Сегодня Кавендишская лаборатория располагается на окраине Кембриджа, но во времена открытия нейтрона Чедвиком она находилась в центре города. Случилось так, что в старой лаборатории комната Лонгейра оказалась вблизи кабинета профессора астрофизики Энтони Хьюиша. Профессора интересовали квазары и, главное, сцинтилляция квазаров – на первый взгляд случайные флуктуации интенсивности испускаемых ими радиоволн. Это похоже на известное всем мерцание звезд: кажется, что яркость звезд меняется, а на самом деле эффект связан только с турбулентностью атмосферы Земли, через которую до нас доходит свет звезд. Турбулентность приводит к неоднородности воздуха и, как следствие, к фокусировке или дефокусировке света. Поскольку под действием ветра воздух движется, яркость каждой звезды представляется быстро флуктуирующей, или, иначе говоря, звезды мерцают. Когда радиоволны проходят сквозь разреженный газ в пространстве между звездами, они сталкиваются с похожими помехами. Межзвездная среда неоднородна: где-то она более плотная, где-то более разреженная. Приближаясь к Земле, радиоволны испытывают действие еще и солнечного ветра – вырывающихся из Солнца сгустков и облаков плазмы. В результате кажется, будто источник радиоволн “мерцает”. В отличие от мерцающих квазаров – компактных источников радиоволн – радиогалактики (другой тип активных галактических ядер с большим угловым диаметром) не мерцают. Изучая, как меняется сцинтилляция радиоисточника, ученые могут узнать больше о неоднородностях межзвездной среды14. (Подробнее о том, что происходит в межзвездной среде, см. в разделе “Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд”.)
Хьюиш полагал, что, если использовать большие радиотелескопы, способные отыскать на небе мерцающие источники, появится возможность отобрать среди них квазары. Его коллега Мартин Райл обнаружил несколько тысяч радиогалактик, многие из которых могли оказаться квазарами. Понять, какие именно, было невозможно, поскольку телескоп Райла работал на слишком высокой частоте, не позволявшей увидеть сцинтилляции. Идея Хьюиша состояла в следующем: надо построить радиотелескоп с высокочувствительной системой радиоантенн, позволяющей регистрировать очень низкие частоты15. От департамента научных и промышленных исследований Великобритании он получил грант в размере 17 тысяч фунтов16. Это не слишком много, но достаточно, чтобы вбить в землю тысячу столбов в открытом поле сельского Кембриджшира. Строительство началось в 1965 году.
Когда Хьюиш спланировал “Межпланетную сцинтилляционную матрицу”, он не собирался самостоятельно вбивать столбы. Эту почетную работу поручили шести студентам магистратуры. Среди них оказалась и Джоселин Белл. Лонгейр рассказывает, что в Кембридже среди магистрантов физического факультета редко встречались женщины. В 1965 году в Кавендишской лаборатории появилась недавно приехавшая из Северной Ирландии двадцатидвухлетняя девушка. (По словам Лонгейра, формально она числилась в другом колледже.) Степень бакалавра по специальности “физика” Джоселин Белл получила в Университете Глазго, и у нее был трехлетний грант, позволявший ей работать над диссертацией в Кембридже. Как и другие магистранты, она главным образом работала на чердаке лаборатории или в поле. Диссертационной задачей Джоселин Белл стало построение сцинтилляционной матрицы и проверка ее работоспособности. Она планировала убедиться в том, что с помощью матрицы можно изучать флуктуации радиоисточников, исследовать роль солнечного ветра и искать квазары. На постройку сцинтилляционной матрицы ушло два года. Работали непрерывно круглый год, даже ветреной кембриджской зимой. Телескоп начал собирать данные в июле 1967-го.
За время полевых работ Белл очень загорела и окрепла. “Коллеги из лаборатории постоянно спрашивали меня, не вернулась ли я недавно с лыжного курорта”, – тихим голосом рассказывает Белл, сейчас она приглашенный профессор Оксфордского университета. Во время разговора Джоселин не слишком задумывается над ответами. Вероятно, это результат огромного числа интервью, которые она дала за прошедшие десятилетия. Но ее ответы, как и электронные письма, с помощью которых мы договаривались о встрече, так чистосердечны, в них столько юмора, что я мгновенно успокаиваюсь.
Сцинтилляционная матрица Энтони Хьюиша с ее деревянными столбами, конечно, отличалась от типичной параболической радиоантенны, которую представляет себе большинство людей, когда их просят описать радиотелескоп. Тем не менее вначале большую часть результатов радиоастрономы получили с помощью этих простых решеток из столбов и километров медной проволоки. Чтобы при такой большой собирающей поверхности матрица работала, важно, чтобы она была “фазированной”. Это значит, надо убедиться, что от разных частей матрицы сигналы приходят с нужным запаздыванием, так что их можно собрать вместе и получить один входящий сигнал17. Именно Хьюиш первым предложил такой метод исследования сцинтилляций радиоисточников. Когда Белл начала использовать эту матрицу, было известно только около двадцати квазаров, а к концу своей работы она открыла еще около двухсот.
