Поэтому стало неожиданностью открытие, сделанное 24-летней студенткой-дипломницей Джоселин Белл[34]. Уроженка Северной Ирландии, Белл работала в английском Кембриджском университете под руководством радиоастронома Энтони Хьюиша. В 1960-х гг. радиоастрономия, изучающая длинноволновое излучение изо всех уголков Вселенной, была относительно новой сферой научной деятельности, и открытия совершались постоянно.
Радиотелескоп, в построении которого участвовала Белл, представлял собой конструкцию из деревянных опор, соединенных проводами, – нечто вроде телевизионной антенны старого типа, но намного больше. Недорогая система ловила космические радиоволны и каждый день выдавала около 30 м записей самописца, напоминающих данные сейсмографа.
Стояло лето 1967 г. – «Лето любви». Хиппи курили травку в районе Хейт-Эшбери в Сан-Франциско, «Битлз» записывали альбом «Magical Mystery Tour», а Джоселин Белл корпела над записями радиотелескопа в надежде найти в этих загогулинах что-нибудь неожиданное.
Осенью 1967 г. надежда оправдалась.
Белл обнаружила таинственный пульсирующий радиосигнал из маленького созвездия Лисы – короткий «пик» каждые 1,3 секунды, словно космический метроном.
Возможно, вы слышали эту историю, она правдива: несколько недель Белл Хьюиш и их коллеги допускали, что нашли инопланетян. Какой природный феномен мог выдавать такой частый, чрезвычайно регулярный сигнал? Казалось, он имел искусственное и в то же время, безусловно, внеземное происхождение. Они даже обозначили сигнал аббревиатурой LGM-1, от «маленькие зеленые человечки» (little green men).
Как ни странно, Белл это раздражало, хотя молодому астроному должна была льстить мысль, что она, возможно, нашла свидетельство существования инопланетян. «Я пытаюсь выжать себе диссертацию из нового метода, а идиотские зеленые человечки, видите ли, выбрали мою антенну и частоту, чтобы связаться с нами», – вспоминала она во время застольной речи на конференции в Бостоне в декабре 1976 г.
Вера в маленьких зеленых человечков не затянулась. Через пару месяцев Белл нашла еще три аналогичных источника пульсирующих радиосигналов в совершенно других частях неба. Невероятно, чтобы четыре самостоятельные инопланетные цивилизации пользовались одним и тем же видом связи. Это природный феномен. Статья с сообщением об открытии была опубликована 24 февраля 1968 г. в журнале Nature. Возможное объяснение приводилось уже во вводной части: «Представляется, что излучение исходит от локальных объектов внутри галактики… и может быть связано с колебаниями белых карликов или нейтронных звезд».
Вскоре, давая интервью Daily Telegraph, Хьюиш впервые употребил слово «пульсар» – сокращение от «пульсирующая звезда» (pulsating star).
Почему нейтронная звезда излучает регулярные импульсы в радиодиапазоне частот?
Не из-за колебаний, как предполагалось в статье из Nature. Нейтронные звезды не только имеют немыслимую плотность, но и быстро вращаются вокруг своей оси. Вращение вызвано сохранением углового момента, но давайте назовем его эффектом фигуриста. Видели выступления российского фигуриста Евгения Плющенко? Он завоевал четыре олимпийские медали и выиграл чемпионаты мира 2001, 2003 и 2004 гг. Вероятно, вы заметили: когда он прижимает руки к телу во время вращения, скорость вращения возрастает. Это закон природы: вращающиеся объекты, уменьшающиеся в размерах, вращаются все быстрее. (Даже не умея кататься на коньках, вы можете испытать этот эффект на себе. Сядьте на офисный стул, раскиньте в стороны руки и ноги и попросите кого-нибудь как можно сильнее вас раскрутить. Теперь подожмите конечности, и вы все увидите сами.)
Медленно вращающееся ядро массивной звезды, коллапсирующее из нейтронов в шар менее 25 км в поперечнике, – это астрофизический двойник Евгения Плющенко: скорость вращения резко возрастает. Новорожденные нейтронные звезды могут совершать много оборотов в секунду.
Коллапс ядра звезды имеет еще одно следствие – резкий рост силы его магнитного поля. Нейтронные звезды обладают магнитными полями, по меньшей мере в сотни миллионов раз сильнее земного. Маленький плотный нейтронный шар – это очень сильно намагниченный, быстро вращающийся космический волчок.
Дальше самое интересное. Вращающийся магнит создает электрический ток – владельцы электровелосипедов со старомодными генераторами знают, о чем я говорю. Электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, а разогнанные частицы создают свет и другие формы электромагнитных волн, как объяснил Максвелл. Иными словами, намагниченные нейтронные звезды излучают электромагнитные волны в направлении своей магнитной оси. Из северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды устремляются в пространство мощные пучки радиоволн, света и даже рентгеновского излучения. (Обратите внимание: из северного и южного магнитных полюсов. В большинстве случаев они не совпадают с одноименными полюсами вращения. Это касается и Земли.) Итак, возникающие при вращении нейтронной звезды узкие пучки излучения пронизывают пространство подобно направленному лучу прожектора. Если ваш радиотелескоп окажется на пути одного из этих пучков, вы будете фиксировать короткий радиоимпульс с каждым оборотом звезды. Нейтронная звезда проявит себя как пульсар. (У некоторых пульсаров наблюдались также импульсы оптического и/или рентгеновского излучения.)
