15.10.2018

Радиофизика шестидесятников: история двух великих открытий

Шестидесятые годы прошлого века играют особую роль в истории астрономии. 55 лет назад, в 1963 году, в журнале Nature вышли статьи, посвященные квазару 3С 273. Их основной результат – то, что квазар удалось отождествить с далекой эллиптической галактикой, – можно считать открытием квазаров. А 50 лет назад, в 1968 году, в том же Nature вышли статьи с описанием быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы, получивших название пульсаров. Эти статьи и эти два открытия, по сути, положили начало радиоастрономии.

Вместо введения

Слово «шестидесятники» в российской культуре ассоциируется с поколением, отмеченным особенной ролью в жизни общества. В этом же смысле шестидесятники не раз присутствовали и в истории науки.

В Британии в 1660-е годы было учреждено Королевское общество, а один из его основателей Роберт Бойль дал определение химического элемента и открыл первый из трех законов идеального газа. Джон Валлис (правильнее, Уоллис) создал теорию упругих и неупругих ударов и на ее основе пришел к общей концепции сохранения количества движения. Джеймс Грегори предложил оптическую схему зеркального телескопа и доказал фундаментальную теорему о связи дифференцирования и интегрирования, которая считается основной теоремой математического анализа. Исаак Ньютон разработал основы дифференциального исчисления, раскрыл цветовой спектр солнечного света, построил телескоп-рефлектор, сформулировал первую версию закона всемирного тяготения и вывел общую формулу биномиального разложения. Так что британским шестидесятникам тех времен выпала исключительная роль в Научной Революции XVII столетия.

Перенесемся на два столетия. В 1860-е годы Иван Сеченов выпустил фундаментальные труды по физиологии нервной системы, Джеймс Клерк Максвелл в «Трактате об электричестве и магнетизме» (A Treatise on Electricity and Magnetism) опубликовал уравнения классической электродинамики, Грегор Мендель открыл законы наследственности, а Дмитрий Менделеев представил на суд химического сообщества периодическую систему элементов. И снова – серия величайших достижений всего за одно десятилетие. Да и великая книга Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» (On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life) вышла в свет в конце ноября 1859 года, а мировую известность приобрела в 1860-е годы.

Но и это еще не всё. В 1860 году отцы-основатели спектрального анализа Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Кирхгоф обнаружили в спектре солнечного света линии поглощения нескольких химических элементов. Эти эксперименты положили начало новой науке – астрофизике. А без астрофизики не было бы открытий, которым посвящена статья.

Полвека назад, в седьмом десятилетии прошлого столетия, были созданы теория кварков и теория электрослабых взаимодействий, которые вскоре легли в основу Стандартной модели элементарных частиц. Однако самый (по крайней мере, на мой взгляд) богатый улов замечательных открытий пришелся на долю совсем молодой науки – радиоастрономии. Вот список ее главных достижений по годам:

• 1962 – Обнаружено вращение Венеры и определена температура ее поверхности.
• 1963 – Открыты квазары.
• 1963 – Открыто радиоизлучение молекул межзвездного газа.
• 1964 – Открыто вращение Меркурия и произведена термометрия его поверхности.
• 1964 – Открыто реликтовое микроволновое излучение.
• 1965 – Открыты космические мазеры.
• 1968 – Открыты пульсары.

Два пункта из этого перечня особенно повлияли на прогресс всего комплекса наук астрономического цикла. Это открытие квазаров и пульсаров (регистрация МРИ, конечно, была не менее фундаментальным достижением, но она больше проходит по ведомству космологии). Первое открытие отделяют от нас 55 лет, второе – ровно 50. О них и поговорим. Но сначала вспомним, как возникла радиоастрономия.

Начало науки

В 1927 году американская корпорация AT&T запустила первый трансатлантический радиотелефон. Из-за множества помех связь была далека от совершенства, и 23-летний физик Карл Янский получил задание разобраться, почему это происходит. Для этого он смонтировал в Холмделе в штате Нью-Джерси 10 вертикальных прямоугольных рамочных антенн, объединенных в единую цепь и установленных на вращающейся тридцатиметровой раме. Система была настроена на прием сигналов на частоте 20,5 мегагерц (длина волны 14,6 метров).

В 1930 году Янский обнаружил очевидные и предсказуемые источники помех – далекие и близкие грозы. Однако в наушниках все время раздавалось слабое шипение, причина которого не поддавалась объяснению. К 1932 году он выяснил, что загадочные помехи меняются с периодичностью звездных суток (23 часа 56 минут) и, следовательно, возникают за пределами Солнечной системы. В дальнейшем стало понятным, что это излучение исходит из Млечного Пути – то есть, из плоскости нашей Галактики.

Янскому повезло вдвойне. Как раз в те времена плотность солнечных пятен была минимальной, и по ночам ионосфера отлично пропускала 15-метровые радиоволны. В период активного Солнца «карусель Янского» оказалась бы бесполезной.

Открытие межзвездных волн, как их называл Янский, вызвало немалый шум – в мае 1933 года о нем даже написала газета «Нью-Йорк Таймс». Янский пытался убедить руководство корпорации построить тридцатиметровую тарелочную антенну для изучения космических радиосигналов. Но менеджеры щедрости не проявили и перебросили его на другой проект. У астрономических обсерваторий тоже не было ни денег, ни желания тратиться на радиоаппаратуру. Янский изложил свои результаты в четырех статьях (две – в инженерном журнале, одна – в Popular Astronomy, и еще одна – в Nature) и на этом распрощался с астрономией.

Однако дело Янского не пропало. На его работы обратили внимание молодой радиоинженер Гроут Ребер и физик из Мичиганского университета Джон Краус (John D. Kraus). Краус в 1933 году соорудил небольшой радиотелескоп с отражающей антенной, но не смог ничего поймать из-за малой чувствительности приемника. После Второй мировой войны он основал радиоастрономическую обсерваторию при университете Огайо и написал классический учебник по новой науке. Ребер пошел много дальше и в 1937 году построил на пустыре около родительского дома первый радиотелескоп с поворотной параболической антенной. Отладив свое детище, он приступил к регулярным наблюдениям и в 1942 году опубликовал карту «радионеба» Северного полушария.

