Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Дело не в том, что никто не искал пульсирующие источники радиоволн. В 1951 году на заседании Королевского астрономического общества в Лондоне австрийский астрофизик Томас (Томми) Голд сделал доклад, называвшийся “Происхождение космического радиошума”, в котором говорил о возможности существования таких объектов. Но его никто не услышал. А совсем незадолго до того, как Белл обнаружила эту свою первую закорючку на, казалось, нескончаемо выползающей из самописца ленте, астрофизик Франко Пачини, работавший тогда в Корнеллском университете, представил статью в журнал Nature, где описал модель вращающейся и пульсирующей нейтронной звезды. Эта статья была опубликована в ноябре 1967 года, именно тогда, когда кембриджская группа хранила свое открытие за семью печатями. Пачини предположил, что из быстро вращающейся нейтронной звезды с магнитным полем должен вырываться доступный наблюдению узконаправленный поток излучения. Он также писал, что это излучение может исходить от вещества, оставшегося после взрыва сверхновой вокруг нейтронной звезды. Цвикки еще в 1933 году первый говорил о чем-то подобном27.

Открытие Белл, о котором стало известно через несколько месяцев после публикации статьи Пачини, произвело эффект разорвавшейся бомбы. Голд счел, что он реабилитирован, и независимо от Пачини предложил объяснение нового открытия на основании своей гипотезы о природе пульсирующих источников радиоволн. Он полагал, что странные пульсации появляются из-за вращения нейтронной звезды. Согласно Голду, регулярные пульсации связаны с тем, что находящееся в состоянии плазмы вещество магнитосферы (он ввел этот термин) нейтронной звезды разгоняется до скорости, сравнимой со скоростью света. Это происходит как вследствие высокой скорости вращения, так и из-за сильного магнитного поля нейтронной звезды. Однако, как и в 1951 году, в 1968-м научное сообщество неодобрительно восприняло теоретические построения Голда. Его доклад даже не приняли на первую научную конференцию по пульсарам, состоявшуюся в мае 1968 года в Нью-Йорке. Члены оргкомитета, по их собственному выражению, решили, что таким образом они воспрепятствуют распространению всяких нелепых теорий. Голд приводит их ответ в своих воспоминаниях: “Ваше предположение настолько безосновательно, что, если мы примем ваш доклад, конца не будет другим, столь же безумным работам, которые мы будем вынуждены принять”28.

Эта конференция проходила 21 и 22 мая. На той же неделе Голд послал свою статью в Nature, где она и была опубликована 25 мая. Похоже, редактор Nature разбирался в этом вопросе лучше, чем организаторы конференции. В самом деле, уже через два месяца в созвездии Паруса и в Крабовидной туманности астрономы обнаружили два новых пульсара. Это стало наглядной демонстрацией явной связи между нейтронной звездой и взрывом сверхновой (см. главу 3). Кроме того, при изучении пульсара в Крабовидной туманности стало ясно, что интервал между пульсациями хотя и очень понемногу, но увеличивается со временем. Это означает, что пульсар замедляется. И еще это означает, что он вращается. До этого открытия не было понятно, вращаются нейтронные звезды или колеблются. Если что-то, например такие звезды, как белые карлики, колеблется, со временем колебания становятся все быстрее и быстрее. Очевидно, новые замедляющиеся объекты – это не белые карлики, а, скорее всего, вращающиеся нейтронные звезды. Пожалуй, пульсар в Крабовидной туманности остается самым известным пульсаром, ярко сверкающим в своей великолепной резиденции.

После открытия Белл астрономы по всему миру прильнули к своим телескопам. Намереваясь оставить свой след в этой новой, увлекательной области радиоастрономии, они пытались обнаружить на небе новые пульсары. Несколько десятилетий радиотелескоп обсерватории Parkes в штате Новый Южный Уэльс в Австралии был одним из лучших инструментов для открытия пульсаров. Кроме того, этот радиотелескоп знаменит еще и тем, что 20 июля 1969 года его радиоантенна в числе немногих других оказалась способна принять сигнал прямой телевизионной трансляции посадки на Луну “Аполлона-11”29.

Поэтому я решила, что теперь следует направиться в обсерваторию Parkes. Справившись с чем-то вроде ностальгии, я оставила сельский Кембриджшир и заброшенную “Межпланетную сцинтилляционную матрицу”, где когда-то молоденькая Джоселин Белл безбоязненно взяла в руки кувалду, чтобы построить радиоастрономию будущего.

Добраться до Parkes не так-то просто: как и большинство крупных телескопов, он располагается в безлюдном месте. Из Мельбурна я ехала на машине вместе с Мэтью Бейлзом и его магистрантом Рене Спиваком, начинающим астрономом из Висконсина. Он получил домашнее образование и надеется повторить судьбу Джоселин Белл. Еще с нами в машине – юное дарование, двенадцатилетний Рудра Сехри. Мальчик слушает летний курс физики в университете, написал четырехсотстраничную книгу о новых технологиях и ради удовольствия преобразовывает излучение пульсаров в музыку. Про гравитационные волны он знает больше, чем большинство людей когда-либо будут знать. Недавно он попросил у Бейлза разрешение время от времени приезжать в Технологический университет Суинберна, чтобы поработать с архивом данных о пульсарах. Рудра радуется поездке, хотя добираться предстоит двенадцать часов.

Бейлз может без конца рассказывать про пульсары, и, если, конечно, вы увлекаетесь радиоастрономией, это делает длинную поездку достаточно интересной. В субботу, в конце дня, мы наконец добираемся до небольшого городка Паркс, где проживает одиннадцать с половиной тысяч человек. Я в восторге. Для меня эта поездка вроде запоздалого подарка на день рождения. Сам день рождения я отметила в воздухе, во время полета в Мельбурн, совсем одна. Бейлз считает, что, появись мы здесь лет на десять раньше, остались бы тут, вероятно, навсегда. В его голосе тоска по прошлому. По словам Бейлза, в то время здесь было гораздо интереснее. Он вспоминает, как чувствовал себя участником необыкновенного приключения, говорит о том волнении, которое испытывал, когда работал непосредственно на этом потрясающем инструменте, улавливающем сигналы из космоса. Сегодня все наблюдения ведут удаленно. Можно остаться дома и, сидя на диване в пижаме, управлять радиотелескопом с помощью персонального компьютера.

Наскоро поужинав, мы переночевали в небольшом мотеле, где обычно останавливаются редкие астрономы, все еще приезжающие сюда. На следующее утро нас ждала двадцатиминутная поездка к “Тарелке”. Это прозвище, которым австралийцы наградили радиотелескоп Parkes после выхода в 1999 году фильма, рассказывающего историю о том, как обсерватория помогла НАСА ретранслировать сигналы при высадке астронавтов на Луну. Бейлз говорит, что после выхода фильма число посетителей возросло до небес. Австралийцы любят свою “Тарелку”, и многие посетители интересуются: действительно ли можно играть на “Тарелке” в крикет, как это показано в фильме? Ответ короткий: “Нет”. Это комбинированные съемки: снимали только мяч, а актеры даже не приближались к “Тарелке”. И, чтобы не повредить чувствительную поверхность телескопа, использованный в фильме мяч сделали мягким.

Я заметила Parkes за несколько миль: его огромный отражатель сверкал в лучах палящего австралийского солнца. Вблизи телескопа неукоснительно должен соблюдаться режим радиомолчания, поэтому все телефоны следует перевести в режим полета. Это требование раз за разом неизменно повторяется во всех обсерваториях, куда я ездила, чтобы написать эту книгу. Оно призвано минимизировать помехи наземных источников, способные замаскировать подлинные космические сигналы, что затруднило бы астрономам поиск новых объектов и даже могло бы ввести их в заблуждение. Когда мы въехали в небольшие ворота, спугнув стаю розовых какаду, взмывших с ветки низенького дерева высоко в небо, Бейлз неожиданно повернул влево, в направлении, противоположном “Тарелке”. На знаке, размещенном на фонарном столбе, я прочла: “Наблюдательный пункт”. “В восьмидесятых я торчал здесь неделями”, – говорит Бейлз. Сейчас уже не так. По его словам, сегодня он приезжает сюда очень редко, когда надо показать станцию гостям вроде меня или привезти сюда своих магистрантов, чтобы для них радиоастрономия стала чем-то более реальным. Последний раз наблюдатели были здесь около десяти лет назад.

А тогда, в восьмидесятые, рассказывает Бейлз, астрономы, приезжавшие в Parkes, бронировали жилье заранее. Обедали они тоже здесь, а у кухарки Джанет, достаточно твердой и непреклонной австралийки, имелись свои собственные представления о том, как должны питаться ученые. “Ее панически боялись, – рассказывает Бейлз. – Никто не осмеливался разгневать ее и опоздать к столу”. Однажды Бейлз и несколько его коллег-астрономов забронировали жилье, но забыли предупредить, что не явятся к обеду. Приехав поздно, они обнаружили оставленный им остывший обед, который следовало разогреть. “Мы знали, что, если не съедим его, Джанет убьет нас”, – вспоминает Бейлз. На следующее утро, до того как появились повара, один из исследователей, в тот же день уезжавший в Сидней, взял мусорный пластиковый мешок, свалил в него все обеды и выбросил за двадцать километров от наблюдательного пункта. “Осмелиться оставить обед Джанет было невозможно”, – усмехаясь, добавляет он.

