Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

относятся к электромагнитным волнам, только их длины лежат в другой области спектра, но принципиально они от световых волн не отличаются1. Наблюдения Радхакришнана поляризации радиоволн, излучаемых пульсаром, позже подтвердили модель пульсара, согласно которой из магнитного полюса пульсара наружу выбрасывается пучок радиоволн.

Манчестер охотно помог Радхакришнану. Пульсар Вела был ярким, и исходя из более ранних наблюдений считалось, что излучаемые им радиоволны поляризованы. И Радхакришнан с Манчестером направили антенну Parkes на этот пульсар. Но тут они неожиданно обнаружили проблему: импульсы, казалось, стали приходить чаще, чем ожидалось. Другими словами, период вращения пульсара Вела, измеренный с большой точностью в предыдущих наблюдениях командой Parkes и равный чуть менее одной одиннадцатой доли секунды, оказался на 196 наносекунд короче. Либо пульсар стал вращаться быстрее, либо радиотелескоп над ними подшучивал.

Поздно вечером измученный Радхакришнан лег спать, предоставив своему молодому коллеге разбираться в том, не случилось ли чего с радиотелескопом. Манчестер провел всю ночь, проверяя и перепроверяя оборудование; он проверил даже периоды вращения других пульсаров и увидел, что они не изменились. С техникой, похоже, все в порядке. На рассвете он закончил проверку и, уходя, оставил Радхакришнану записку: что-то не так не с Parkes, а с пульсаром Вела.

Действительно, все дело было в пульсаре Вела. Манчестер и Радхакришнан случайно стали первыми, кто заметил глитч пульсара, то есть сбой, в данном случае состоявший во внезапном ступенчатом изменении периода пульсара на ничтожную величину – на две миллионные. Но если учесть, что уже тогда астрономы умели очень точно измерять периоды пульсаров, эта величина оказалась немалой.

Кроме того, период изменился крайне быстро, вероятно, менее чем за секунду.

Так случилось, что группа из калифорнийской лаборатории реактивного движения, входящей в НАСА, тоже заметила сбой. Несколько недель спустя в журнале Nature были опубликованы рядом две статьи, одна Радхакришнана и Манчестера, другая – той группы. “Nature поместила нашу статью перед их – возник небольшой спор о том, кто первым увидел глитч”, – говорит Манчестер2. На самом деле сложно определить, когда именно произошел сбой, но наблюдения лаборатории реактивного движения показали, что событие произошло в интервале между 24 февраля и 3 марта 1969 года.

Так что же вызвало глитч? Обе команды предположили, что внезапно уменьшился момент инерции пульсара. Значение этой характеристики, равной среднему значению массы, умноженному на квадрат радиуса, показывает, как распределена масса внутри тела. В случае с пульсаром Вела, очевидно, изменился радиус пульсара – но как это могло случиться?3 Этот сбой стал загадкой, а человек, сумевший пролить на нее некоторый свет, даже не знал об открытии пульсара Джоселин Белл. Фактически это событие полностью прошло мимо него. Этим человеком был Гордон Бейм из Университета Иллинойса, который в 1968 году работал приглашенным профессором в Токийском университете. Чтобы как-то скоротать время в ежедневных поездках на метро через весь город из дома в офис и обратно, он по дороге читал книгу советского астрофизика Иосифа Шкловского “Вселенная, жизнь, разум”. Бейм занимался физикой конденсированных сред, но книга Шкловского пробудила в нем интерес к астрофизике. Когда через несколько месяцев Бейм вернулся в Иллинойс и узнал о пульсарах, он вместе со своими коллегами Дэвидом Пайнсом, Крисом Петиком и Джо Равенхоллом погрузился в изучение нейтронных звезд.

Они были теоретиками и поэтому хотели досконально разобраться в этих новых объектах и выяснить, из чего те могут состоять. Интересовались они ими не в последнюю очередь потому, что изучали поведение частиц и таких явлений, как сверхтекучесть и плотная форма материи, а эти недавно открытые нейтронные звезды оказались настолько плотными, насколько это вообще возможно. Вскоре Бейм наткнется на статью Радхакришнана и Манчестера, описывающую глитч пульсара Вела.

До сенсационного открытия Джоселин Белл нейтронные звезды изучали всего несколько человек. Возможно, кто-то вспомнит, что в 1939 году Оппенгеймер и Волков вычислили верхний предел массы нейтронных звезд – 0,7 солнечной массы. Как показали наблюдения, проведенные десятилетия спустя, он оказался слишком заниженным, и в статье 1959 года физик-теоретик Аластер Кэмерон увеличил значение предельной массы до двух масс Солнца. Этими работами почти все и исчерпывалось – в то время немногие исследователи интересовались объектами, которые, казалось, никогда не будут обнаружены4.

Советский физик Аркадий Мигдал рассуждал не так. Он специализировался на изучении плотной материи, особенно ядер атомов, и был первым, кто предположил, что атомное ядро – это крошечный аналог нейтронной звезды. Оба объекта невероятно плотны, то есть вещество в них сжато в очень маленьком пространстве, более того, считается, что плотность нейтронной звезды более чем вдвое превосходит плотность ядра. Но, в то время как в атоме вся масса сосредоточена в центре, а электроны образуют облако вокруг него, в нейтронной звезде, как предполагается, атомы коллапсировали, что, по предположению Мигдала, сделанному им еще в 1959 году, должно привести к странному состоянию, известному как сверхтекучесть.

Сверхтекучесть – это, пожалуй, самое удивительное состояние, в котором могут пребывать очень маленькие объекты, описываемые квантовой механикой. Обычно, если нет других сил, течение любой жидкости неизбежно замедляется – и она останавливается из-за трения. Например, когда вы проливаете воду на кухонный стол, она останавливается уже через считаное число секунд. Но сверхтекучая жидкость будет течь вечно. Как это происходит? В обычных условиях протоны и нейтроны (вместе их еще называют нуклонами) – большие индивидуалисты и стремятся по возможности избегать друг друга. Однако при достаточно низких температурах они образуют пары. Они начинают вести себя слаженно, маршируют в унисон, как солдаты, и находятся в одном и том же квантовом состоянии. Такое происходит только с некоторыми атомами и только тогда, когда они охлаждены почти до абсолютного нуля. Коллективное квантовое поведение позволяет сверхтекучей жидкости течь без трения и даже взбираться вверх по стенам5.

Все это оставалось чистой теорией до 1937 года. В тот год советский физик Петр Капица (позже он убедит Сталина освободить из тюрьмы Льва Ландау) работал с гелием, охлаждая его, чтобы посмотреть, что с ним произойдет. Несколькими годами ранее Капица работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже с Эрнестом Резерфордом, куда приехал после того, как потерял жену и двоих детей во время эпидемии испанки в России. Когда он летом 1934 года ненадолго приехал из Англии в Россию, чтобы навестить мать и принять участие в симпозиуме, ему, не объясняя причин, не разрешили вернуться в Англию. Резерфорд попытался облегчить участь Капицы и прислал криогенное оборудование из Кембриджа, что позволило организовать в Москве новый институт – Институт физических проблем. Однажды в 1937 году Капица наблюдал за протеканием