Изучением радионеба занялись и другие энтузиасты. В 1942 году англичанин Джеймс Хэй (James Stanley Hey) поймал радиосигналы Солнца. В 1942-43 годах радионаблюдения нашего дневного светила вели Ребер и Джордж Саутворт (George Clark Southworth), известный американский радиоинженер, один из создателей радиоволноводов. В те же годы разработчики немецких радаров фактически заметили отражение радиоволн от поверхности Луны, но об этом стало известно лишь после войны.

Бурное развитие радиоастрономии началось после 1945 года. Этому сильно поспособствовали работы над радарами систем ПВО. В частности, в Англии в астрономию пришли талантливые молодые исследователи, служившие во время войны на радарных станциях. Британское правительство передало ученым несколько работоспособных установок, к тому же английские и голландские астрономы получили в свое распоряжение трофейные немецкие радиолокаторы с 740-сантиметровыми антеннами. После перенастройки эта аппаратура была использована для поиска космических радиосигналов.

Это было лишь начало. Вскоре (сначала в Англии, а потом и в других странах) начали строить крупные радиотелескопы с антеннами в десятки метров (сперва неподвижными, затем и поворотными), а потом – и системы из нескольких связанных радиотелескопов – радиоинтерферометры. В 1960-е годы появились фазированные решетки с тысячами антенн, интегрированных в единые (и вскоре компьютеризованные) сети. Эти нововведения в сочетании с более совершенной аппаратурой для усиления и фильтрации радиосигналов (в частности, мазерами и параметрическими усилителями) значительно увеличили чувствительность радиотелескопов и их угловое разрешение. Радиоастрономия превратилась в большую науку, важнейшую компоненту всего комплекса исследований небесных явлений. В 1960-е годы она стала такой же серьезной дисциплиной, как и оптическая астрономия.

Эти странные квазизвезды

В истории открытия квазаров особенную роль сыграли две обсерватории – английская и австралийская. В 1952 году неподалеку от знаменитой Кавендишской лаборатории вступил в действие радиотелескоп оригинальной конструкции – Кембриджский интерферометр (Cambridge Interferometer). Он состоял из четырех неподвижных цилиндрических антенн, которые действовали как интегрированная система, осуществляющая функции двойного интерферометра. Этот телескоп был создан двумя будущими Нобелевскими лауреатами – руководителем Радиоастрономической группы Кембриджского университета (нынешнее название – Кавендишская астрофизическая группа, Cavendish Astrophysics Group) Мартином Райлом и его коллегой Энтони Хьюишем. Установку использовали для сканирования космического пространства, результатом которого стала публикация двух обширных списков радиоисточников – Второго и Третьего кембриджских каталогов (первый каталог был составлен ранее на основе информации, полученной другой обсерваторией). Каталог 3С (The Third Cambridge Catalogue of Radio Sources), в который вошли 470 космических объектов, был закончен в 1959 году.

Некоторые из новооткрытых источников находятся в плоскости Млечного Пути. Их удалось отождествить с горячими газовыми туманностями, излучающими радиоволны вследствие теплового движения заряженных частиц. Еще часть источников сочли останками сверхновых звезд, генерирующих радиоволны посредством синхротронного излучения. Прочие источники, вошедшие в этот каталог, признали самостоятельными галактиками. Один из них, обозначенный 3C 273, четыре года спустя открыл список квазаров.

В его возвышении главную роль сыграл новый австралийский радиотелескоп с поворотной 64-метровой тарелочной антенной. Он вступил в строй осенью 1961 года и к весне 1962 года был полностью отлажен. Инициатором этого проекта был еще один видный разработчик британских и американских радиолокационных систем Эдвард Боуэн (Edward George Bowen), перебравшийся после войны на Пятый континент. Новую обсерваторию возвели в двадцати километрах от города Паркс в провинции Новый Южный Уэльс, названного в честь одного из отцов-основателей Австралийской федерации сэра Генри Паркса. Крупнейший на то время радиотелескоп Южного полушария также получил его имя – Parkes Radio Telescope.

Радиоисточник 3С 273 находится в созвездии Девы и может наблюдаться и в Северном, и в Южном полушариях. Совсем рядовым его не назовешь – в каталоге 3С по радиояркости он входит в первую десятку (занимает седьмое место). Вскоре после публикации каталога этим источником заинтересовались в Калифорнийском технологическом институте, где в 1960-е годы работала сильная (вероятно, сильнейшая в США) группа радиоастрономов. Калтех к тому времени располагал собственной обсерваторией OVRO (Owens Valley Radio Observatory), построенной в 1958 году к востоку от горной цепи Сьерра-Невада в 350 км от Лос-Анджелеса. Там имелся первоклассный интерферометр, состоящий из пары 27-метровых радиотелескопов, установленных по линии восток-запад.

С начала 1960-го года на этой установке начали наблюдения космических радиоисточников. Она могла измерять их угловые координаты с очень хорошей для своего времени точностью – порядка десяти угловых секунд. Сотрудники обсерватории без большой задержки определили положение 3С 273 на северном небосводе, однако эти результаты были опубликованы (в списке позиций 226 источников космических радиоволн) лишь в ноябре 1964 года. Во всяком случае, координаты 3С 273 были известны калтеховским астрономам еще в середине 1961 года. Но дальше этого у них дело не пошло.

Уточнение позиций новооткрытых радиоисточников отнюдь не было самоцелью. Астрономы намеревались их сопоставить с наблюдаемыми в оптические телескопы космическими объектами. Эта задача становилась все актуальней, поскольку к концу 1960 года ученые не сомневались в наличии в третьем кембриджском каталоге большого числа галактик. За неимением лучшего имени эти очень удаленные сверхмощные радиоизлучатели назвали радиозвездами – radio stars.

В 1960 году калтеховские астрономы Томас Мэттьюс (Thomas A. Matthews) и Джон Болтон предположительно отождествили источник 3С 48 из созвездия Треугольника с очень слабым светящимся объектом 16-й звездной величины. Сначала его сочли за одну из звезд нашей Галактики, однако информация об его излучении оказалась очень неопределенной, и вопрос так и остался открытым. Забегая вперед, замечу, что 3С 48 действительно оказался квазаром, удаленным от нас почти на 4 миллиарда световых лет, но окончательно это было доказано лишь в 1982 году.