Не только Бейлз с грустью вспоминает о тех далеких днях. Когда мы наконец подъехали к телескопу, нас приветствовал среднего роста человек с широкой улыбкой. На его каске бейдж – Джон Саркисян. Официальная должность Саркисяна – операционист. Он один из немногих сотрудников, работающих здесь изо дня в день. Позже Джон мне расскажет, как скучает по тем дням, по голосам астрономов, не стихающим в аппаратной, по дружеским соревнованиям в “беге по тарелке”. Он помнит, как в любое время дня и ночи они без шлемов или какой-то другой защитной экипировки лазали вверх и вниз по узеньким лесенкам, чтобы вручную поменять приемник на самом верху “Тарелки”, в кабине фокусировки, расположенной примерно в пятидесяти метрах над землей. В то славное время один инженер, Гарри Фэгг, хвастал, что может совершить восхождение на “Тарелку” за три минуты, смеется Саркисян. Теперь же всем управляет компьютер.

“Осторожно! Кенгуриный навоз!” – предупреждает Саркисян. Оказалось, здесь и в самом деле пасется стадо кенгуру: большие, мощные самцы, с которыми не хотелось бы встретиться на ринге, грациозные самки – они поменьше, и у некоторых из них в сумках очаровательные детеныши, неуклюжие кенгуру-подростки с длинными ногами и еще не до конца сформировавшимся телом. По словам Саркисяна, змеи здесь тоже есть – три самых смертоносных в мире: восточная коричневая, западная коричневая и королевская коричневая. Ничего себе соседи! Затем мы надеваем шлемы, чтобы прямо под отражателем пройти в аппаратную.

Несмотря на то что оборудование совершенно новое, здесь, в круглой башне, поддерживающей аппаратную, пахнет историей. В обязанности Саркисяна входит помощь НАСА: он следит за космическим зондом “Вояджер-2”, который всего несколько недель назад, 10 декабря 2018 года, вошел в межзвездное пространство и присоединился к своему зонду-близнецу “Вояджер-1”. Эти два зонда, в течение последних четырех десятилетий сражающиеся с бескрайними просторами космоса, все еще находятся в рабочем состоянии. “Видите этот красный пик? – говорит мне Саркисян, указывая на экран своего компьютера. – Это «Вояджер» прощается с нами”.

Хотя Parkes и CSIRO[10], его головная организация со штаб-квартирой в Сиднее, не входят в Сеть дальней космической связи НАСА, они часто оказывают американцам необходимую помощь. Все-таки достаточно долго Parkes с его шестидесятичетырехметровым отражателем-тарелкой оставался самым большим полноповоротным радиотелескопом в Южном полушарии. Позднее НАСА построило вблизи австралийской столицы Канберра свой собственный отражатель, размер которого на шесть метров превышает размер “тарелки” Parkes. И все же Parkes остается важнейшим инструментом для ряда космических миссий, от посадки кораблей “Аполлон” на Луну до отслеживания марсоходов и наблюдения за зондом Huygens во время его спуска на Титан – самый большой и таинственный, богатый углеводородами и другими органическими соединениями спутник Сатурна.

И конечно, с 1961 года, с момента начала работы Parkes, на нем проводились радиоастрономические исследования. После того как Белл обнаружила пульсар LGM-1 (LGM – аббревиатура английского выражения little green men, что значит “маленькие зеленые человечки”) и ее открытие подтвердилось, “Тарелка” стала прекрасным инструментом, позволяющим отыскивать и изучать пульсары. Больше половины известных сегодня пульсаров обнаружены с помощью Parkes и радиотелескопа Lovell обсерватории Джодрелл-Бэнк на северо-западе Англии. Одним из достижений Parkes стало открытие первого внегалактического пульсара PSR В0529-66 в Большом Магеллановом Облаке – карликовой галактике, спутнике нашего Млечного Пути. Еще четыре таких пульсара были обнаружены несколькими годами позже: один в Малом Магеллановом Облаке, два в Большом Магеллановом Облаке и еще один неподалеку. А после того, как на Parkes установили современный многолучевой приемник, позволяющий обследовать большую площадь неба, в 2001 году астрономы обнаружили еще тринадцать пульсаров. (Более подробно о многолучевых приемниках см. в разделе “Чуть глубже: Многолучевой приемник” в главе 4.) Еще одно важное достижение многолучевых исследований Parkes — открытие двойного пульсара PSR Jo737-3039А/В. Это единственная система, состоящая из двух пульсаров, обращающихся вокруг общего центра масс. Их столкновение неизбежно. Журнал Science отметил обнаружение этого пульсара как одно из десяти наиболее важных научных открытий 2004 года30.

Аппаратная располагается непосредственно под тарелкой. Взглянув на стоящий здесь компьютер, Бейлз увидел, что удаленно, из Сиднея, ведет наблюдения ветеран исследования пульсаров— астроном из CSIRO Дик Манчестер31.

“От Дика мы получили разрешение вести наблюдения”, – говорит Бейлз. По голосу слышно, что Бейлз слегка нервничает, но потом он полушутливо добавляет: “Ты всегда должен чуть-чуть побаиваться своего руководителя. Мне уже больше пятидесяти, он перестал быть моим руководителем в 1989 году, но, когда Дик предлагает мне что-то сделать, я говорю себе: «Ну, это-то я должен сделать»”.

Позднее в тот же день Саркисян пригласил меня на сюрреалистическую прогулку по гигантской тарелке Parkes. Его коллега опустил тарелку как можно ниже, так что ее край почти коснулся земли. Ступив на нее, я не могла отделаться от мысли, что вхожу в большую металлическую супницу. В феврале палящая австралийская жара делала такое сравнение еще более уместным. Вот только, к счастью, жар шел сверху, а не снизу. Оператор телескопа начал медленно поднимать тарелку Parkes все выше и выше над вершинами деревьев, и наконец мы остановились. Теперь наша “супница” была полностью горизонтальна и напоминала тянущийся к солнцу футуристический цветок. Я подошла к одной из тех лестниц, по которым десятилетиями карабкались вверх астрономы: нахлынувшие чувства оказались не сравнимы ни с какими острыми ощущениями, когда-либо мной испытанными.

Наступили сумерки, солнце медленно становилось красным, и тут появились птицы. Десятки, сотни птиц: большие белые какаду с желто-зелеными хохолками, яркие розовые какаду, нахальные птицы-апостолы, вороны-флейтисты, белокрылые сорочьи жаворонки и более привычные австралийские сороки. В это время суток телескоп принадлежит им. Вокруг прыгает множество кенгуру, со своими хвостами и мощными ногами напоминающие ископаемых ящеров из “Парка юрского периода”. Еще несколько мгновений – и солнце опускается за горизонт. Мы выходим из “Тарелки”. Время уезжать отсюда. Прощай, Parkes.

Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд

“Ну надо же, это не сон! Я измеряю пульсации, которым потребовались тысячи лет, чтобы добраться до нас”, – думал Джеймс Корд, глядя на экран стоящего перед ним осциллографа. Всплеск-всплеск-всплеск – пошел сигнал, напоминающий отклоняющуюся то вверх, то вниз зигзагообразную линию на экране монитора сердечного ритма. Он видел мигающий вдалеке космический маяк – быстро вращающуюся нейтронную звезду, погруженную в разреженную среду ионизированного газа и пыли. Это так называемая межзвездная среда, которая заполняет пространство между всеми звездами (и нейтронными тоже). Хотя мы уже знаем кое-что об окружении звезд, межзвездная среда все еще полна тайн.

Это было в 1972 году. Тогда Корд впервые оказался среди тропических лесов Пуэрто-Рико. Отведя взгляд от осциллографа, он посмотрел в большое окно: прямо перед ним, в нескольких десятках метров, был виден гигантский отражатель-тарелка телескопа обсерватории Аресибо. “Вы можете видеть события, происходящие в межзвездной среде, и на подсознательном уровне возникает какое-то чувство… Тогда оно каким-то образом связало меня с ней – просто я знаю, что со мной это случилось”, – говорит он, сидя в своем кабинете в Корнеллском университете. Этого занимающегося пульсарами астронома тогда так заинтересовало воздействие межзвездной среды на сигналы, испускаемые пульсарами, что он с тех пор занимается именно этим.

В десятилетнем масштабе времени пульсары – сверхточные часы. Они настолько надежны, что рассматривается возможность использовать их как радиомаяки для космических полетов. Например, невероятно быстро вращающиеся миллисекундные пульсары совершают сотни оборотов каждую секунду. Благодаря огромной скорости вращения и большой массе их трудно замедлить, а значит, их периодические вспышки чрезвычайно точны. Даже за миллиарды лет они замедляются всего на несколько миллисекунд, а значит, последовательность посылаемых ими импульсов остается неизменной неопределенно долго. Поскольку пульсары столь “надежны”, даже малейшее изменение их поведения может указывать на изменение окружающей обстановки – межзвездной среды вблизи нейтронной звезды.

