создает на больших расстояниях специфическое гравитационное поле, имеющее характер распространяющейся со скоростью света волны. Можно показать, что гравитационные волны поперечны и поляризованы.

Принципиальное различие между эйнштейновской и ньютоновской теорией тяготения ярко выявляется на примере кеплеровского движения в двойной звездной системе. Согласно классической теории Ньютона такая система (если считать, что звезды имеют «точечные» размеры) сколь угодно долго сохраняет свою энергию. Наоборот, согласно теории тяготения Эйнштейна такая система должна непрерывно терять энергию на излучение гравитационных волн. Этот эффект особенно силен для тесных двойных систем (см. § 22, где речь шла о возможности объяснения пульсаров системами двойных нейтронных звезд). На достаточно больших расстояниях от двойной системы относительное ускорение, обусловленное гравитационной волной, на много порядков превосходит обычное приливное «статическое» ускорение, создаваемое такой системой, которое убывает как r^-3.

Какие же космические объекты являются источниками гравитационного излучения? Прежде всего — это тесные двойные (или кратные) системы. Усредненная по периоду обращения мощность гравитационного излучения от двойной системы дается формулой

(24.7)

причем частота гравитационного излучения равна удвоенной частоте орбитального движения (т.е. 4/T, где T — период системы), M₁ и M₂ — массы компонент, a — большая полуось орбиты, f(e) — некоторая функция эксцентриситета орбиты e, меняющаяся с ростом e от 1 до весьма больших значений. По этой формуле можно найти, что мощность гравитационного излучения Юпитера, движущегося по своей орбите, L_g = 5 10¹⁰ эрг/с — величина совершенно ничтожная ( 5 киловатт — всего лишь!). Однако у тесных двойных систем мощность гравитационного излучения несравненно больше. У некоторых систем (например, UV Льва) она доходит до 2 10³² эрг/с, что составляет 5% от светимости Солнца. Потоки гравитационного излучения от ближайших к нам таких звездных систем доходят до 10^-10 эрг/см² с. Это близко к потоку световой энергии от звезды 15-й видимой величины. Полный поток гравитационного излучения на Земле от всех звезд в Галактике должен быть около 10^-9 эрг/см² с, причем частота этого излучения, определяемая средними орбитальными периодами, порядка 10^-4 с^-1.

Другим источником гравитационного излучения являются вращающиеся вокруг своих осей звезды с несимметричным распределением массы (например, трехосные эллипсоиды). Мощность гравитационного излучения- такой звезды определяется формулой (22.3) (см. § 22).

Частота излучаемых гравитационных волн равна удвоенной частоте осевого вращения, что является общим свойством квадрупольного излучения. Обращает на себя внимание очень сильная зависимость L_g от . Из нее следует, что из всех вращающихся звезд наиболее сильное гравитационное излучение следует ожидать от пульсаров и прежде всего от самого короткопериодичного пульсара, расположенного в Крабовидной туманности. В § 20 мы уже обратили внимание на несоответствие возраста этого пульсара, полученного из анализа его торможения (1170 лет), и реального возраста Крабовидной туманности (920 лет). Это несоответствие можно устранить, если предположить, что наряду с магнитодипольным излучением и «пульсарным ветром» этот пульсар излучает гравитационные волны, причем мощность последних составляет 20% от полной излучаемой мощности и достигает   --2 10³³ эрг/с. Такое гравитационное излучение согласно формуле (22.3) § 22 будет иметь место при значении «параметра трехосности» _e = 10^-4, т. е. при совершенно ничтожном отклонении формы нейтронной звезды от сфероида. Если несоответствие вычисленного и «реального» возрастов пульсара NP 0531 объясняется его гравитационным излучением, то поток последнего у Земли будет 3 10^-7 эрг/с, что в сотни раз больше, чем от самых «благоприятных» двойных систем. При будущих попытках обнаружения гравитационного излучения от этого пульсара большое значение будет иметь знание с огромной точностью частоты гравитационного излучения и изменений этой частоты со временем. Автор этой книги глубоко убежден, что если когда-нибудь будет обнаружено гравитационное излучение от какого-либо космического объекта, то этим объектом будет пульсар в Крабовидной туманности. Последняя, как мы знаем, уже не раз обогащала астрономическую науку открытиями, первостепенной важности. Я верю, что эта замечательная туманность и в будущем останется верной этой хорошей традиции...