Для идентификации радиоисточника необходимо как можно точнее измерить его угловые координаты, чтобы подобрать подходящего кандидата в оптическом спектре. Однако разрешающая способность радиотелескопов первого и второго поколений была довольно мала. Установка Янского работала с точностью порядка 30 градусов, а радиотелескоп Ребера давал двенадцатиградусную погрешность. Законченный в 1957 году британский радиотелескоп обсерватории Джодрелл-Бэнк (сейчас – радиотелескоп имени Б. Ловелла) с 76-метровой полноповоротной антенной обеспечивал в лучшем случае угловое разрешение в 10 угловых минут.

Конечно, калтеховский интерферометр с его десятью угловыми секундами работал точнее, но и его возможности бледнели по сравнению с лучшими оптическими инструментами. Крупнейший телескоп середины XX века, 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории при оптимальных атмосферных условиях обеспечивал угловое разрешение порядка 0,5 секунды. Справедливости ради стоит отметить, что со временем возможности радиоастрономии значительно улучшились. Так, действующая с мая 1993 года американская сеть из десяти интегрированных радиотелескопов Very Long Baseline Array (8 антенн на континентальной территории США, одна на Гаваях, одна на карибском острове Санта-Крус) дает разрешение вплоть до 0,0002 секунды.

Однако для аккуратного определения позиций очень далеких (и потому хорошо локализованных) радиоисточников существовал еще один метод, не требующий интерферометров и позволяющий использовать унитарные радиотелескопы (конечно, с достаточно крупными фокусирующими антеннами). В принципе, он был известен давно, хотя применялся нечасто. В 1909 году британский математик майор Перси МакМагон (Percy Alexander MacMahon) предложил измерять угловой размер и положение звезд, наблюдая (естественно, в оптические телескопы) их накрытие (на языке астрономии – оккультацию) лунным диском. Эту идею раскритиковал Артур Эддингтон, утверждавший, что из-за дифракции звездного света нельзя добиться хорошего разрешения. Однако Эддингтон не понял, что анализ дифракционных кривых может увеличить точность измерений. В конце 1930-х годов это продемонстрировал на практике Альберт Уитфорд (Albert Edward Whitford) – американский астроном и астрофизик, крупный специалист по электронной фотометрии. Во время войны его привлекли к разработке радаров (и тут радары!), и больше он к этой теме не возвращался. Но в 1950 году в Техасском университете на основе техники лунной оккультации началась длительная серия измерения расстояний между двойными звездами. В 1950-х годах с ней принялись успешно экспериментировать и радиоастрономы. Правда, в 1970-е годы его применение сошло на нет, поскольку появились радиоинтерферометры очень высокого разрешения.

Этот метод блестяще сработал в ходе наблюдений источника 3С 273. Его усовершенствовал молодой (1928 года рождения, это уже «послерадарное» поколение) радиоастроном Сирил Хазард (Cyril Hazard). В начале 1960-х годов в ходе работы на радиотелескопе обсерватории Джодрелл-Бэнк он определил координаты источника 3С 212 с точностью в три угловые секунды. Затем Хазард приехал в Австралию, присоединился к группе астрономов Сиднейского университета и приступил к наблюдениям на радиотелескопе имени Паркса. Его целью был источник 3С 273, чьи оккультации раз в 20 лет становятся наблюдаемыми из Южного полушария.

График из статьи C. Hazard et al., 1963. Investigation of the Radio Source 3C 273 By The Method of Lunar Occultations.

Поскольку очередной период оккультаций пришелся на 1962 год, Хазард зарезервировал время на телескопе имени Паркса. Он и его коллеги отследили три оккультации – 15 апреля, 5 августа и 26 октября. По техническим причинам радиотелескоп смог зарегистрировать лишь одно волновое поле сразу после выхода источника из лунной тени (emmersion) в апреле, и одно поле в октябре – на этот раз непосредственно перед входом в тень (immersion). Больше всего информации было получено в августе, когда аппаратура «Паркса» измерила френелевскую дифрацию радиоволн и на входе, и на выходе, причем сразу на двух частотах (136 и 410 мегагерц). Очень ценными оказались и наблюдения октябрьской оккультации, которые удалось провести на частотах 410 и 1420 мегагерц. Поскольку более высокая частота обеспечивала лучшее разрешение, у источника обнаружились не одна, а две излучающие зоны, заметно разнесенные на небосводе. Так что эти данные не только позволили определить положение источника с ошибкой менее одной угловой секунды, но и привели к выявлению его пространственной структуры.

На пальцах объяснить улучшение разрешающей способности телескопа методом лунной оккультации невозможно – нужна серьезная математика. Поэтому ограничусь минимумом сведений. Предельная разрешающая способность телескопа при обычных наблюдениях определяется отношением длины волны излучения к размеру апертуры. Анализ дифракционной картины, возникающей при огибании радиоволнами края лунного диска, обеспечивает разрешение порядка квадратного корня от отношения длины волны к удвоенному расстоянию от Земли до Луны (а это 770 тысяч километров). Это обстоятельство плюс ряд технических приемов, использованных Хазардом, обеспечили разрешение порядка одной угловой секунды.

Хазард и его группа представили результаты в статье, опубликованной 16 марта 1963 года в журнале Nature. Как уже было сказано, они пришли к выводу, что 3С 273 включает два излучающих центра, компоненту А и вчетверо менее яркую компоненту B, разделенные дистанцией примерно в 20 угловых секунд. Компонента А наблюдается как вытянутое ядро поперечником в 2 секунды, окруженное шестисекундным гало. Компонента B имеет овальное ядро поперечником в половину секунды и гало шириной в 7 секунд. Это означает, что излучение компоненты B сильнее сконцентрировано в ее центре, нежели излучение компоненты А. Стоит отметить, что немного раньше французский астрофизик Джеймс Лекё (James Lequeux) с помощью интерферометрических наблюдений также выявил бинарную структуру 3С 273, хотя не столь детально.