Благодаря эффекту прожектора пульсары в принципе можно обнаружить, при условии что вы находитесь в нужном месте. Открытие Джоселин Белл стало первым наблюдением нейтронной звезды после предсказания их существования, выдвинутого Бааде и Цвики 30 годами раньше. Частота радиоимпульсов (один импульс каждые 1,3373 секунды) сразу же дала астрономам период обращения нейтронной звезды. Вращается она очень быстро. Представьте объект размером с Лондон или Париж, совершающий три оборота вокруг оси каждые четыре секунды.
Какой материал! Вот первая реакция астронома Джо Тейлора на известие о пульсарах. Он прочел статью в Nature, когда ему было 26 лет. В Гарвардском университете в городе Кембридже (штат Массачусетс) Тейлор только что завершил диссертацию на соискание степени доктора философии, посвященную затенению источников радиосигналов Луной, но пульсары показались ему гораздо более интересным объектом для изучения. Тейлор не собирался, как Белл, лично просматривать бесконечные ленты самописца. Он решил наладить систематический автоматизированный поиск и отправился в Национальную радиоастрономическую обсерваторию в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). В течение года Тейлор с коллегами обнаружили еще шесть пульсаров. Охота началась.
Я убежден, что Альберт Эйнштейн оценил бы пульсары. Часть его ОТО касается влияния сильных гравитационных полей на ход времени. Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды составляет несколько сот миллиардов g – оно в несколько сот миллиардов раз сильнее, чем поле, действующее на падающее земное яблоко. Более того, пульсары – очень точные часы (невообразимо более точные, чем наручные часы, названные их именем). Лучшей лаборатории по изучению эффектов ОТО и желать нельзя. Неудивительно, что астрономам захотелось найти все пульсары, доступные для наблюдения.
Проще сказать, чем сделать. Большинство радиотелескопов имеют чрезвычайно узкое поле зрения. Куда смотреть, заранее не известно. Какой период импульсов искать, тоже не известно. Более того, на более низких радиочастотах импульс приходит позже, чем на более высоких. Радиоволны слегка замедляются небольшим количеством электронов, присутствующих в почти пустом межзвездном пространстве, и чем ниже их частота, тем сильнее эффект. Поэтому при наблюдении в определенном диапазоне частот, как это обычно и происходит, импульсы смазываются – радиоастрономы называют это дисперсией. Импульсы будут выделяться на фоне неустранимого фонового шума, только если нейтрализовать этот эффект, но степень дисперсии зависит от расстояния до пульсара: чем он дальше, тем больше электронов на пути импульса. Поскольку расстояние до не открытого пока пульсара не известно, вы не знаете и степени дисперсии, которую нужно нейтрализовать.
Тем не менее к 1974 г. открытие новых пульсаров стало почти обыденностью – по крайней мере для Рассела Халса, студента-дипломника Массачусетского университета в Амхерсте, куда Тейлор перешел в 1969 г. Задача Халса: обшаривая Млечный Путь, найти как можно больше пульсаров. Его инструмент: 305-метровый радиотелескоп обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико[35], впоследствии прославившийся благодаря таким фильмам, как «Золотой глаз» (1995) и «Контакт» (1997). Его оружие: выносливость.
Халс провел в Аресибо почти весь 1974 г., терпя жару, влажность и кровососущих насекомых, а также нелюбовь к новинке того времени, 32-килобайтному мини-компьютеру. Несколько часов ежедневно, когда Млечный Путь стоял высоко над гигантской тарелкой телескопа, он собирал данные радионаблюдений, затем вносил их в компьютер. Специализированное программное обеспечение искало короткие импульсы, перебирая, ни много ни мало, полмиллиона возможных комбинаций различных периодов следования импульсов и величин дисперсии. То и дело поиск давал результаты. В среднем Халс находил по новому пульсару каждые 10 дней. Думаю, коллеги называли его Рассел Пульс.
Нечто неожиданное произошло летом 1974 г. примерно во время скандала Уотергейт. Халс обнаружил особенно быстрый пульсар на расстоянии порядка 20 000 св. лет. Он совершал оборот за 59 мс, производя 17 чрезвычайно коротких радиоимпульсов в секунду. На тот момент это был второй самый быстрый пульсар, что само по себе делало его весьма интересным. Но недели через две, снова наблюдая пульсар, Халс заметил странность: период следования импульсов изменился, пусть несильно – менее чем на 1/10 000 секунды. Затем изменился снова, теперь в другую сторону. Халса это поразило. Разве пульсары не самые точные часы в природе? Как может массивный, сверхкомпактный нейтронный волчок внезапно ускориться или замедлиться?