Площадь матрицы Хьюиша составляла около 18210 квадратных метров (4,5 акра), как два футбольных поля. Лонгейр говорит: “Этого оказалось достаточно для регистрации флуктуаций интенсивности радиоисточников в масштабе времени порядка одной десятой секунды”. Помимо километров медной проволоки Хьюишу пришлось купить около 13,5 километра кабеля и 124 километра проволоки для отражателя. Столбы расставили в шестнадцать рядов на расстояниях, обеспечивающих требуемую задержку фаз между ними.
Матрица была способна регистрировать волны длиной около з,7 метра, что означало возможность работать на очень низкой частоте в 81,5 МГц. Матрица действовала как обычная телевизионная антенна, но ее длину надо умножить на число входящих в нее диполей, а их 2048. В отличие от управляемого отражателя, такая матрица может сканировать все видимое небо. Когда приходит радиоволна, ее колебания вызывают колебания электронов проволоки, связывающей столбы. Эти колебания передаются на соединительный кабель, подключенный к приемнику в лаборатории, где фиксируются колебания электрического тока. Сегодня через кабель в компьютер передается последовательность цифр. Но в шестидесятые годы вычислительные машины были аналоговыми, и Белл приходилось внимательно изучать километры нарисованных красными чернилами закорючек на непрерывно выползающей из ее самописца узкой ленте миллиметровой бумаги18. На выставке в старой аппаратной вблизи поля, где раньше располагалась матрица, можно увидеть несколько таких бумажных рулонов. Белл одна просматривала и разбирала эти данные, поскольку, как она предполагает, с точки зрения научной значимости тема не считалась настолько важной, чтобы привлечь к работе над ней еще и других магистрантов. По словам Белл, это было утомительно и занимало много времени. Она добавляет: “Я не успевала уследить за всем. Я отставала”.
Чтобы обнаружить сцинтилляции и, следовательно, квазар, Белл приходилось внимательно следить за изменениями интенсивности флуктуаций. Она должна была удостовериться, что закорючки на ленте самописца действительно означают радиоволны, распространяющиеся от далекого источника, а не помехи, созданные работающим поблизости трактором или проехавшей машиной. Они тоже могут выглядеть как радиоволны, но закорючки, связанные с космическими источниками, выглядели как специфическая интерференционная картина: два небольших выступа по бокам и большой выступ посередине. Их прозвали “чадами”. Название позаимствовали из мультфильма времен войны, где персонаж по имени Чад выглядывал из-за стены, откуда торчали только его руки и голова с носом и черными глазами. Он интересовался сахаром, яйцами или другими исчезнувшими из продажи продуктами.
Хьюиш предложил Белл сделать карту неба, где можно отмечать мерцающие источники. Каждый раз, увидев такой источник, она должна вручную поставить на этой карте крестик. Если источник появляется на том же месте каждую неделю, она будет знать, что это реальный источник – квазар. Белл перестраивала карту каждую неделю, для чего ежедневно анализировала сотни метров бумаги с непрерывно поступающими от телескопа данными.
6 августа 1967 года на ленте самописца длиной около 120 метров Белл заметила удивившую ее закорючку. Эту закорючку размером полсантиметра она назвала “загривок” и, пометив ее вопросительным знаком, перешла к следующему участку ленты. Однако она понимала, что, хотя ее “загривок” был где-то далеко-далеко, выглядел он как источник сильной сцинтилляции на участке неба, заметно удаленном от Солнца. Но это явно было не межпланетное мерцание.
Весьма любопытно, что всякий раз, когда Белл видела этот сигнал, казалось, он исходит из одного и того же места на ночном небе. Поскольку сцинтилляция – явление, связанное с Солнцем, обычно оно наблюдается в течение дня. И Белл сознательно выбрала для исследований эту область неба: она ненавидела поздно ложиться спать. Странно и то, что “загривок” никогда не воспроизводил все три составляющих интерференционной картины “чада”. Иногда вспышка была одноминутной, иногда двухминутной, но трехминутной – никогда.
Хьюиш, научный руководитель Белл, не слишком пристально следил за ее работой, надеясь, что она справится сама. Но если что-то шло не так, он приходил на помощь. Когда Белл поняла, что раз за разом этот странный сигнал приходит из одного и того же места на небе, она обратилась к Хьюишу.
Хьюиш и сам был заинтригован. Он решил продолжить наблюдения, ускорив движение ленты самописца, чтобы увеличить масштаб изображения. Хьюиш считал, что сигнал надо растянуть так, чтобы он занимал больше шести миллиметров, и тогда станет возможно исследовать его структуру. Ежедневно какую-то часть дня Белл сражалась с ускоренным самописцем, но заставить его работать без остановки не могла: быстро заканчивалась бумага. Еще больше ее расстраивало то, что этот сигнал оказался капризным – целый месяц, именно в те часы, когда она вела наблюдение, источник “скромничал” и не показывался. Похоже было, что он исчез навсегда. Белл уже почти потеряла надежду его увидеть, когда наконец, 26 ноября, этот источник объявился вновь