С группой Хазарда сотрудничал Джон Болтон, который участвовал в сооружении телескопа имени Паркса и стал первым директором этой обсерватории. Хазард и не вошедший в число соавторов Болтон сочли полученные результаты настолько важными, что сами доставили их в Сидней, причем во избежание случайностей летели разными рейсами. И им было о чем беспокоиться! Австралийским радиоастрономам впервые удалось детально реконструировать структуру радиоисточника, который предположительно находился на космологической дистанции от нашей Галактики. Предположительно – но все же не наверняка. Истинное расстояние до 3С 273 оставалось неизвестным.

Как это часто бывает даже (впрочем, почему даже?) в науке, прояснению этой ситуации помогли личные связи. 20 августа (то есть задолго до полной расшифровки структуры 3С 273) Болтон ознакомил с собранной информацией голландского астронома Мартена Шмидта, который тремя годами ранее эмигрировал в США и приступил к работе в Калтехе. В своем письме Болтон просил проверить этот участок небосвода на предмет оптической идентификации радиоисточника. Интересно, что в координаты 3С 273, только что вычисленные Хазардом, вкралась ошибка приблизительно в 15 секунд (позже, естественно, она была исправлена), и поэтому в письме Шмидту содержались не вполне точные данные о его местоположении. К счастью, ничего страшного от этого не произошло.

Шмидт имел доступ к пятиметровому телескопу Паломарской обсерватории, оснащенному первоклассным спектрографом. До декабря 3С 273 находился чересчур близко к Солнцу, что препятствовало наблюдениям в оптическом диапазоне. В результате Шмидт получил первые фотоснимки и спектрограммы требуемого участка небосвода лишь 27 декабря. В наблюдаемом районе имелась голубая звезда 13-й величины. Рядом с ней можно было разглядеть тонкую светящуюся полоску, которую Шмидт идентифицировал как джет. Ее координаты, как выяснилось позднее, соответствовали положению компоненты B, выявленной группой Хазарда. Эту звездочку астрономы обнаружили на фотопластинках еще в конце XIX века – конечно, на тогдашних телескопах джета не было видно.

Первые спектрограммы оптического излучения этой звезды (вернее, космического объекта, который приняли за звезду) оказались некачественными, однако 29 декабря Шмидт получил отчетливую картинку. На ней просматривалось несколько полос, не соответствовавших спектральным линиям ни единого из известных элементов. Шмидт убрал фотопластинку в стол и переключился на подготовку к новогодним праздникам.

Кто знает, сколько времени она там пролежала бы, если бы Болтон не предложил опубликовать наблюдения Шмидта в Nature одновременно с работой группы Хазарда. Поэтому 5 или 6 февраля (относительно точной даты источники расходятся) Шмидт вернулся к изучению пластинки. И в этот судьбоносный день он вдруг понял, что три самые узкие и потому хорошо различимые полосы на спектрограмме точно соответствуют трем линиям серии Бальмера, одной из спектральных групп излучения водорода, сдвинутым на 15,8% в красную часть спектра (позже выяснилось, что аналогичная интерпретация годится и для трех менее четких полос). Это была первостатейная сенсация!

Шмидт немедленно поделился своими выводами с профессором астрофизики Джессе Гринстайном, который в то время занимался изучением радиоисточника 3С 48, и с профессором астрономии Джоном Оуком (John Beverley Oke), чьи кабинеты были расположены рядом. Весь остаток рабочего дня они пытались найти другие объяснения странного спектра, но из этого ничего не вышло. По ходу беседы Гринстайн показал коллегам незаконченную статью о 3С 48. К ней были приложены сделанные Гринстайном и другим калтеховским профессором астрономии Гвидо Мюнхом (Guido Munch) спектрограммы уже упоминавшегося оптического источника 16-й величины, расположенного по соседству. На этих спектрограммах, как и на снимках объекта 3С 273, наблюдались линии, которые никак не получалось идентифицировать. После недолгого мозгового штурма ученые пришли к выводу, что эти линии тождественны спектральным линиям ионов магния, неона и кислорода, сдвинутым к красной границе спектра аж на 37%. Гринстайн предложил коллегам немедленно выпить за свои потрясающие открытия (см. Fifty Years of Quasars).

Статья Шмидта появилась в выпуске Nature от 16 марта 1963 года рядом с публикацией группы Хазарда. В этом же номере напечатана статья Оука, посвященная распределению энергии в оптическом спектре 3С 273, и статья Гринстайна и Мэттьюса с данными о красном смещении спектра 3С 48. Сейчас эти четыре работы считаются классикой астрономии и астрофизики двадцатого столетия.

Статья Шмидта не впечатляет ни длиной, ни разнообразием графического материала. Это короткая заметка на две трети журнальной страницы. Шмидт почему-то не добавил к тексту отпечатка со своей исторической фотопластинки. Он ограничился таблицей, в которой даны наблюдаемые длины волн шести загадочных полос излучения, и те же длины волн, пересчитанные с поправкой на красное смещение z = 0,158. В последнем столбце таблицы отмечено, что четыре полосы соответствуют линиям бальмеровской серии водорода, а оставшиеся две – излучению ионизированных атомов магния и кислорода. Шмидт подчеркнул, что эта «беспрецедентная идентификация спектра вроде бы звездного объекта в терминах значительного красного смещения допускает два возможных объяснения».

Далее следуют объяснения, причем для каждого автору статьи хватило одного абзаца. Во-первых, пишет Шмидт, можно предположить, что красное смещение имеет гравитационную природу, то есть, обусловлено уменьшением частоты излучения в очень сильном поле тяготения. В этом случае источник света – сверхмассивная звезда с радиусом порядка десяти километров. Шмидт отметил, что эта версия практически не согласуется с наблюдаемой структурой спектральных линий.

Вторая интерпретация гораздо интересней. Загадочный звездный объект представляет собой ядерную область галактики с космологическим красным смещением 0,158, которое соответствует видимой скорости 47 000 км/сек и дистанции порядка 500 мегапарсек (эту оценку Шмидт сделал на основе закона Хаббла, хотя в тексте на него не сослался). Диаметр ядерной области составляет менее одного килопарсека, а ее светимость в оптическом спектре, как минимум, в сто раз превышает светимость галактик, которые до сих пор были зарегистрированы как источники радиоизлучения. Если наблюдавшийся на оптических снимках тусклый джет и выявленная группой Хазарда компонента А источника 3С 273 принадлежат одной и той же галактике, то они находятся приблизительно в 50 килопарсеках от ее ядра.

