Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

Телескоп планировалось закрыть 1 октября 2016 года. Но его команда не дала ему умереть тихой смертью, а решила превратить обсерваторию в самофинансируемый объект. Антенная тарелка GBT имеет диаметр сто метров, что делает ее самой большой полноповоротной антенной в мире, и она ищет пульсары с частотами ниже 2 ГГц. Если не считать китайского радиотелескопа FAST и обсерватории Аресибо, это самый чувствительный в мире одиночный антенный отражатель.

Самому GBT нет и двадцати лет, но он окружен несколькими более старыми радиотелескопами. Когда меня повели на экскурсию по территории, на меня надели красную каску, попросили перевести телефон в авиарежим, но выдали спец-разрешение делать цифровые фотографии (обычно разрешается пользоваться только старомодными камерами с 35-миллиметровой пленкой). И вот уже издалека я вижу GBT – он затмевает все остальные радиотелескопы, расположенные по соседству, как старые, так и новые. Первым я пошла осмотреть ржавый телескоп Говарда Тателя – самый старый радиотелескоп NRAO диаметром тридцать метров, наблюдения на котором начались 13 февраля 1959 года. Он прославился в 1960-м, когда знаменитый астроном Фрэнк Дрейк впервые использовал его в проекте поисков внеземного разума SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). В рамках двухмесячного проекта “Озма” (названного так в честь принцессы из серии книг “Страна Оз” Фрэнка Баума) проводились наблюдения двух наших ближайших звезд – Тау Кита и Эпсилон Эридана. Инопланетян телескоп не обнаружил, а единственный зарегистрированный им короткий сигнал, как позже выяснилось, был сигналом от пролетающего мимо самолета. Тем не менее с помощью телескопа-ветерана сделан ряд открытий: более точно определены и задокументированы местоположения и яркости некоторого количества радиообъектов, измерена температура поверхностей Луны и Венеры и изучен радиационный пояс Юпитера. Позже, в середине 1960-х, два одинаковых новых радиотелескопа в обсерватории были объединены с телескопом Говарда Тателя и превращены в интерферометр Green Bank (GBI, Green Bank Interferometer). Затем к GBI было добавлено несколько радиотелескопов меньшего размера, и эта система телескопов превратилась в прототип антенной системы VLA (Very Large Array) имени Карла Янски в Нью-Мексико. GBI первым подтвердил выводы общей теории относительности Эйнштейна о том, что массивные тела в космосе искривляют лучи света11.

Сама конструкция GBT немного отличается от конструкции радиотелескопов Parkes и Lovell. Радиоволны из космоса отражаются от рефлектора и собираются в чрезвычайно чувствительных приемниках радиотелескопа, помещенных в верхней части боковой конструкции – стрелы, которая смонтирована сбоку от рефлектора, чтобы не мешать сбору излучения самой тарелкой. Боковая стрела выглядит как мускулистая рука, поднявшая массивный инструмент, чтобы продемонстрировать свою силу в момент бесконечного триумфа. И этому радиотелескопу есть чем гордиться. В 2019 году с его помощью была обнаружена самая массивная на сегодняшний день нейтронная звезда, имеющая массу 2,14 солнечной[26]. В 2006 году GBT обнаружил в космосе соединение ацетамид – самую большую межзвездную молекулу с пептидной связью, а также другие органические молекулы, обогатив наше понимание химического состава межзвездной среды. В том же году радиотелескоп обнаружил в молекулярном облаке в Орионе большое магнитное поле в форме катушки, а в созвездии Змееносец – на расстоянии около двадцати трех тысяч световых лет от нас – огромную полость, заполненную горячим газом с плотностью меньше плотности окружающей межзвездной среды.

Благодаря своей превосходной чувствительности, огромной зоне радиомолчания вокруг, приемникам с очень низким уровнем шума и передовой методике поиска пульсаров телескоп GBT оказался удивительно совершенным инструментом для поисков пульсаров и измерения периодов их вращения. За прошедшие годы GBT обнаружил более двухсот пульсаров, многие из которых – миллисекундные. Он даже обнаружил несколько миллисекундных пульсаров в источниках гамма-излучения, ранее найденных телескопом Fermi, а это означает, что теперь мы узнали о нескольких нейтронных звездах, которые излучают как в радио-, так и в гамма-диапазоне. Райан Линч, астроном, работающий на телескопе GBT, называет его лучшим “пульсарным телескопом” в мире. Поэтому, если задаться целью искать большую популяцию миллисекундных пульсаров в галактическом центре, GBT – один из наиболее подходящих инструментов для этого, с ним может конкурировать только MeerKAT, а в будущем – еще более чувствительный SKA и, возможно, китайский FAST. Но все же, говорит Слейтер, обнаружить пульсары в центре Галактики будет непросто даже для них.

В 2009 году GBT обнаружил три пульсара недалеко от галактического центра. Это были не миллисекундные пульсары, а довольно молодые нейтронные звезды, и они не были гравитационно связаны с центральной черной дырой. Большинство астрономов больше интересуются именно миллисекундными пульсарами, потому что, если бы они были связаны с черной дырой, это позволило бы ученым провести точную проверку общей теории относительности (см. главу 8), наблюдая крошечные изменения в “ходе их часов” – точнее, изменения моментов поступления радиоимпульсов от них12.

Тем не менее открытие этих трех пульсаров доказало, что GBT (по крайней мере, в некоторой степени) может “рассмотреть” объекты и сквозь слой “мусора”, заполняющего район галактического центра. Этот “мусор” представляет собой огромное скопление газа и пыли, которые обращаются вокруг галактического центра, закрывая нам обзор. Чем больше газа в межзвездном пространстве, тем больше вокруг носится свободных электронов, взаимодействующих с радиоволнами более низких частот, излучаемых пульсарами. А это означает, что сигнал, регистрируемый астрономами, будет иметь сильную дисперсию, то есть приходящий импульс будет размыт, и это размытие делает идентификацию точечного источника более сложным делом. Еще больше мешает ионизированный газ, который рассеивает любой сигнал. Импульсы по пути к Земле отклоняются толщей газа, а это означает, что им приходится преодолевать большие расстояния, чтобы добраться до нас. Они прибывают в разное время, и это превращает сигнал от точечного объекта в сильно размазанный по времени. Этот эффект затрудняет детектирование импульсов, и, если рассеяние будет сильным, мы вообще не сможем различить отдельные источники, поскольку сигналы от них будут перекрываться13.

Однако GBT справляется с этими проблемами лучше, чем многие другие радиотелескопы. Он чрезвычайно чувствителен в высокочастотной области, где влияние рассеяния и дисперсии, мешающих обнаруживать пульсары, меньше, и это повышает вероятность их нахождения. С другой стороны, как говорит Линч, “пульсары не хотят помочь нам их найти, поскольку при переходе к высоким частотам их яркость уменьшается”. Таким образом, нужно найти компромисс между необходимостью преодолеть негативные эффекты от рассеяния на ионизированном газе, которое испытывает излучение на пути от пульсаров к Земле, и необходимостью работать в области частот, где чувствительности еще хватает на то, чтобы обнаружить пульсары, хотя по своей природе они там и слабо излучают. Другими словами, задача, которую должны решить астрономы, состоит в том, чтобы найти радиотелескоп, работающий на частотах достаточно высоких, чтобы преодолеть