Пульсирующие радиоисточники

В наше время астрофизика приносит сенсационных открытий больше, чем какая-либо другая наука, изучающая природу. Так, радиоастрономия только в шестидесятых годах обнаружила квазары, космические "мазеры", реликтовое тепловое излучение Метагалактики, пульсары. Родившаяся в том же десятилетии рентгеновская астрономия открыла в семидесятых годах сильные галактические источники рентгеновского излучения и среди них рентгеновские пульсары.

История открытия пульсаров весьма увлекательна. Дело в том, что к моменту их обнаружения радиоастрономия уже более десяти лет располагала мощными радиотелескопами, способными наблюдать радиоисточники с быстрыми колебаниями интенсивности (секунды и доли секунд), но радиоастрономам не верилось в реальность существования быстро пульсирующих радиоисточников. Ведь чтобы радиоисточник производил такие быстрые колебания радиоизлучения, он должен иметь очень малые размеры, такие, например, как наша планета. Но радиоизлучающих космических объектов такого размера астрономия не знала.

Конечно, радиоизлучение от далеких и поэтому малых по видимым угловым размерам радиоисточников (квазаров) испытывало небольшие беспорядочные колебания продолжительностью в секунды и их доли. Это явление обнаружено еще в 1964 г. и названо мерцанием радиоисточников. Причина мерцаний была установлена: прохождение радиоволн от удаленного радиоисточника через облака межзвездного газа (плазму). Изучение этих мерцаний представляло некоторый интерес для радиоастрономии: по их характеру можно было вычислять угловые размеры квазаров.

С точки зрения радиоастрономии это была одна из многих наблюдательных задач, имевших целью сбор сведений о квазарах, представлявших собой объекты неясной природы Поэтому для исследования мерцаний на межзвездной плазме в Кембридже (Англия) на Маллардской радиообсерватории был достроен в 1967 г. радиотелескоп, который не выделялся среди существующих размерами антенны, но имел очень высокую чувствительность на своей волне приема (3.7 м) и приспособление для быстрой записи принимаемого радиосигнала.

Маллардская установка под руководством профессора А. Хьюиша стала получать интересные данные о мерцаниях удаленных радиоисточников, и среди них в августе того же года был обнаружен один довольно странный слабый радиосигнал. Сотрудница обсерватории мисс С. Белл, изучавшая эти записи, первоначально сочла его случайной помехой. Но тот же странный сигнал настойчиво продолжал появляться в записях и в конце концов заинтересовал радиоастрономов. Длительность радиосигнала (или его "пульс") оказалась всего треть секунды, но через период точно в 1.33 секунды или же через несколько таких периодов (иногда "корреспондент" молчал по несколько минут) снова появлялся слабый радиосигнал. Интенсивность сигнала от случая к случаю колебалась, но настораживало строгое соблюдение длины периода.

Не сигналы ли это разумных существ с других планетных систем? Однако записи радиосигналов не показали никакого разумного кода и следов какой-либо искусственной информации. Но не исключено, что это просто случайные сигналы с населенной разумными существами планеты. Вспомним, например, подсчеты И.С. Шкловского в его книге "Вселенная, жизнь, разум": наша Земля излучает во Вселенную довольно значительный поток радиоизлучения вследствие непрерывной работы многочисленных радиостанций, телепередатчиков, естественных и искусственных электрических разрядов в атмосфере и на поверхности планеты. Может быть и там, откуда идет пульсирующее радиоизлучение, происходит подобное?

Но если сигналы идут с какой-нибудь планеты, обращающейся по орбите вокруг центральной звезды, на периоде радиопульсаций должна сказываться скорость движения планеты по орбите, как сказывается и скорость движения Земли. Период пульсаций первого радиоисточника был измерен с точностью до десятимиллионной доли секунды, но никакой "собственной" орбитальной скорости радиоисточника обнаружено не было. Нет, это не было радиоизлучением планеты, подобной Земле.

Несколько последовательных записей импульсов радиоизлучения пульсара СР 0808 ("кривые блеска"), полученных на радиоастрономической станции Физического института Академии наук СССР в Пущине. Каждый всплеск радиоизлучения своеобразен, некоторые всплески сильны, другие - очень слабы.

Кембриджские радиоастрономы вскоре нашли еще три пульсирующих радиоисточника, и окончательно стало ясно, что обнаружено новое явление природы, названное ими пульсарами.

Объектами, которые имеют очень короткий период изменений, по представлению астрофизиков, могли быть тесные двойные звезды (в этом случае период пульсара - это период обращения радиоизлучающей компоненты по орбите), либо белые карлики, у которых предполагается быстрая пульсация излучающей поверхности. Но до открытия пульсаров ни у тех, ни у других объектив не наблюдали да и не предполагали никакого значительного радиоизлучения. Кроме них пульсарами могли оказаться никогда еще не обнаруживавшиеся, но тем не менее давно предсказанные и разыскиваемые свыше 30 лет нейтронные звезды (предполагаемые продукты эволюции звезд с массами 1,4-2 массы Солнца). В пользу нейтронных звезд говорили явно небольшие размеры пульсаров, но и в теориях нейтронных звезд до открытия пульсаров явление пульсирующих радиоизлучений специально не предусматривалось, и в этом смысле обнаруженное явление пульсаров также было большой неожиданностью.

Сейчас известно уже более 320 пульсаров и среди них излучающие с таким коротким периодом, который не. может быть ни у белых карликов, ни у двойных звезд. Были также выдвинуты и некоторые теоретические доводы, свидетельствующие о том, что пульсары не могут быть ни теми, ни другими. Таким образом, "конкурс выиграли" нейтронные звезды.