Четыре статьи, появившиеся 16 марта 1963 года в Nature, произвели сильное впечатление на астрономов. Вскоре (все в том же каталоге 3С) нашлось еще несколько столь же необычных источников. Их угловые размеры не превышали половины секунды – против минимум трех секунд у типичных звездных скоплений, удаленных от Млечного Пути на сравнимые расстояния. С другой стороны, мощность их радиоизлучения была на несколько порядков выше, нежели у обычных галактик.

Новооткрытые аномальные источники радиоволн стали основной темой Международного симпозиума по гравитационному коллапсу и другим проблемам релятивистской астрофизики (International Symposium on Gravitational Collapse and Other Topics in Relativistic Astrophysics), состоявшегося в Далласе 16-18 декабря 1963 года. Поскольку память о недавнем убийстве президента Кеннеди была еще свежа, участники встречи проголосовали за переименование ее в Симпозиум памяти Джона Ф. Кеннеди (John F. Kennedy Memorial Symposium).

После интенсивных дискуссий ученые пришли к следующим выводам. Во-первых, эти источники представляют собой чрезвычайно массивные и в то же время очень компактные объекты (не менее ста миллионов солнечных масс в пространстве поперечником не более одного килопарсека). Во-вторых, это не звездные скопления, пусть сколь угодно плотные. В-третьих, время их жизни превышает 10 тысяч лет. В-четвертых, хоть эти источники и генерируют чрезвычайно сильное радиоизлучение, пик их мощности приходится на оптическую зону. В-пятых, плотность заряженных частиц на поверхности этих объектов очень невелика – порядка десяти миллионов на кубический сантиметр. И, наконец, в-шестых, их полная энергия превышает энергию покоя миллиона звезд солнечной массы. В общем, стало понятным, что астрономия столкнулась с совершенно необычными обитателями Космоса.

Авторы первых публикаций использовали для этих источников названия "stellar object" и "star-like object". Позже был предложен довольно неуклюжий термин "quasi-stellar radio source" (квазизвездный радиоисточник), но продержался он недолго. Следующей весной в журнале Physics Today появился подробный отчет о далласском симпозиуме, написанный сотрудником Годдардовского института космических исследований Хонг-Йи Чью (Hong-Yee Chiu). Он предложил для краткости и удобства заменить длинное название аббревиатурой «quasar». Новое слово быстро привилось и восторжествовало в устных дискуссиях и научно-популярной литературе. Однако главный печатный орган астрофизики, Astrophysical Journal, еще долго не допускал его использования в своих публикациях. Лишь с 1970 года оно было наконец-то санкционировано (причем с сожалением) главным редактором журнала великим Субраманьяном Чандрасекаром.

С момента открытия квазаров их поиск пошел чрезвычайно быстро. К концу 1964 года число известных квазаров достигло четырех десятков. Некоторые имели красное смещение порядка двух и, следовательно, были отдалены от нашей Галактики на 10 миллиардов световых лет (а вот наблюдения квазаров с красным смещением более трех пришлось ждать до 1973 года). С этим открытием астрономия реально вышла на максимальные масштабы космологических дистанций. Сегодня рекорд удаленности принадлежит квазару J1342 + 0928. Его красное смещение равно 7,5, что соответствует возрасту всего в 690 миллионов лет от момента Большого Взрыва.

Природа квазаров и источники их излучения были окончательно установлены намного позднее их открытия. Описание этой истории лежит за рамками моей статьи, поэтому ограничусь кратчайшей информацией. Сейчас установлено, что в центре большинства галактик лежат одиночные черные дыры с массой в миллионы и даже миллиарды солнечных масс. Общая светимость галактики сильно зависит от того, что происходит в пространстве вблизи центральной дыры. Если там нет или почти нет направленных к дыре потоков вещества, она проявляет себя вовне только своим притяжением (именно это и происходит в центре нашей собственной Галактики). Напротив, если в этой области много частиц свободного газа и пыли, они притягиваются дырой и закручиваются в окружающем пространстве, образуя аккреционный диск. В нем происходят сложные и не до конца понятные процессы, которые влекут за собой интенсивную генерацию электромагнитного излучения. В этом случае галактика имеет так называемое активное ядро. Квазары – это особо активные галактические ядра, порождающие излучение максимальной мощности в широких частотных диапазонах. В таких ядрах из обеих полярных областей черной дыры вырываются мощные плазменные струи, которые движутся почти со скоростью света (они называются релятивистскими джетами). Именно такой джет заметил Мартен Шмидт.

В ролике представлено интервью Сандры Фабер с Мартеном Шмидтом, в котором он рассказывает об открытии квазаров и своей научной карьере. Все части интервью можно найти здесь. Доступна также сопровождающая статья M. Schmidt, 2015. Exploring the Universe.

Иногда по воле случая один из джетов оказывается направленным на нашу Галактику (а второй, естественно, в противоположную сторону). Квазары с такой ориентацией джетов называют блазарами. Из-за усиления светимости (relativistic beaming), вызванного релятивистским эффектом Допплера, блазары выглядят много ярче квазаров одинаковой мощности, чьи джеты ориентированы по-иному. Типичные блазары порождают фотоны самых различных энергий – от радиоволн до гамма-квантов. Открытый Шмидтом квазар как раз принадлежит к числу блазаров, что было установлено лишь в 1981 году. Именно этим объясняется его аномально высокая светимость, так поразившая Шмидта. И было чему удивляться: 3С 273 был и остается на земном небосводе самым ярким квазаром как в радиоспектре, так и в инфракрасном и оптическом диапазонах.