Многие думают, что межзвездная среда представляет собой идеальный вакуум, но это не так. Она состоит из движущихся заряженных электронов и протонов, примерно по одному на каждый кубический сантиметр. Кроме того, межзвездная среда намагничена: ее всепроникающее магнитное поле разной напряженности можно обнаружить везде в космосе. В среднем магнитное поле межзвездной среды составляет несколько микрогауссов – около одной миллионной напряженности магнитного поля на поверхности Земли. Магнитное поле томографа – около 10 тысяч гауссов. На другом полюсе – магнитное поле средней нейтронной звезды, его напряженность порядка 1012(одного триллиона) гауссов. Это поле столь велико, что находящиеся в нем атомы вытягиваются вдоль магнитных силовых линий, приобретая форму цилиндров.

Пульсар – источник излучения в очень широком диапазоне частот по всему электромагнитному спектру. У волн высокой частоты очень короткие длины, поэтому они хуже рассеиваются частицами плазмы и легко проходят через межзвездную среду. Волны более низкой частоты, сталкиваясь с электронами, отстают и в результате доходят до телескопа позднее. Это явление называется дисперсией. Различие во времени регистрации волн разной частоты зависит от числа электронов между наблюдателем и пульсаром. Задержка низкочастотных волн может составлять примерно одну секунду. В случае пульсара, находящегося на расстоянии тысячи световых лет от нас (значит, его пульсациям требуется тысяча лет, чтобы мы могли их зарегистрировать), задержка в одну секунду может показаться пренебрежимо малой. Но, когда ученый изучает пульсар, ему необходимо сделать поправку на этот эффект, чтобы иметь возможность учесть все частоты излучения согласованно.

Измерение дисперсии показывает астрономам, сколько электронов заполняет межзвездную среду между нами и пульсаром, что, в свою очередь, указывает на расстояние до него. Чем дальше пульсар, тем через большее число электронов приходится “пробиваться” излучению, а это значит, что дисперсия – или разброс во времени регистрации сигналов разных частот – тоже будет больше32.

Речь идет не только о подсчете блуждающих в космосе электронов. Поняв свойства межзвездной среды, ученые смогут пролить свет на образование и эволюцию звезд и галактик. Если, наблюдая определенный пульсар, они через год увидят, что дисперсия его излучения изменилась, значит, в этой области изменилось содержание электронов, поскольку там имеются области турбулентности. Сцинтилляция (или мерцание) радиоволн дает астрономам возможность исследовать, как движутся сгустки вещества между нами и пульсаром. “Радиомерцание можно измерить, – говорит Корд, – а затем мы ставим вопрос так: хорошо, какая турбулентность межзвездной среды способна привести к такому эффекту? – и решаем обратную задачу”.

В августе 2012 года межзвездная среда на короткое время попала на первые полосы газет. Это случилось тогда, когда космический зонд “Вояджер-1”, запущенный еще в 1977 году, покинул Солнечную систему и направился в холодное безмолвное пространство между звездами. 5 ноября 2018 года к нему присоединился его зонд-близнец “Вояджер-2” – аппарат, который Джон Саркисян с помощью Parkes все еще видит время от времени. На случай встречи с инопланетянами оба зонда несут позолоченную пластинку с аудио- и видеоинформацией о нашем мире. “Вояджер-1” не может измерять свойства межзвездной среды – его детектор плазмы поврежден, но второй космический аппарат пять лет спустя спас положение. Оказалось, межзвездная плазма плотнее, но холоднее и движется медленнее, чем плазма внутри гелиосферы – области пространства, окружающей Солнце33.

Глава 3

Когда взрываются звезды

Я стою посреди бесконечного цветочного ковра, выдержанного в завораживающих фиолетовых и розовых тонах. Он тянется до виднеющихся на горизонте гор со снежными вершинами. Вообще-то здесь пустыня, но после редкого в этих местах короткого ливня цветы повсюду. Трудно поверить, что это одно из самых засушливых мест на Земле.

Чилийская пустыня Атакама тянется на тысячи километров через засушливое и пустынное высокогорное плато. С запада она ограничена Тихим океаном, с востока – Андами. Старейшая пустыня Земли занимает 105 тысяч квадратных километров. По пустыне разбросано небольшое число шахтерских поселков. Населяющие их люди добывают медь из охряно-красной каменистой земли. Там и здесь дорога проходит мимо покинутых людьми деревень-призраков: глазницами выбитых окон дома вглядываются в нескончаемые просторы этой земли.

Вероятно, в этой пустыне самое привлекательное для туристов место – городок Сан-Педро-де-Атакама. Его побеленные дома служат базой для экскурсий на расположенные неподалеку солончаки и соляные озера. Когда мы ехали из аэропорта Эль-Лоа вдоль Панамериканского шоссе, я заметила, что в пустыне практически нет песка. Да, несколько песчаных дюн в Атакаме есть, но они расположены не вдоль шоссе. Я слышала, что дюны популярны у туристов, приезжающих в Сан-Педро. К подножью дюн туристические группы прибывают на микроавтобусах. Любители подобных развлечений, набрав изрядно песка в туфли и носки, забираются под палящим солнцем на самый верх и скатываются вниз на сэндбордах – впечатлений хватает на всю жизнь.

Здесь, в этом труднодоступном месте, практически ничего не растет за пределами поселка. Кое-где годами не бывает ни капли дождя. В центре пустыни дождя не было полстолетия. Когда же в 2017 году на пустыню наконец обрушился ливень, астробиологи обнаружили, что он уничтожил практически все живущие здесь микроорганизмы1. Мы миновали громадные, высокие, как горы, нагромождения скал. Они выглядят так, будто только что окончилась снежная буря. На самом же деле эти скалы покрыты соляной коркой. Ландшафт Атакамы старый. По геологической шкале времени большинство скал на поверхности Земли достаточно молоды: им порядка сотен тысяч или нескольких миллионов лет, а возраст некоторых скал Атакамы – около пятнадцати миллионов лет. Но не геология, а астрономия привела меня в эти места.

По огромному пустынному пространству Атакамы разбросаны несколько больших обсерваторий. Благодаря уединенности и необычной географии это одно из лучших мест на Земле для наблюдения звезд. Здесь все большие города так далеки, что о засвечивании ночного неба искусственными источниками света и радиоволнами можно не беспокоиться. Тучи тоже редкие гости атакамского неба, и, учитывая высоту этого места, небесные тела видны здесь максимально четко, лучше только из космоса. Эти условия прекрасно подходят для оптических телескопов, таких как Very Large Telescope (VLT) в Паранальской обсерватории. Именно туда в первую очередь я и направляюсь. Это место, как бы сошедшее с картины художника-футуриста, сыграло эпизодическую роль в фильме “Квант милосердия” о Джеймсе Бонде: общежитие ученых и инженеров телескопа ненадолго преобразовали в вымышленный экоотель в Боливии2.

Для телескопа, на который я хочу посмотреть, решающее значение имеют низкая влажность и высота Атакамы. Это самая большая обсерватория, ведущая наблюдения в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн электромагнитного спектра. Ее построили именно здесь из-за того, что воздух, насыщенный влагой или водяным паром, как губка поглощает электромагнитное излучение с такими длинами волн. Обсерватория называется ALMA по первым буквам ее английского названия Atacama Large Millimeter Array, “Атакамская большая антенная система миллиметрового диапазона”.

Эта система состоит из шестидесяти шести снежно-белых тарелок-отражателей и находится на высоте 5000 метров над уровнем моря на севере чилийских Анд на плато Чахнантор3.

Раньше я видела изображение этой антенной системы. Она напоминает инопланетный, но по-своему очень милый пейзаж – скопление отражателей-тарелок, похожих на грибы со странными перевернутыми шляпками. Однако, прежде чем попасть сюда, я должна была пройти через базовый лагерь ALMA, так называемый центр оперативной поддержки, расположенный примерно на 2000 метров ниже плато. Сначала меня провели в крошечную комнатку, где места едва хватает для узкой койки и душа. Затем короткая остановка в столовой и инструктаж по технике безопасности. Это очень важно, потому что на следующий день мы собираемся поехать к самой антенной системе. Там, на высоте 5000 метров, ощущается недостаток кислорода, а горная болезнь – совсем не шутка. Алдо, один из техников, предупреждает, что на такой высоте люди могут почувствовать тошноту и сильную головную боль. Если не проявить осторожность и не обратить внимания на эти симптомы, можно умереть. Показывая мне, как пользоваться кислородной маской, он говорит, что разрешение я получу после осмотра врача. Затем меня осматривает врач, который проверяет давление и уровень кислорода в крови. Некоторые посетители проверку не проходят, и им не разрешают продолжить подъем на плато Чахнантор. Тут я поняла, что годы занятий в спортзале наконец окупились – я прошла.