Важнейшей характеристикой пульсаров является длина периода между пульсациями. Известны пульсары с периодами от 0.033 до 4.3 с. Строгая периодичность всплесков радиоизлучения пульсаров не исключает медленного изменения их периодов со временем; Для обнаружения изменения нужны долгие и тщательные наблюдения с учетом влияния орбитального движения Земли на значение периода, чтобы исключить годовые колебания пульсации. Исследовано уже более 200 пульсаров, и у всех периоды систематически увеличиваются. Другими словами, пульсации со временем замедляются. Следовательно, чем длиннее период, тем старше пульсар. Но в таком случае, если считать прирост периода равномерным в течение всего времени существования пульсара, то, разделив период на скорость его изменения в год, мы найдем грубую оценку его возраста. Действительный возраст, как показывает теория, будет вдвое меньше. Возрасты пульсаров заключены между 918 годами и 18 млн. лет.

В случаях, когда пульсары обнаружены внутри остатков сверхновых (Крабовидная туманность. Паруса X), их возрасты можно установить и другими способами. Для Крабовидной туманности прямо известна дата вспышки ее сверхновой. Новейшие оценки возраста остатка сверхновой Паруса Х сходятся с возрастом, вычисленным по пульсару. Но этим еще не ограничиваются особенности названных пульсаров. В 1969 г. оба они испытали скачкообразное уменьшение периода. У пульсара Паруса Х он уменьшился на 196 миллиардных долей секунды, после чего период снова стал систематически возрастать, а пульсар в Крабовидной туманности уменьшил период на 77 триллионных доли секунды. Оба эти пульсара наблюдаются и оптическими средствами.

Записи изменения интенсивности радиоизлучения пульсара - это своего рода кривые блеска его радиопеременности. Отдельные всплески, называемые также импульсами, у одного и того же пульсара крайне непостоянны по виду и интенсивности, но в среднем форма импульса оказывается устойчивой. Главная причина колебаний интенсивности всплеска - мерцание при прохождении радиоволн через межпланетную и межзвездную плазму. Особенно отличаются всплески у пульсара РР 0943, открытого на Пущинской радиоастрономической станции Физического института им. П.Н. Лебедева. Он дает всего 3-4 импульса в месяц при периодичности слабых импульсов в 1.098 с. Некоторые пульсары имеют посредине интервала между главными всплесками еще промежуточный импульс (интеримпульс) меньшей силы.

Хотя период пульсации на всех длинах волн одинаков наблюдения показывают, что моменты всплесков на более длинных волнах наблюдаются позже. Величина запаздывания зависит от количества электронов межзвездной плазмы, находящихся на пути от пульсаров до наблюдателя. Эту величину, легко вычисляемую по наблюдениям запаздывания импульсов пульсара на разных длинах волн, принято называть мерой дисперсии.

Если бы межзвездная плазма в Галактике была размещена равномерно, то, разделив меру дисперсии на концентрацию электронов, мы получили бы оценку расстояния до пульсара. Но межзвездная среда неоднородна: газ в ней собран в облака, а возле горячих звезд есть области сильно ионизованного газа с высокой концентрацией электронов. Полагая среднюю концентрацию электронов в межзвездной среде равной 0.03 электрона на 1 см³, Можно грубо находить расстояние до тех пульсаров, которые находятся внутри галактического диска и излучение которых при следовании до наблюдателя не пересекало областей сильно ионизованного газа. Но если пульсар находится за пределами галактического диска, то по мере дисперсии можно найти лишь часть расстояния, пройденного его сигналом в галактическом диске, где присутствуют свободные электроны, а часть, пройденная вне диска, где концентрация электронов ничтожна, останется неизвестной.

Попадая в облако межзвездной плазмы, обладающее повышенной концентрацией электронов, импульс испытывает дисперсию радиоволн и расплывается. Низкочастотные (т. е. длинноволновые) колебания импульса поэтому запаздывают.

В редких случаях расстояния до пульсаров можно оценить и другими способами. Так, расстояния до пульсаров, находящихся внутри остатков сверхновых, могут быть найдены по способам, применяемым для отыскания расстояний до этих остатков. Излучение далеких пульсаров, расположенных в области нашей Галактики, в своем следовании к Земле пересекает спиральные рукава. Холодный водород, сконцентрированный в них, поглощает излучение пульсара на волне 21 см. Вследствие вращения Галактики поглощение, создаваемое в каждом рукаве, будет по длине волны немного отличаться от поглощения в другом рукаве. Поэтому удается расшифровать, какие рукава пересек сигнал от пульсара и где на схеме Галактики он должен находиться.

Поразительной особенностью радиопульсаров является то, что только в одном случае из свыше трехсот известных сейчас объектов обнаружено периодическое колебание периодов пульсара, свидетельствующее о том, что он является членом двойной системы. Между тем, двойные звезды в Галактике не редкость, а очень частый случай. Видимо, по каким-то причинам звезды, становящиеся радиопульсарами, не входят, как правило, в двойные системы, либо же при вспышке сверхновой связь между компонентами двойной системы разрывается и пульсар приобретает высокую пространственную скорость как камень, выпущенный из пращи.

Единственный радиопульсар, входящий в двойную систему, был открыт в 1974 г. Его период пульсаций составляет 0.059 с, а период обращения его по орбите равен 7 ч 46 мин. По законам орбитального движения расстояние между ним и вторым компонентом системы немного более радиуса Солнца. Второй компонент, следовательно, может быть компактным объектом: белым карликом или нейтронной звездой без пульсарных характеристик. Но тогда почему не сбежал при вспышке из системы пульсар? Это пока не выяснено. Зато кроме радиопульсаров были найдены пульсары иного рода, оказавшиеся во всех случаях членами двойных систем.

В 1981 г. австралийские радиоастрономы обнаружили первый пульсар в соседней галактике - в Большом Магеллановом Облаке.