Астрономы со временем скорректировали численные оценки Шмидта – впрочем, не слишком сильно. По уточненным данным, квазар 3С 273 лежит в ядре гигантской эллиптической галактики, чей видимый угловой размер составляет 30 секунд. Расстояние до этого квазара составляет 749 мегапарсек, или 2,4 миллиарда световых лет. Длина замеченного Шмидтом джета приблизительно равна двумстам тысячам световых лет. Масса черной дыры определена не особенно точно – 886 ± 187 миллионов солнечных масс. Скорее всего, еще не миллиардник, но что-то около.

В заключение стоит отметить, что лишь десять процентов известных ныне квазаров генерируют сильное радиоизлучение. Поэтому термин, придуманный как сокращение первоначального названия «квазизвездный радиоисточник», предпочтительней не только из-за краткости (и, не побоюсь этого слова, некоторой загадочности), но и потому, что не содержит явной отсылки к радиоволнам.

Космические тик-таки

Открытие пульсаров связано с еще одним радиотелескопом. Он был построен в 1967 году по инициативе Энтони Хьюиша, который, как и раньше, работал в Кавендишской лаборатории. К этому времени кембриджские радиоастрономы располагали несколькими инструментами, объединенными в Маллардовскую радиоастрономическую обсерваторию (Mullard Radio Astronomy Observatory, MRAO). Своим названием она обязана британской электронной корпорации Mullard Limited, которая субсидировала этот проект сотней тысяч фунтов стерлингов.

В середине 1960-х годов Хьюиш подключился к исследованию квазаров. Незадолго до этого он пришел к выводу, что сигналы от очень компактных космических радиоисточников с угловыми размерами порядка одной секунды должны рассеиваться на плазменных облаках, которые подпитываются частицами солнечного ветра в межпланетной среде. В результате такого рассеивания интенсивность зарегистрированных радиотелескопом сигналов хаотически колеблется. Этот эффект, который сродни мерцанию звезд из-за рассеяния на флуктуациях земной атмосферы, получил название межпланетной сцинтилляции (interplanetary scintillation). Хьюиш понял, что находка мерцающих радиоисточников – путь к открытию новых квазаров.

Однако для этого требовались новые аппаратные возможности. Конкретно, Хьюш нуждался в радиотелескопе с очень высокой разрешающей способностью, приспособленном для регистрации быстрых колебаний радиополя. Он самостоятельно спроектировал такую систему и в 1965 году получил под нее финансирование.

Радиотелескоп Хьюиша был рассчитан на прием сигналов на частоте 81,5 мегагерц в полосе шириной в один мегагерц. Для приема радиоволн была спроектирована антенна с фазированной решеткой из 2048 дипольных принимающих элементов. Она представляла собой прямоугольник со сторонами 470×45 метров, внутри которого были смонтированы шестнадцать одинаковых рядов диполей. Длинная сторона прямоугольника была ориентирована по линии север-юг, короткая – по линии восток-запад. Телескоп позволял сканировать радионебо в широкой зоне с угловыми координатами по склонению от минус восьми до сорока четырех градусов (то есть, ему была доступна почти половина северного небосвода и небольшая часть южного).

Новая установка, Interplanetary Scintillation Array, была завершена в 1967 году. Ее строила команда из пяти человек, среди которых была и 24-летняя аспирантка Хьюиша Джоселин Белл (Jocelyn Bell), которая занималась монтажом кабельной сети, соединяющей диполи. В июле 1967 года, после того как телескоп прошел первые испытания, Белл приступила к пробным наблюдениям.

Вскоре судьба преподнесла ей сюрприз. Радиоэлектронная аппаратура телескопа записывала информацию на бумажных лентах четырех перьевых самописцев. Вскоре (впервые – 6 августа) Джоселин Белл заметила на графиках небольшие спорадические изломы. Их можно было приписать дефектам еще не отлаженных регистраторов, но Джоселин заподозрила, что это какие-то флуктуирующие сигналы, пришедшие из космоса. Ей удалось определить прямое восхождение предполагаемого источника – 19 часов 19 минут (отсюда последующее название CP 1919). Хьюиш посоветовал ей повторить этот эксперимент и записать его на новом высокоскоростном самописце. В октябре этот прибор был установлен. Сначала его использовали для регистрации сигналов знаменитого источника 3С 273, поскольку Хьюиш намеревался проверить некоторые аспекты своей теории межпланетных сцинтилляций. Поэтому до Джоселин Белл очередь дошла лишь в ноябре.

Оказалось, что предчувствия ее не обманули. К концу месяца она выяснила, что загадочные зубцы кривых – это пульсации протяженностью примерно 0,3 секунды, разделенные промежутками в 1,337 секунды. Последующие наблюдения показали, что эта периодичность сохраняется с очень высокой точностью – возможное относительное отклонение не превышало одной десятимиллионной!

Хьюиш не сразу поверил в космическую природу зарегистрированных (впервые – 28 ноября) радиоимпульсов. Проявив похвальную осторожность, он предложил поискать для них другие источники – такие как сигналы с искусственных спутников Земли или отражения радиоволн от лунной поверхности. Однако из этого ничего не получилось, и он склонился к выводу, что источник сигналов находится далеко за пределами Солнечной системы. В этом он окончательно уверился, когда его сотрудники Пол Скотт (Paul Scott) и Р. А. Коллинс (R. A. Collins) на другом радиотелескопе отловили такие же сигналы с тем же небесным адресом.

Сомнения окончательно рассеялись после того, как Джоселин Белл 21 декабря выявила второй пульсирующий сигнал, а в середине января – еще два, причем они исходили от источников, разнесенных на небесной сфере далеко друг от друга. Теперь уже и самому Хьюишу, и членам его команды стало ясно, что они столкнулись с еще неизвестным космическим феноменом, и о нем необходимо сообщить астрономическому сообществу. Спешить с этим тем более было нужно, что к концу года в профессиональной среде уже множились слухи о результатах кембриджской группы.

8 февраля Энтони Хьюиш и четверо его сотрудников отправили в Nature статью о своем открытии, причем подпись Джоселин Белл стояла на втором месте. 24 февраля их работа появилась в печати. Четырьмя дня ранее Хьюиш доложил ее на семинаре в Максвелловской аудитории Кавендишской лаборатории. В апреле Nature опубликовал еще одну работу кембриджской группы с анализом сигналов от остальных трех источников. Следует отметить, что в марте периодическое излучение источника CP 1919 было зарегистрировано на телескопе имени Паркса сразу на пяти различных частотах от 85 до 1410 мегагерц, и об этом австралийские радиоастрономы сообщили в сентябре.