На следующий день рано утром, зажав кислородную маску в руке, я отправилась на плато в сопровождении проводника. В кармане у меня листья коки. Местные жители клянутся, что это хорошее средство от высотной болезни. Я знаю, что на высоте обсерватории мы проведем не больше двух часов, но все равно нервничаю. На пути к плато нам встречаются гигантские кактусы. Некоторые из них достигают высоты семь метров и даже больше. Лама и пара осликов без всякого интереса смотрят на нашу медленно ползущую вверх машину. Наконец вдалеке вырисовывается конечный пункт нашего маршрута – шестьдесят шесть огромных тарелок-отражателей ALMA. Их синхронная работа должна помочь разгадать некоторые из самых трудноразрешимых загадок Вселенной. Вокруг основания тарелок копошатся кажущиеся крошечными человечки в кислородных масках, которые обеспечивают работу антенной системы. Вблизи отражатели уже не выглядят такими милыми – они настолько громадны, что у меня перехватывает дыхание. Возможно, это просто нехватка кислорода.

ALMA – не самый подходящий инструмент для наблюдения нейтронных звезд: миллиметровые и субмиллиметровые волны гораздо короче длины радиоволн излучения пульсаров. Обычно эта антенная система используется для изучения образования звезд, но именно ALMA помогла астрофизикам первый раз стать свидетелями космического события, которое они считают рождением нейтронной звезды. Сверхновой с нейтронной звездой в центре ученые дали несколько глуповатое прозвище – Корова. Соглашение о наименовании сверхновых устанавливает, что название должно включать в себя год обнаружения и определенную, принятую заранее последовательностью букв. Поэтому официально Корова называется AT2018cow, но прозвище прижилось.

Аспирантка Калифорнийского технологического института Анна Хо – ведущий автор исследования Коровы. Вспоминая день, когда она услышала о Корове, Анна увлекается и даже начинает говорить громче.

17 июня 2018 года Хо, как и сотни других астрономов, получила сообщение от Стивена Смартта, астрофизика из Университета Квинс в Белфасте, и его коллег, где они привели результаты своих измерений странного “транзиента”. Так астрономы называют событие, включающее в себя кратковременный выброс энергии при неожиданном изменении состояния космического тела, таком, например, как вспышка сверхновой. За день до этого он был зарегистрирован автоматической системой наблюдения ATLAS (Asteroid Terrestrial Impact Last Alert System, “система чрезвычайного оповещения о столкновении астероидов с Землей”), расположенной на Гавайях и предназначенной для обнаружения небольших околоземных объектов за несколько недель или дней до того, как они столкнутся с Землей. Этот транзиент был ярким. Действительно очень-очень ярким – в несколько десятков раз ярче обычного выброса энергии при взрыве звезды. Однако Хо заметила еще кое-что странное, из-за чего она со всех ног бросилась в кабинет своего руководителя. Дело в том, что эта сверхновая достигла максимальной яркости необычайно быстро, за несколько часов, тогда как в типичных случаях увеличение яркости может занять несколько недель. Телескопы всего мира, как и другие инструменты, повернулись в направлении этого феномена и приступили к его детальному изучению. Среди них два телескопа-близнеца Keck на Гавайях и телескоп Liverpool обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Пальма, входящем в принадлежащий Испании Канарский архипелаг.

Сначала Хо и ее коллеги попытались найти более будничное объяснение этой необычной вспышке. Возможно, это вообще не взрыв, а очень яркая, близкая к Земле звезда в нашей собственной Галактике, обманчиво выглядящая как взрыв. Хо услышала от своего шефа, что это определенно звезда – и тратить на нее время вообще не стоит.

Хо уже направлялась к двери, когда звякнул ее телефон. Она остановилась, чтобы прочесть письмо, где было первое подтверждение внегалактической природы вспышки, произошедшей на расстоянии около 200 миллионов световых лет от нас, в карликовой галактике в созвездии Геркулес. “Отсюда следовало, что это действительно взрыв, на самом деле взрыв! Все ужасно обрадовались. Я развернулась и показала телефон своему руководителю. Вот тогда-то все засуетились, отчаянно стараясь понять, что же с этой информацией делать”, – рассказывает Хо.

Обнаружив этот взрыв, ученые впервые получили возможность стать свидетелями смерти звезды в реальном времени, конечно, если не учитывать задержку на 200 миллионов лет, потребовавшихся свету для того, чтобы достичь нашей планеты. Теперь, если провести измерения корректно, астрономы смогут не только увидеть взрыв массивной звезды, но и наблюдать коллапс ее ядра и образование в этом месте нейтронной звезды. Именно поэтому Хо отказалась от использования обычных оптических и радиотелескопов и решила, что ALMA больше подходит для наблюдения этой сверхновой.

Но чтобы понять, где та исходная точка, с которой стартовала Хо, надо вернуться на восемьдесят восемь лет назад. Итак, мы на пароходе, идущем из индийского порта Бомбей в Англию.

Путешествие на борту парохода “Пилена” заняло восемнадцать дней. Шел 1930 год, и Субраманьян Чандрасекар ехал в Кембридж, где планировал стать аспирантом физического факультета. Чтобы время не пропадало зря, он развлекался, решая уравнения. Вундеркинд из Индии (и племянник сэра Чандрасекхары Венкаты Рамана, первого азиата, получившего Нобелевскую премию по физике в том же 1930 году), Субраманьян в возрасте девятнадцати лет окончил университет и получил степень бакалавра физики. Через полвека, в 1983 году, сам Чандрасекар станет лауреатом Нобелевской премии за работу, которой он занимался на пароходе.

Незадолго до отъезда в Англию Чандрасекар увлекся белыми карликами – очень тусклыми останками звезд. Тогда считалось, что по окончании водородного “горючего”, поддерживающего термоядерное горение, все звезды, включая наше собственное Солнце, превращаются в белые карлики. Теперь мы знаем, что так умирают далеко не все звезды, а только те, которые в процессе эволюции постепенно сбрасывают внешнюю оболочку. От них останется плотное ядро из углерода, кислорода и азота. Считается, что по прошествии примерно ста миллионов миллиардов лет белый карлик полностью остынет и вообще перестанет испускать свет и тепло – превратится в “бездействующего” черного карлика.

Ко времени плавания Чандрасекара астрономы обнаружили всего три белых карлика. Среди них Сириус В – тусклый, мертвый собрат яркой звезды Сириус. Уже было известно, что плотность белых карликов невероятно высока: она превышает плотность Солнца больше чем в миллион раз. Квантовая механика, только-только появившаяся в начале XX столетия, позволяла объяснить, как возможно достичь такой невероятной плотности. Гравитационное давление внутри умирающей звезды сжимает атомы в ее ядре настолько сильно, что срывает с них электроны. Это значит, что формирующийся белый карлик состоит из положительно заряженных ионов, плавающих в море электронов. При продолжении гравитационного сжатия в игру вступает квантовая механика. Один из ее законов, принцип запрета Паули, утверждает, что никакие два фермиона (например, два протона или два электрона) не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии – точно так же как при игре в “горячие стулья” двум людям не разрешается одновременно сидеть на одном стуле. Это означает, что внутри белого карлика часть электронов должна перейти из “основного”, самого низкого энергетического состояния в более высокое. Благодаря этому процессу возникает так называемое давление вырожденных электронов. Именно это давление уравновешивает силу гравитации и предотвращает коллапс белого карлика.

Чандрасекар все это знал не в последнюю очередь потому, что внимательно изучил книгу “Внутреннее строение звезд”, написанную в 1926 году Артуром Стэнли Эддингтоном – одним из лучших астрофизиков того времени. Термин “белые карлики” ранее ввел нидерландско-американский астроном Виллем Лейтен, но именно книга привлекла к ним всеобщее внимание. Однако Эддингтон неправильно объяснял огромную плотность этих умирающих звезд, полагая, что такая плотность обусловлена термическим (вызванным теплом) давлением внутри белых карликов. Позднее в том же году правильное квантово-механическое объяснение предложил английский физик Ральф Говард Фаулер в статье “О плотном веществе”, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Чандрасекар скрупулезно изучил и эту статью. Он направлялся в Англию, чтобы работать под руководством Фаулера, и решил самостоятельно продолжить его расчеты4.

Путешествие оказалось долгим, и молодой ученый имел достаточно времени, чтобы проанализировать уравнения Фаулера. Чандрасекар сделал еще один шаг – учел релятивистские эффекты, что необходимо, когда скорость объекта близка к скорости света. Он понял, что электроны внутри белого карлика движутся с невероятно большой скоростью – и это приводит к неожиданным и удивительным результатам. Как оказалось, для того чтобы звезда стала белым карликом, масса ее ядра в момент гибели должна быть меньше 1,4 массы Солнца. Расчет Чандрасекара показал, что, если этот предел превзойден, белый карлик не может существовать, поскольку из-за лишней массы невероятно плотное вещество внутри звезды не способно сопротивляться гравитационному сжатию. Другими словами, ни одна звезда, оказавшаяся к концу своего существования массивнее Солнца в 1,4 раза, не станет одним из этих новооткрытых, тусклых, хотя и сверхплотных небесных объектов. Позднее вычисленное верхнее значение массы умирающей звезды стали называть пределом Чандрасекара. Но тогда возникает вопрос: что происходит со всеми более массивными звездами?