От каких еще объектов можно надеяться в будущем обнаружить гравитационное излучение? Оказывается, что мощный импульс такого излучения длительностью короче секунды следует ожидать в момент гравитационного коллапса звезды, сопутствующего ее взрыву как сверхновой. Конечно, в нашей Галактике такие явления происходят чрезвычайно редко, примерно раз в столетие. Но количество энергии в гравитационном импульсе может быть настолько велико ( 10⁵⁰ эрг!), что даже если сверхновая вспыхнет не в нашей Галактике, а в какой-либо другой звездной системе, удаленной от нас на десятки миллионов парсек, то поток от нее будет достаточно велик. Спектр этого гравитационного излучения довольно широкий. Наконец, нельзя исключить, что специфические, пока еще не нашедшие объяснения процессы, происходящие в ядрах галактик (в том числе и нашей Галактики) могут приводить к «всплескам» гравитационного излучения. Таким образом, со всех направлений неба следует ожидать весьма кратковременных импульсов гравитационного излучения от весьма удаленных объектов. Разумеется, прогнозировать моменты таких импульсов нет никакой возможности. Нужна специальная служба неба, причем гравитационных детекторов должно быть несколько. Дело в том, что такие детекторы будут непрерывно регистрировать разного рода помехи, в особенности «микросейсмы», т. е. непрерывные колебания земной коры. Только совпадающие по времени импульсы, полученные на разных станциях, должны приниматься в расчет. Несомненно, что обнаружение (в будущем) гравитационного излучения от таких объектов, как взрывающиеся звезды и ядра галактик, обогатит астрономию принципиально новым методом исследования, возможности которого сейчас очень трудно предвидеть[ 60 ].

В заключение этого параграфа стоит сказать хотя бы несколько слов о технике экспериментов по измерению гравитационного излучения. Прежде всего необходимо подчеркнуть исключительную трудность этой задачи. Дело в том, что сама величина относительного ускорения пробного тела, которую надлежит измерить, невообразимо мала. Например, если два пробных тела удалены друг от друга на расстояние земного радиуса (6,3 10⁸ см), то относительное ускорение в поле гравитационной волны, излученной двойной системой, удаленной от нас на расстояние 10 пс, в которой массы компонент близки к массе Солнца, а период обращения составляет 8 часов, будет 10^-24 см/с². Никакая современная измерительная техника не может даже помышлять об измерении таких ничтожно малых величин. Тем не менее приемники гравитационного излучения (рассчитанные, конечно, на прием несравненно больших мощностей) разработаны и первые эксперименты уже проведены.

Мыслимо много типов приемников гравитационного излучения. Общим свойством предложенных схем является предельное использование всех возможностей современной измерительной техники, основывающейся в значительной степени на электронике. Однако реальных измерений гравитационного излучения, которые были бы вполне достоверны, пока еще нет.

Примечания:

4

Из этого правила есть одно важное исключение: если энергетические уровни атома или молекулы очень близки к «основному», а радиационные переходы между ними являются «запрещенными», то «населенность» «возбужденных» уровней может быть сравнима с населенностью основного.

5

А не 4, как может показаться, потому что на поверхности звезды поток излучения направлен только наружу, т. е. даже там условие термодинамического равновесия не выполняется.

6

У этого правила есть важные исключения, о которых речь будет идти ниже.

45

Следует все же заметить, что некоторые «молодые» нейтронные звезды (возраст меньше 10⁵ лет, а температура поверхности больше 10⁶ К) могут быть обнаружены по их тепловому рентгеновскому излучению, Таких объектов, однако, сравнительно мало.