Термин «пульсар» – по явной аналогии с квазаром – придумал Хьюиш, скорее всего, не позднее марта 1968 года. Так и получилось, что новые радиоисточники оказались обязаны квазарам не только открытием (ведь Хьюиш искал именно квазары!), но и названием.

В первой же статье Хьюиш и его коллеги не просто рассказали о загадочном пульсирующем источнике радиоволн, но и высказали соображения о его природе. Они отметили, что расстояние от источника до Земли никак не меньше тысячи астрономических единиц. Сделать этот вывод было не так уж сложно, поскольку параллакс источника не превышал двух угловых минут. В этом же разделе авторы обсудили гипотезу, в соответствии с которой источником сигналов были радиальные вибрации белых карликов или нейтронных звезд. Одним из предположений было, что такие вибрации порождают ударные волны на звездной поверхности, и именно эти волны генерируют радиомагнитные импульсы. Соавторы весьма осторожно отнеслись к этой гипотезе и подчеркнули, что «для понимания странного нового класса радиоисточников понадобится новые наблюдения».

Точности ради надо отметить, что белые карлики к этому времени были давно открыты и хорошо изучены. Нейтронные же звезды, напротив, были предсказаны теоретиками еще в 1930-е годы, но по-прежнему считались гипотетическими объектами.

Как нередко случается, понимание природы нового явления в своей основе было достигнуто еще до его открытия. 11 ноября 1967 года в Nature появилась статья итальянского астрофизика Франко Пачини (Franco Pacini) (он в то время работал в Корнеллском университете) с провидческим заголовком Energy Emission from a Neutron Star. В ней Пачини показал, что вращающаяся намагниченная нейтронная звезда служит источником электромагнитных волн, которые преимущественно исходят вдоль ее магнитной оси. Если эта ось не совпадает с осью вращения звезды, то направленный вовне узкий поток радиоволн крутится в космическом пространстве и, возможно, на каждом обороте задевает нашу планету. Такой поток радиотелескопы смогут зарегистрировать как последовательность пульсаций, приходящих на Землю с частотой вращения звезды (подобно тому, как вращающийся прожектор маяка периодически освещает далекие корабли). Хотя Пачини этого вывода не сделал, он непосредственно следует из его модели.

Пачини дал оценку мощности излучения звезды с магнитным полем порядка 10¹⁰ гаусс, получив весьма солидную величину в 2×10⁴⁰ эрг/сек. Отсюда следует (хотя, опять-таки, Пачини на этом специально не остановился), что если ее излучение не будет поглощено межзвездной средой, оно сможет проявиться на расстояниях, сравнимых с размерами крупных галактик.

Пачини сам отметил, что его модель «косого ротатора» (oblique rotator, что можно перевести и как «наклонный ротатор») чрезмерно идеализирована, так что сильно намагниченные нейтронные звезды требуют дальнейшего изучения. В ретроспективе основная слабость этой модели вполне очевидна. Пачини рассматривал нейтронную звезду как магнитный диполь, ось которого пересекает центр звезды под углом к оси ее вращения. В результате ось диполя вычерчивает коническую поверхность (откуда и название «наклонный ротатор»), по которой уходят радиоволны. Такая система генерирует монохроматичное излучение очень низкой частоты, равной угловой частоте вращения звезды (Пачини оценил ее в тысячу герц). Поэтому длины испущенных радиоволн составляют сотни километров. Такие волны должны сильно отражаться и поглощаться межзвездной плазмой на весьма умеренных дистанциях от источника. В результате, заключил Пачини, «нас такие электромагнитные волны достичь не могут».

Напомню, что статья Пачини вышла из печати всего за две с половиной недели до первых пульсаций источника CP 1919, обнаруженных Джоселин Белл на ленте самописца. Тогда эту работу мало кто заметил и, во всяком случае, не связал с открытием первого пульсара. Возможно, вывод Пачини о радионевидимости нейтронных звезд для земных наблюдателей стал фактором снижения интереса астрономов и астрофизиков к его работе. Впрочем, мне как историку науки, задним числом несложно предложить такое объяснение, поэтому я на нем и не настаиваю.

Декану астрономического факультета все того же Корнелла Томасу Голду (Thomas Gold) повезло гораздо больше. Он предположил, что зарегистрированные кембриджской группой радиоимпульсы порождены релятивистскими движениями плазмы в магнитосфере быстро вращающейся нейтронной звезды. В целом, эта та же модель, что и у Пачини, но с явным указанием на роль динамических процессов в магнитосфере (кстати, это термин придумал тот же Голд). Совсем занятно, что Голд не только не обратил внимания на статью Пачини, но и не обсудил с ним собственную гипотезу, хотя их кабинеты находились в одном коридоре. Мартену Шмидту с коллегами повезло больше.

Голд хотел доложить свою работу на конференции по пульсарам в Нью-Йорке 20-21 мая 1968 года. Но не получилось. Организатор этой встречи известный астрофизик Алистер Камерон (A. G. W. Cameron) счел гипотезу Голда чересчур экстравагантной и отказался предоставить ему слово. Однако тогдашний редактор Nature (не астроном и не физик, а биолог!) Джон Мэддокс (John Maddox) не только поверил Голду, но и немедленно отправил его статью в набор. Она поступила в редакцию журнала 20 мая, а 25 мая была опубликована. Насколько я знаю, это абсолютный рекорд в истории журнала.

Томас Голд дал своей работе совсем уж говорящий заголовок "Rotating Neutron Stars as the Origin of the Pulsating Radio Sources". Ни убавить, ни прибавить – всё сказано. В конце короткой (чуть больше журнальной страницы) статьи даны два важнейших предсказания. Голд пишет, что поскольку радиоволны испускаются за счет ротационной энергии нейтронной звезды, скорость ее вращения постепенно замедляется, а периоды пульсаций увеличиваются. Во-вторых, скорость вращения нейтронной звезды может достигать сотен оборотов в секунду, поэтому не будет неожиданным открытие космических радиопульсаций с такими же короткими периодами.