В то время ученые этого не знали. В 1931 году, когда Чандрасекар опубликовал свою работу, нейтрон еще не был открыт: Чедвик подтвердил его существование только в следующем году. Молодой индийский ученый не мог себе представить, что происходит с более массивными звездами в момент их смерти. Не зная о возможности образования нейтронных звезд, он предположил, что, возможно, в отсутствие гравитационного давления массивные звезды просто сжимаются и превращаются практически в ничто – уходят в небытие. Сейчас считается, что результатом коллапса очень массивных звезд становятся черные дыры. Однако в то время черные дыры существовали только в теории и еще несколько десятилетий оставались не реальными, а математическими объектами.

Чандрасекар непреднамеренно стал провозвестником и нейтронных звезд, и черных дыр.

Эддингтон, со своей стороны, так никогда и не согласился с идеей Чандрасекара. В 1934 году, вслед за публикацией первых результатов, молодой ученый направил в Королевское астрономическое общество еще две статьи, где уточнялись его более ранние расчеты и выводы. В январе 1935 года Чандрасекара пригласили сделать доклад на эту тему на заседании Королевского астрономического общества. Эддингтон выслушал выступление Чандрасекара, а затем взял слово сам и не оставил от его работы камня на камне. “Формула Чандрасекара основывается на объединении релятивистской механики с нерелятивистской квантовой теорией. Такой союз мне представляется греховным, а его результат – незаконным”, – сказал Эддингтон потерявшему дар речи Чандрасекару. Эддингтон верил: любая звезда со временем превращается в белый карлик. Ему казалась противоестественной идея коллапса в ничто под действием гравитации (позднее это “ничто” стало называться черной дырой). “Я полагаю, – заявил Эддингтон, – что должен быть общий закон природы, запрещающий звезде вести себя столь абсурдно!” Чандрасекар был настолько потрясен, что следующие четыре десятилетия белыми карликами больше не занимался. В то время под влиянием авторитета Эддингтона большинство ученых приняли его сторону. Все же, несмотря на противоречия, Чандрасекар и Эддингтон оставались в хороших отношениях5.

За три года до того, как Чандрасекар обратился к физикам, призывая их отставить в сторону критику Эддингтона и попробовать разобраться в его расчетах и гипотезах, на противоположной стороне Атлантического океана проходила другая научная битва. В начале 1932 года Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института узнал об открытии нейтрона Джеймсом Чедвиком. Новость произвела эффект разорвавшейся бомбы: большинство серьезных газет всего мира написали об открытии Чедвика – как-никак оно полностью меняло модель атома Резерфорда. “Открытие нейтрона. Эмбрион материи”, – гласил заголовок на первой странице New York Times 28 февраля 1932 года. Начало статьи было патетическим: “Доктор Джеймс Чедвик, работающий в Кавендишской лаборатории в Кембридже, открыл нейтрон – одну из первичных частиц природы. Открытие, о котором стало известно сегодня, наши ученые признали самым важным достижением экспериментальной физики с того времени, как лорд Резерфорд в 1911 году продемонстрировал ядерную структуру атома”6. Для Цвикки это открытие оказалось как нельзя кстати. Астрономы уже привыкли к так называемым новым – звездам, неожиданно начинающим светить необычно ярко. Они уже наблюдали и гораздо более редкий тип новых – более яркие и окруженные странно выглядящими туманностями. Цвикки назвал их “сверхновыми”.

Фриц Цвикки и его коллега Вальтер Бааде и раньше подозревали, что сверхновые могут быть результатом мощных взрывов звезд. Теперь, когда в астрофизическом арсенале Цвикки появился нейтрон, он смог связать концы с концами. Что, если, рассуждал он в 1933 году, в конце жизни звезды под действием гравитационного сжатия происходит коллапс ее ядра и недра звезды оказываются состоящими только из нейтронов (по мере того как протоны захватывают электроны и трансформируются в эти самые нейтроны)? Такая имплозия[11] “нейтронной звезды” существенно уменьшает исходную массу ядра и его размер. Основываясь на знаменитом уравнении эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (Е = тс2), Цвикки предположил, что масса, “потерянная” при коллапсе ядра, превращается в энергию, приводящую к взрыву, – во вспышку сверхновой. В одной из двух статей на эту тему Цвикки и Бааде писали: “Со всеми оговорками мы все же полагаем, что сверхновая представляет собой превращение обычной звезды в нейтронную звезду, состоящую главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно большой плотностью”7. В декабре 1933-го, двумя годами раньше, чем Чандрасекар представил исследования белых карликов, Цвикки и Бааде доложили свои результаты на собрании Американского физического общества в Стэнфорде.

Сегодня мы знаем, что выводы Цвикки оказались правильны, но, поскольку в статьях почти не было подтверждающих расчетов, в то время они в лучшем случае казались чисто гипотетическими. Когда в январе 1934 года Цвикки и Бааде опубликовали статью о сверхновых и нейтронных звездах, ее встретили, мягко говоря, прохладно. Годами коллеги-ученые отвергали концепцию нейтронных звезд, считая ее чисто умозрительной.

Зато все быстро согласились с Цвикки, что взрыв сверхновой – катастрофическое событие, завершающее жизнь массивной звезды. Такое развитие событий казалось более осмысленным в сравнении с тихим, постепенным умиранием менее массивных звезд, которые, как известно, превращаются в белые карлики. (Подробнее о гибели подобных гигантов см. в разделе “Чуть глубже: Смерть массивной звезды”.) Не стоит забывать, что сверхновые известны ученым давно – их наблюдали и описывали в течение столетий. В 185 году нашей эры китайские астрономы с удивлением заметили появление на небе новой звезды, которая была ярче всех своих соседей, но исчезла спустя восемь месяцев. Они с большой аккуратностью зафиксировали свои наблюдения и романтически назвали ее “звезда-гостья”. Сегодня считается, что это событие – вероятно, вспышка сверхновой SN 185 в направлении Альфа Центавра, где-то в районе границы между созвездиями Циркуль и Центавр. В следующие несколько столетий арабские, китайские, египетские, японские, итальянские и швейцарские астрономы в разное время “принимали” подобных гостий. Эти необычные “звезды” сияли, находясь на одном и том же месте, как и все остальные “неподвижные” звезды, и их никак нельзя спутать с другим небесным событием, например с перемещающейся по небу кометой. В 1054 году “звезда-гостья” была видна 23 дня на дневном небе и 653 дня на ночном. Она выглядела настолько яркой, что, как полагают, на пике светимости в четыре раза превосходила блеск Венеры, которую легко видеть невооруженным глазом. Позже это событие получило свое современное обозначение: сверхновая SN 1054 в созвездии Телец. Она знаменита тем, что ее остатком является яркая, многоцветная Крабовидная туманность, напоминающая большое космическое облако.

Однако древние астрономы не имели ни малейшего представления о том, почему появляются и исчезают эти “звезды-гостьи”. Так продолжалось до тех пор, пока датский астроном Тихо Браге и ноября 1572 года не обнаружил в созвездии Кассиопея новую звезду, не уступающую по яркости Юпитеру. Он знал наверняка, что раньше в этом месте неба звезды не было. По крайней мере, Браге доказал, что небо не остается неизменным. Несколько десятилетий спустя, в 1604 году, Иоганн Кеплер обнаружил другую новую звезду и пришел к тому же выводу. Становилось ясно: небо – это не кристаллическая сфера или кусок бархата, украшенный сверкающими блестками. Но только через три столетия Цвикки и Бааде поняли, что свет “звезды-гостьи” исходит от взрыва невероятной мощности, оповещающего о гибели массивной звезды8.

Однако до 1937 года теория Цвикки в части, относящейся к нейтронным звездам, не воспринималась безоговорочно. В 1937 году советский физик Лев Ландау написал статью, где предположил, что у всех звезд, включая наше Солнце, есть нейтронное ядро. В ядре вещество находится в состоянии, “в котором все ядра и электроны, объединившись, превратились в нейтроны”. В таком состоянии вещество способно выдержать существенно более сильное гравитационное сжатие, что предотвращает коллапс ядра. Сначала мало кто обратил внимание на работу Ландау, поскольку она была написана по-русски и опубликована только в журнале “Доклады академии наук СССР”. Это было время организованного Сталиным Большого террора, когда арестовывали и убивали миллионы людей. Угроза ареста нависла и над Ландау. Известный советский физик Петр Капица в попытке защитить Ландау, популяризируя его работу, послал эту статью Нильсу Бору, ученому из Копенгагена, получившему в 1922 году Нобелевскую премию за работы по исследованию строения атомов. Работа произвела на Бора такое впечатление, что он направил ее в журнал Nature, где ее и опубликовали 19 февраля 1938 года. Признание не помогло предотвратить арест, и в апреле 1938-го Ландау был обвинен в “антисоветской деятельности”, арестован и отправлен в Бутырку, печально известную тюрьму для политических заключенных. В Бутырке Ландау провел год, и выпустили его благодаря письму Нильса Бора Сталину и вмешательству Капицы, поручившегося за Ландау.