46

Буквы «СР» означают «Кембриджский пульсар», число «1133» означает, что прямое восхождение пульсара равно 11 часам 33 минутам.

47

Именно от этого пульсара было обнаружено гамма-излучение (см. § 16).

48

В настоящее время (1983 г.) самым коротким из известных орбитальных периодов обладает звезда 15^m AM Гончих Псов (1051,2 секунды или 17,5 минуты).

49

Периоды вращения некоторых бывших новых — компонент тесных карликовых систем — порядка десятков и сотен секунд (см. § 14).

50

Тот факт, что периоды вращения «новорожденных» пульсаров могут быть очень малы ( 10^-3 с), означает, что они возникли в процессе катастрофического сжатия ядер неких звезд, вращающихся очень быстро, всего лишь за несколько десятков минут.

51

В 1974 г. было измерено собственное движение одного из самых близких пульсаров СР 1133. Оно оказалось около 0,6 секунды дуги в год, откуда, принимая расстояние до пульсара 130 парсек (как это делается — см. § 21), получаем тангенциальную скорость 310 км/с. Вскоре после этого собственное движение было измерено еще у 7 близких пульсаров. Их тангенциальные скорости находятся в пределах 80—500 км/с. В настоящее время (1983 г.) собственные движения надежно измерены еще у двух десятков пульсаров. Согласно этим измерениям средняя пространственная скорость их превышает 200 км/с.

52

Совсем недавно (конец 1982 г.) был обнаружен пульсар с периодом 1,5 миллисекунды, т. е. в 20 раз меньшим, чем у NR 0531.

53

Интересно отметить, что сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов 10¹¹—10¹³ эВ резко отличается от более мягкого. Оно переменно со временем, фаза импульсов меняется, а спектральная плотность потока не убывает с ростом частоты. По-видимому, сверхжесткое излучение генерируется совершенно особым механизмом.

54

По этой причине указанный цилиндр называется «световым цилиндром».

55

См., впрочем, стр. 757.

56

В 1975 г. было обнаружено мягкое рентгеновское излучение этого источника.

57

Необходимость образования такого диска следует из закона сохранения момента количества движения.

58

Такие источники довольно часто наблюдаются на небе. Внешне это явление вполне похоже на вспышку новой звезды. Обычно эти источники наблюдаются несколько недель или месяцев, после чего гаснут. Некоторые из них достигают огромной яркости. Пока рекорд держит источник, вспыхнувший летом 1975 г. неподалеку от созвездия Ориона. Его яркость на порядок превышала яркость Скорпиона Х-1, являющегося ярчайшим из «стационарных» источников. Весьма вероятно, что по крайней мере некоторые из таких источников — это двойные системы, где нейтронная звезда движется по эксцентричной орбите, а оптическая компонента обладает сильно меняющимся по мощности звездным ветром. В случае яркого «временного» источника A 0535+26, у которого период вращения 104 с, была найдена модуляция этого периода, указывающая на орбитальное движение вокруг горячей массивной звезды с периодом либо около 40, либо около 80 суток.

У «временного» источника А 1118—61 также были обнаружены указания на наличие 8-дневного орбитального периода. Таким образом, сейчас уже почти с достоверностью можно сказать, что все «рентгеновские звезды» («постоянные», «временные», «импульсные») образуются при аккреции газа на компактные, проэволюционировавшие объекты в двойных системах.

59

У барстера, расположенного около галактического центра (см. выше), наряду с 17-секундными импульсами, вызванными аккрецией газа, обнаружены значительно более «редкие» всплески термоядерного происхождения.

60

Двойной радиопульсар PSR 1913+16, обе компоненты которого — нейтронные звезды с массой 1,4M, имеющие период орбитального движения 7,75 часа, должен быть генератором гравитационных волн. Это мощное излучение непрерывно меняет орбиту системы. Такие изменения, по-видимому, обнаружены, что является доказательством реальности гравитационного излучения.