Модель Голда выгодно отличается от модели Пачини еще в одном аспекте. Она не ограничивает электромагнитную активность нейтронной звезды излучением радиоволн очень низких частот. Релятивистские движения частиц ее плазменного окружения в принципе могут генерировать радиоволны разных частот, в том числе, в диапазоне от десятков до сотен мегагерц. Именно такие сигналы наблюдали британские и австралийские астрономы.

Голд оказался прав по всем основным пунктам своей теории. Хотя механизмы излучения радиопульсаров еще далеки от полной ясности, не приходится сомневаться, что его генерируют динамические процессы в магнитосферах нейтронных звезд. Предсказанные Голдом пульсары с периодами, измеряемыми тысячными долями секунды (миллисекундные пульсары) действительно существуют. Первый такой пульсар PSR B1937+21 с периодичностью 1,558 миллисекунд (что дает угловую частоту нейтронной звезды в 642 оборота в секунду) был обнаружен в 1982 году астрономом из Калифорнийского университета Дональдом Баккером и его группой. Что до другого предсказания Голда, то ежедневный прирост периода пульсара в Парусах (он же PSR J0835-4510) на 10 наносекунд, вызванный замедлением вращения нейтронной звезды-источника, был обнаружен посредством наблюдений на радиотелескопе имени Паркса еще зимой 1968-1969 годов. Существует видео, на котором этот пульсар запечатлен в движении.

Поиск новых пульсаров и исследование их свойств составляют не менее увлекательную главу истории астрономии и астрофизики, нежели изучение квазаров. На этом пути было сделано (и, конечно, будет сделано) множество интереснейших открытий. Но, как и в случае с квазарами, это совершенно самостоятельная тема.

Кое-что, так сказать, осталось на сладкое. Мало какое описание открытия пульсаров обходится без упоминания, что кембриджские астрономы одно время допускали искусственный характер зарегистрированных сигналов. Это верно, как верно и то, что в шутку они называли отправителей маленькими зелеными человечками – little green men. Однако это обсуждалось лишь как экзотическая версия, да и к тому же недолго. Уже в первые дни января 1968 года подобные разговоры полностью прекратились.

И последнее. Достигнув к началу 1960-х годов и технической, и идейной зрелости, радиоастрономия вполне ожидаемо вышла на достижения нобелевского уровня, и в Стокгольме это быстро признали. В 1974 году лауреатами стали Мартин Райл (за разработку и результаты интерферометрических методов радиотелескопических наблюдений) и Энтони Хьюиш (за определяющую роль в открытии пульсаров). Это была первая, но отнюдь не последняя Нобелевская премия по физике, присужденная радиоастрономам. Четыре года спустя ее получили Арно Пензиас и Роберт Вильсон (за открытие микроволнового реликтового излучения).

Поскольку нобелевский статут ограничивает число получателей премии в каждой номинации тремя лауреатами, Джоселин Белл в принципе могла бы разделить с Хьюишем награду за открытие пульсаров. Шведские академики так не посчитали – и, на мой взгляд, справедливо. В самом деле, вклады Энтони Хьюиша и его аспирантки в это великое открытие попросту несоизмеримы. Хьюиш предложил оригинальный исследовательский проект и сконструировал для его выполнения уникальную антенную мультисистему. Белл, действительно, заметила первые признаки космических радиопульсаций и доказала их реальность. Она проявила и наблюдательность, и упорство, но ей еще и сильно повезло. Однако эти ценные качества, равно как и удача – слишком слабое основание для причисления к сонму нобелистов. Особенно, если учесть, – и об этом необходимо сказать открыто – что по окончании аспирантуры она не обогатила науку новыми открытиями. Ее профессиональные достижения ограничились благополучной карьерой университетского профессора.

К тому же судьба не обидела Джоселин Белл (после замужества – Джоселин Белл Бёрнелл) многочисленными знаками отличия. Королева Елизавета дала ей дворянский титул Dame, а университеты и научные общества удостоили членством, медалями и премиями. 6 сентября 2018 года было объявлено о присуждении ей Премии по фундаментальной физике (Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics) – то ли к ее 75-летию, то ли к 50-летнему юбилею открытия пульсаров. А это, как-никак, 3 миллиона долларов – Нобелевская премия в денежном выражении почти втрое меньше.

Я понимаю, что ламентации по поводу того, что кому-то дали, а кому-то не дали Нобелевскую премию – разговоры в пользу бедных. И все же меня удивляет, что Сирил Хазард, Мартен Шмидт и Джессе Гринстайн не были удостоены этой награды за открытие квазаров. Возможно, везения не хватило.

Очень короткое заключение

В 1960-80-е годы радиоастрономия лидировала в области качественного и количественного расширения возможностей наблюдений космического пространства с наземных платформ. Оптическая астрономия в эти времена не то, чтобы стагнировала, но развивалась относительно медленно. Пятиметровый рефлектор Паломарской обсерватории вплоть до 1976 года оставался самым большим в мире. Конечно, оптические обсерватории оснащали более совершенными фотокамерами и спектрографами, но эти приборы монтировали на уже имеющихся телескопах. Строительство гигантских рефлекторов нового поколения с 8-10 метровыми зеркалами началось лишь в 1990-е годы. Позднее их начали оснащать системами активной и адаптивной оптики, позволявшими в несколько раз увеличить разрешающую способность. Новые телескопы объединяли в интерферометрические системы и оснащали компьютерной управляющей аппаратурой. Это привело к революционному перевороту в оптической астрономии, которая стала достойным партнером астрономии радиоволн.

Однако радиоастрономия шестидесятников обязана своими открытиями не одному лишь прогрессу аппаратных и вычислительных ресурсов. Ее активным человеческим ядром была не особенно многочисленная (во всяком случае, по сегодняшним меркам) группа первоклассных исследователей, объединенных неформальными личными связями (а иногда – и опытом совместной работы над военными проектами). Эти связи и опыт сыграли в высшей степени конструктивную роль в становлении новой научной дисциплины.

Алексей Левин

Источники:

1. elementy.ru