Статья Ландау вышла за несколько месяцев до того, как немецко-американский физик-ядерщик Ханс Бете впервые корректно описал термоядерные реакции, являющиеся механизмом генерации энергии в звездах. Позднее за эту работу он получил Нобелевскую премию. По иронии судьбы идея Ландау о нейтронных ядрах звезд по своей сути была ошибочной, но она вернула ученых к дискуссии о существовании нейтронных звезд. Одним из читателей, заинтересовавшихся статьей Ландау, был американский физик Роберт Оппенгеймер, который решил исследовать возможность существования ядер массивных звезд, остающихся после их смерти. Вместе со своим магистрантом Джорджем Волковым, эмигрантом из России, закончившим университет в Ванкувере, он взялся за расчет предельного значения массы нейтронной звезды, после превышения которого звезда не может противостоять гравитационному сжатию. Фактически для нейтронных звезд Оппенгеймер пытался решить ту же задачу, которую Чандрасекар решил для белых карликов, – определить верхний предел массы нейтронной звезды9.

В течение 1938 и 1939 года Оппенгеймер, Волков и американский физик Ричард Чейс Толмен опубликовали три основополагающие работы, где объяснили, как образуются нейтронные звезды, какой может быть их максимальная масса и что происходит, если этот предел превзойден. Согласно их расчетам, верхний предел массы нейтронной звезды оказался равен 0,7 солнечной массы. Они объяснили, что нейтронная звезда, рожденная в результате коллапса ядра в конце жизни массивной звезды, существует, пока короткодействующее отталкивание между нейтронами уравновешивает ее массу. Но если масса нейтронной звезды становится слишком велика, например, если вещество, оставшееся после взрыва сверхновой, падает обратно на нейтронное ядро, коллапс нейтронной звезды продолжается и она превращается в черную дыру. Правда, Оппенгеймер и его коллеги считали, что обнаружить нейтронные звезды (и черные дыры) невозможно, поскольку они слишком маленькие (рентгеновская астрономия тогда еще не появилась).

До сих пор верхний предел массы нейтронной звезды называют пределом Толмена – Оппенгеймера – Волкова[12], хотя вычисленное ими значение массы оказалось существенно заниженным, поскольку они не учли сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны в ядре атома. В 1990-е годы, когда аппаратура стала лучше и увеличилась точность наблюдений, выяснилось, что это предельное значение попадает в интервал от 1,5 до 3 солнечных масс. И наконец, после наблюдения командой LIGO/Virgo первого слияния нейтронных звезд, предел Толмена – Оппенгеймера – Волкова сдвинулся к значению, близкому к 2,17 солнечной массы. На сегодняшний день самая массивная из обнаруженных нейтронных звезд называется J0740 + 6620[13]. Это быстро вращающийся пульсар в двойной системе с белым карликом. Масса этой звезды равна 2,14 массы Солнца10.

Работа Оппенгеймера и его аспиранта появилась в тревожное время – перед Второй мировой войной. Когда война началась, многим физикам пришлось заняться более насущными делами. Оппенгеймер принял участие и стал одним из руководителей Манхэттенского проекта, целью которого было создать атомную бомбу быстрее нацистской Германии. Нейтронные звезды отошли на второй план более чем на двадцать лет, до открытия Джоселин Белл первого пульсара в 1967 году. После этого прорыва физики быстро поняли: обнаружить нейтронные звезды все же можно.

Случайное открытие Белл вызвало бурю в астрономическом сообществе. Но Фриц Цвикки, человек, который первым выдвинул идею о существовании нейтронных звезд и об их связи со смертью массивной звезды, не проявил ни малейшего интереса к этой теме. Вот что рассказывает о том времени радиоастроном Рональд Экерс. Сейчас он сотрудник CSIRO в Австралии, а тогда работал вместе с Цвикки в Калифорнийском технологическом институте.

Я встретилась с Экерсом в главном офисе CSIRO, расположенном примерно в двадцати минутах от центра Сиднея. “Кабинет Цвикки располагался на цокольном этаже того же здания, что и мой, – вспоминает Экерс. – Цвикки мне нравился, и мы часто общались, но, насколько я помню, он никогда не принимал участия в обсуждениях связи нейтронной звезды с пульсаром. В Калтехе тогда многие об этом говорили, но по каким-то причинам он в этих разговорах не участвовал”.

К тому времени Цвикки интересовали уже другие проблемы. Он был одним из тех достаточно редко встречающихся физиков, кто за время своей научной карьеры брался за задачи из разных областей физики. Кроме того, что Цвикки внес большой вклад в теорию нейтронных звезд, он указал на то, что во Вселенной, возможно, “недостает” большого количества вещества. (Подробнее о том, как Цвикки открыл темную материю, см. главу 6.)

В 1968 году, как раз тогда, когда вышла статья Белл и Энтони Хьюиша о пульсаре LGM-1, ученые сразу заговорили о том, что источником этих загадочных пульсаций могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Цвикки больше волновало окончание работы над “Каталогом галактик и скоплений галактик”, составленным на основании наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории. Этот каталог, опубликованный Калифорнийским технологическим институтом, состоит из шести томов и содержит тщательно проверенные данные о 29418 галактиках и 9134 скоплениях галактик11.

По словам Экерса, отсутствие тогда у Цвикки интереса к нейтронным звездам, возможно, объяснялось просто тем, что они внезапно перестали быть теоретической возможностью. Теперь ученые моделировали эти новооткрытые объекты, а Цвикки, как выразился Экерс, был скорее о том, как, жестикулируя, генерировать великие идеи, основываясь главным образом на интуиции, и “поэтому, когда потребовался детальный анализ, он уже не считал нейтронные звезды чем-то интересным”. Цвикки умер в Пасадене в Калифорнии через несколько лет после открытия нейтронных звезд. Он похоронен на маленьком кладбище городка Моллис в Швейцарии. Поездку туда я внесла в список того, что мне надо сделать в жизни. Я хочу отдать дань уважения этому человеку.

Хотя открытие нейтронных звезд так и не заинтересовало швейцарского эксцентрика, новую тему быстро подхватили другие астрономы, повернувшие свои телескопы в направлении пульсаров. Астрономы напряженно следили не только за нейтронными звездами, но и за связанными с ними туманностями, поскольку, опять же в соответствии с теорией Цвикки, они были тем, что осталось после смерти массивных звезд. Один из телескопов, который использовали для этих целей, принадлежит радиообсерватории Молонгло, расположенной приблизительно в часе езды от столицы Австралии Канберры и примерно в четырех часах езды от Parkes. Крестообразный радиотелескоп Molonglo — фантастическая конструкция с двумя перпендикулярными плечами, каждое в милю длиной. Такую радиоантенну называют “крест Миллса”. Плечи телескопа имеют форму разрезанных пополам цилиндров: параболическая форма поперечного сечения антенн используется для фокусировки сигнала. Двигая антенну вверх или вниз, можно вращать один из цилиндрических параболоидов вокруг его длинной оси.

Телескоп заработал на полную мощность в 1967 году – именно тогда, когда так эффектно состоялась премьера первого пульсара LGM-1. Molonglo сконструирован для наблюдения источников радиоизлучения, так что пульсары, можно сказать, по его части. Относительно небольшой диаметр цилиндра в сравнении с большими одиночными отражателями означает, что у этого телескопа полоса сканирования неба гораздо шире – и поэтому отыскивать пульсары он может гораздо быстрее. “Собирать” пульсары Molonglo начал сразу, причем в таком количестве, что за первые два десятилетия существования астрономии пульсаров фактически более половины всех пульсаров и остатков сверхновых были обнаружены именно этой обсерваторией. С шестидесятых годов телескоп много раз модернизировали, так что теперь он называется MOST (Molonglo Observatory Synthesis Telescope, “телескоп апертурного синтеза обсерватории Молонгло”). Сюда я приехала с Мэтью Бейлзом в феврале 2019 года. Стояла ветреная и пасмурная погода, а мелкий дождь развеял последние мечты о солнечном дне австралийского лета. Дежурный оператор телескопа приветствовал нас около небольшого домика, служившего аппаратной и центром сбора данных. Здесь хранятся результаты космического сканирования за несколько десятилетий. Он подвел нас к радиотелескопу, больше напоминавшему гигантское ирригационное оборудование для сельского хозяйства, чем точный астрономический инструмент. Принадлежащее местному фермеру стадо овец только усиливало это впечатление. Овец мы спугнули, и они быстро ретировались, прячась от усиливающегося дождя под направленным с севера на юг плечом радиотелескопа.

В пятницу 4 октября 1968 года именно этот радиотелескоп еще раз подтвердил, что Цвикки был прав. В тот день в небольшой аппаратной Molonglo астроном Майкл Лардж проводил наблюдения новооткрытых пульсаров. Он внимательно следил за данными на ленте самописца и вдруг увидел, как оба пера начали выписывать какие-то беспорядочные каракули. Лардж понял, что обнаружил далекое космическое тело. “Увидев это, он немедленно попытался со мной связаться”, – рассказывает астроном Алан Воган, работавший тогда в Молонгло над диссертацией под руководством Ларджа. В обязанности Вогана входило повышение чувствительности телескопа. Однако в тот день он пошел на христианскую конференцию, и связаться с ним оказалось нелегко. Ларджу удалось это сделать, только позвонив Алану домой. Его мать дала номер телефона центра, где проходила конференция. Лардж был очень возбужден, и Воган сразу же сел на поезд, идущий в Молонгло. Он успел туда как раз вовремя, к моменту следующего наблюдения, через двадцать четыре часа после первого.

“Мы выполнили большое число предварительных измерений, и, что удивительно, этот объект пульсировал очень быстро по сравнению со всеми известными в то время пульсарами”, – рассказывает Воган.

Действительно, число пульсаций этой нейтронной звезды оказалось порядка одиннадцати за секунду, тогда как периодичность шести других известных тогда пульсаров (два обнаружены телескопом Molonglo, а оставшиеся четыре – Белл) составляла около одной секунды.

Воган и Лардж в спешном порядке решили показать свои данные в Сиднейском университете. Координаты нового пульсара они упомянули в разговоре со своим коллегой Бернардом Миллсом, одним из создателей радиотелескопа Molonglo. “Берни сразу сообразил, что источник находится на месте остатка сверхновой”, – вспоминает Воган. У туманности – остатка массивной звезды, умершей около пятидесяти тысяч лет назад, – было вращающееся, сильно намагниченное ядро. Этот пульсар, получивший название “пульсар Вела” (Vela Pulsar, пульсар в Парусах), стал первым прямым свидетельством связи между нейтронной звездой и взрывом сверхновой. Исследователи очень быстро подготовили статью для журнала Nature, где ее напечатали через три недели после самого открытия – 26 октября 1968 года. По словам Вогана, они были очень возбуждены, но не стали почивать на лаврах, а продолжили работу по поиску новых пульсаров. Примерно через десять лет, в 1977 году, астрономы с помощью Anglo-Australian Telescope, расположенного в обсерватории Сайдинг-Спринг, тоже наблюдали пульсар Вела, но теперь впервые в оптическом диапазоне.

Ровно в тот же день, когда в Nature поступила статья о пульсаре Вела, два астронома, Дэвид Стелин и Эдвард Рифенштейн, работавшие в Соединенных Штатах на радиотелескопе Green Bank примерно в двух часах езды от города Шарлоттсвилла в Западной Вирджинии, обнаружили в Крабовидной туманности странные радиоимпульсы. Крабовидная туманность – остаток взрыва другой сверхновой, в созвездии Телец. Как я уже говорила, китайские астрономы видели эту яркую сверхновую в 1054 году. А в 1850 году астроном Уильям Парсонс, проведя много ночей у своего 36-дюймового телескопа, зарисовал оставшуюся после нее туманность. Его рисунок напоминал краба, и поэтому туманность стали называть Крабовидной.

А через месяц после открытия Стелина и Рифенштейна, сделанного с помощью телескопа Green Bank, магистрант Корнеллского университета Ричард Лавлейс обнаружил, что радиосигнал, идущий из Крабовидной туманности, поступает через регулярные интервалы – каждые 33 миллисекунды. Он работал на радиотелескопе обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико – большом отражателе, вмонтированном в естественную карстовую воронку. Позднее этот радиотелескоп стал знаменит благодаря и сериалу “Контакт” (еще в съемках этого фильма участвовал телескоп Very Large Array в Нью-Мексико), и семнадцатому фильму бондианы “Золотой глаз”. Результаты телескопов Green Bank и Arecibo подтвердили гипотезу астронома Франко Пачини, который за несколько месяцев до того опубликовал статью, где приводил аргументы за то, что внутри Крабовидной туманности должен быть пульсар12.

Итак, теперь имелось два пульсара, ярко сиявших среди остатков сверхновой. Кусочки пазла встали на свои места. Так подтвердились все интуитивные предсказания Фрица Цвикки, сделанные им в 1933 году. Нейтронные звезды – сверхплотные, крошечные, быстро вращающиеся и сильно намагниченные – стали абсолютно реальны.

Вспышка сверхновой – явление редкое. В галактиках, сравнимых по размеру с Млечным Путем, такое случается примерно два раза в столетие. Наша Галактика, вмещающая около трехсот миллиардов звезд, уже “отстает от расписания”. Наиболее “молодая” из известных сверхновых взорвалась в центре Млечного Пути примерно в 1870 году. Однако видно ее не было – скрывала космическая пыль. Теперь астрономы могут наблюдать остаток этой сверхновой как яркий источник радио- и рентгеновского излучения. В видимой Вселенной по крайней мере два триллиона галактик, и это значит, что каждую секунду где-то в бескрайних просторах космоса десять звезд становятся сверхновыми13.

Похоже, нет никакой регулярности в том, где и когда может появиться сверхновая, и поэтому отследить их очень трудно. Астрономы с помощью телескопов-роботов проводят широкий обзор неба, то есть мониторинг всех вспышек в различных диапазонах длин волн. Компьютерные алгоритмы проверяют полученные данные и отбирают многообещающих кандидатов в сверхновые, а астрономы пытаются срочно забронировать время для работы на мощных телескопах, чтобы исследовать электромагнитный спектр вспышки – ее астрофизические “отпечатки”. Маттео Кантьелло, астрофизик из Принстонского университета, называет такой анализ звездной криминалистической экспертизой: мы знаем, что звезда умерла, а теперь хотим точно выяснить почему и как. Наблюдение последних часов жизни звезды – если таковое возможно – может дать астрономам необычайно важную информацию о сверхновых. В частности, демонстрирует ли умирающая звезда заранее, за несколько месяцев, недель или дней, признаки неизбежного взрыва.

23 февраля 1987 года астрономы получили редкую возможность увидеть сверхновую “в действии”. В обсерватории Лас-Кампанас в Чили ночная смена только приступила к работе. Тогда здесь работали по старинке: ученые находились рядом с телескопом, а не за сотни миль от него в комфортабельном офисе с высокоскоростным интернетом. Дежурные Ян Шелтон и Оскар Дуальде сканировали небо. Неожиданно Шелтон заметил вспышку света в карликовой галактике – Большом Магеллановом Облаке. По космическим масштабам это недалеко от Млечного Пути, на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Земли. Вспышка оказалась настолько яркой, что ее можно было увидеть невооруженным глазом. Шелтон быстро задокументировал наблюдение. (Позднее он узнал, что еще один астроном из Новой Зеландии тоже наблюдал эту вспышку.) Ученые сверились с каталогом и увидели, что на месте вспышки раньше была массивная, неожиданно исчезнувшая звезда: перестал существовать голубой сверхгигант Сандулик -69º 202, обычно сиявший на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Он взорвался сверхновой II типа с коллапсирующим ядром, которая позднее стала называться SN 1987А. Это самая близкая к Земле сверхновая, звезду-предшественницу которой можно было наблюдать более четырехсот лет.

За три часа до того, как астрономы в Чили и в Новой Зеландии заметили вспышку в оптическом диапазоне, три детектора нейтрино – Kamiokande II в Японии, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) в Огайо на берегу озера Эри и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в России – зарегистрировали в общей сложности около двух десятков нейтрино. Это намного больше, чем любая из этих трех обсерваторий обнаруживала когда-либо ранее. До этого нейтринный механизм взрыва сверхновой был лишь теорией, получившей теперь наглядное доказательство14.

Однако убедительно доказать, что именно нейтрино “обеспечивают” энергией взрыв сверхновой, гораздо труднее. Ученые пробовали делать трехмерное компьютерное моделирование нейтринного механизма коллапсирующего ядра звезды, но это очень дорого и долго: даже один вычислительный эксперимент может занять несколько месяцев. И наблюдения не слишком помогают понять механизм взрыва сверхновой. “Дело в том, – говорит Стивен Смартт из Университета Квинс в Белфасте, – что вы видите только момент прохождения ударной волны через поверхность звезды-предшественницы”. Наблюдаемое свечение определяется радиусом звезды и количеством материала вокруг нее, а эти характеристики не слишком полезны для понимания механизма взрыва. “Решить этот вопрос можно, измерив кинетическую энергию выброшенного вещества, зная его движение и сравнивая энергию ударной волны и энергию взрыва звезды, – говорит Смартт. – Но это и теоретически трудно сделать, а обследовать непосредственно центр взрыва практически невозможно”.

Уже более тридцати пяти лет ученые изучают эволюцию SN 1987A. Они видели в реальном времени переход от небулярной стадии к остатку сверхновой. Большая загадка – отсутствующая нейтронная звезда: в соответствии с размером звезды-предшественницы (порядка двадцати масс Солнца) она, согласно теории, должна находиться в центре остатка сверхновой. Нейтринные наблюдения свидетельствовали, что на месте ядра исходной звезды действительно образовался компактный объект. Но астрономы ничего не нашли. Одно из возможных объяснений состоит в том, что там просто слишком много “мусора”, скрывающего ядро за плотными тучами пыли и газа. Или, возможно, магнитное поле нейтронной звезды, если она есть, либо слишком сильное, либо слишком слабое для того, чтобы стало возможно образование обычного пульсара. С другой стороны, возможно, на молодую нейтронную звезду упало слишком много выброшенного вещества – так много, что ее масса увеличилась до точки невозврата, вызвав дальнейший коллапс в черную дыру.

Никаких сигналов приближающейся смерти голубого сверхгиганта обнаружить не удалось, хотя ученые наблюдали сверхновую почти сразу после взрыва и знали, какая звезда была ее предшественницей15. Однако, кажется, по крайней мере некоторые звезды предупреждают нас о своей неминуемой кончине. Такую звезду астрономы обнаружили в 2013 году. Обычно новый интересный объект находят так: робот-телескоп сканирует ночное небо, а наблюдатели – дежурные астрономы – принимают поступающие данные и отбирают для последующего изучения те объекты, которые кажутся наиболее интересными и подходящими кандидатами в сверхновые. Таким образом, специалисты по возможности быстро стараются обнаружить космическое событие и начать его наблюдать. Когда, осветив сцену великолепным фейерверком, погиб красный сверхгигант, съемку неба в Северной Калифорнии вел дежурный обзорный робот-телескоп Palomar Transient Factory, а ровно через три часа после того, как свет вспышки сверхновой достиг Земли, ее заметили наблюдатели в Израиле. Звезда находилась в относительно близкой галактике и, что привлекло внимание, не была замечена накануне.

Так случилось, что на ту ночь одна из групп заранее забронировала время на телескопе Keck на Гавайях для каких-то других наблюдений. Офер Ярой из Института имени Вейцмана в Израиле поднял на ноги Дэна Перли, астрофизика из Калифорнийского технологического института, имевшего опыт работы с Keck. Перли немедленно попросил оператора телескопа на Гавайях направить телескоп на вспышку и в то же время быстро занял очередь для работы на орбитальном телескопе Swift, чтобы получить данные в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.

Используя щелевой спектрограф, Перли удалось получить последовательность из четырех спектров. Метод заключается в том, что собранный телескопом свет направляется в спектрограф, где проходит через щель определенной ширины, для того чтобы, с одной стороны, собрать как можно больше света от искомого объекта, а с другой – оставить за кадром близлежащие светила. “Сегодня, в начале 2020 года, это самые ранние спектры, полученные сразу после взрыва сверхновой”, – говорит Ярон.

До тех пор астрономы считали, что невозможно предсказать, взорвется ли звезда в ближайшие десять тысяч лет. Однако группа Ярона выяснила, что, возможно, в будущем мы сможем наблюдать сигналы-предвестники, указывающие на неизбежную смерть гигантской звезды в течение нескольких лет, а может, даже за несколько месяцев до взрыва сверхновой. Подобным сигналом может служить все более и более ускоряющееся извержение вещества из звезды. Это напоминает подземные толчки, обусловленные быстро поднимающейся наверх магмой, которые являются предвестниками извержения некоторых вулканов16.

Анализируя спектр сверхновой, получившей название SN 2013fs, Ярой и его коллеги обнаружили вокруг умирающей, взрывающейся звезды плотную газовую оболочку из так называемого околозвездного материала. Был ли там этот газ за сотни лет до взрыва, или это ранний предвестник взрыва? В модели коллапса ядра сверхновой предполагается, что до финального взрыва, глядя на звезду, нельзя определить, идет ли уже интенсивный внутренний коллапс ее ядра. Внешняя оболочка звезды, ее промежуточные слои остаются пугающе спокойными до конца – до тех пор, пока не произойдет падение вещества ядра звезды в ее центр. За считаные секунды это приводит к взрыву промежуточных слоев, которые устремляются к центру звезды. Но еще до Ярона другие ученые говорили, что, возможно, умирающие звезды теряют внешние слои газа раньше, чем происходит взрыв сверхновой.

В одном из исследований ученые проанализировали изображения, полученные при роботизированном обзоре шестнадцати сверхновых. Они обнаружили, что действительно до фактического взрыва пяти из них имели место небольшие вспышки. Статья Ярона показывает, что в последние моменты жизни звезды-предшественницы сверхновой, изучением которой занималась его группа, извержение газа происходило несколько раз, что привело к гораздо большей потере массы, чем когда-либо в предыдущие годы. Всего через пять дней после взрыва, когда ударная волна от взрыва сверхновой распространялась по межзвездному пространству, этот газ исчез.

Не все согласны с этими выводами. Другие астрономы думают, что, поскольку вокруг красных сверхгигантов много газа во все время их существования, возможно, околозвездный материал был там очень, очень долго. “Может быть, облако около этой звезды существовало миллионы лет”, – говорит Норберт Лангер, астроном из Боннского университета в Германии. Возьмите, например, Бетельгейзе – красный сверхгигант в созвездии Орион, находящийся довольно близко к Земле, на расстоянии чуть больше шестисот световых лет. Ясно, что он окутан газом, вероятно, существовавшим там тысячи лет, если не больше. Чтобы выяснить, кто прав, следует измерить, насколько быстро газ уносится от взрывающейся звезды. Если быстро – это взрыв газа. Возможно, в случае SN 2013fs удалось определить только верхний предел скорости, но Ярон полагает, что есть явные признаки того, что газ двигался гораздо быстрее характерной для красного сверхгиганта скорости звездного ветра.

Итак, насколько правдоподобно, что внешняя оболочка “знает” о скором взрыве звезды? Звезды настолько велики и так велика их плотность, что любая информация о ядре достигает поверхности через тысячи лет. Однако информация не обязательно должна переноситься фотонами, с трудом проходящими через толщу звезды. Информацию могут переносить ударные волны, а их энергии достаточно для образования на поверхности массивных газовых пузырей. В 2017 году Джим Фуллер, астрофизик из Калифорнийского технологического института, опубликовал статью, где выдвинул гипотезу, согласно которой информация о том, что происходит внутри звезды, может переноситься на поверхность звуковыми волнами. Он сравнил этот процесс с кипящим чайником. Если кипение интенсивное, его можно услышать, поскольку этот процесс приводит к возбуждению звуковых волн в воздухе. Можно предположить, что непосредственно перед взрывом сверхновой ядро звезды “закипает”, что вызывает звуковые волны большой энергии, способные привести к мощным выбросам с поверхности непосредственно перед взрывом.

Не только Ярон и Фуллер считают, что предупреждающие сигналы можно заметить до взрыва сверхновой. Анна Хо изучала не только Корову, но и SN 2018gep – сверхновую типа Ib, обнаруженную системой наблюдения Zwicky Transient Facility. Группа Хо начала наблюдение через несколько часов после того, как излучение от взрыва достигло Земли. В первые дни после вспышки они получили девять спектров – самые ранние спектры для сверхновых такого типа. В отличие от группы Ярона, Хо и ее коллеги наблюдали сверхновую, которая была результатом гравитационного коллапса ядра массивной звезды, утратившей до взрыва внешнюю водородную оболочку. Однако анализ Хо, как и данные Ярона, указывал на то, что признаки неизбежного взрыва звезда демонстрирует заранее. Для сверхновых типа Ib это было первое достоверное наблюдение вспышек-предшественниц, а значит, можно ожидать, что подобные предупреждающие сигналы – распространенное явление для различных типов массивных звезд, а не только для тех, которые взрываются как сверхновая типа II.

Хотя данные, полученные Хо и Яроном, дают представление о составе звезды-предшественницы непосредственно в момент ее смерти, они немного могут сказать о процессе взрыва сверхновой. Большая часть энергии, выделяемой при коллапсе, уносится нейтрино. Ярону надо было понять, можно ли передать достаточное количество этой энергии газу – веществу звезды и ее внешней оболочки, чтобы инициировать взрыв сверхновой.

Чтобы заглянуть внутрь сверхновой, астрономы изучают образовавшуюся туманность примерно через двести дней после взрыва. Они также наблюдают остаток сверхновой, образовавшийся спустя десятилетия, когда выброшенное газопылевое облако переместилось от места взрыва в космическое пространство, где его сравнительно просто наблюдать. В каком-то смысле взрыв выворачивает исходную звезду наизнанку. Именно в этих остатках звезд ученые обнаруживают тяжелые элементы, из которых образуются планеты, другие звезды и в конечном счете возникает жизнь.