Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Измеряя вспышки какое-то время, мы обнаружили, что чем больше вспышка, тем дольше приходится ждать следующую. Время ожидания могло составлять и шесть секунд, и целых восемь минут. Нечто подобное характерно для молнии. Мощный разряд при особенно сильном ударе молнии означает, что ждать, пока электрическое поле нарастит свой потенциал до такой степени, чтобы разрядиться снова, придется дольше.

Позднее в том же году откуда-то появился перевод статьи советских ученых, опубликованный в 1975 году и посвященный рентгеновским вспышкам; в ней рассказывалось об их обнаружении в 1971 году спутником «Космос-428». Мы были поражены: в СССР открыли рентгеновские вспышки, они опередили Запад! Однако по мере того, как я все больше и больше слышал об этих вспышках, мой скептицизм неуклонно рос. Уж очень сильно вспышки, выявленные советскими учеными, отличались от вспышек, которые я обнаружил с помощью SAS-3. В итоге я начал серьезно сомневаться в том, что эти вспышки действительно ими были. Я подозревал, что либо они носили техногенный характер, либо были каким-то странным, причудливым образом произведены вблизи Земли. Из-за «железного занавеса» узнать об этом больше не было никакой возможности. Но мне повезло: летом 1977 года меня пригласили принять участие в конференции весьма высокого уровня, организованной в Советском Союзе. На мероприятие были приглашены всего двенадцать советских и двенадцать американских астрофизиков. Там-то я и познакомился с всемирно известными учеными: Иосифом Шкловским, Роальдом Сагдеевым, Яковом Зельдовичем и Рашидом Сюняевым.

Я прочел доклад – ну да, угадали – о рентгеновских вспышках и встретился с авторами вышеупомянутой статьи. Они любезно предоставили мне данные о множестве вспышек – намного большем их числе, чем говорилось в статье 1975 года. И мне сразу стало понятно, что все это полная ерунда, но я не сказал им этого, по крайней мере тогда. Сначала я встретился с их руководителем, Роальдом Сагдеевым, который в то время возглавлял Научно-исследовательский институт космических исследований Академии наук СССР в Москве. Я объяснил ему, что хотел бы обсудить с ним нечто весьма деликатное. Я перечислил Сагдееву причины, по которым их вспышки никак не могли ими быть, и он сразу все понял. Я признался ему, что боялся сказать об этом открыто, чтобы у его коллег в условиях советского режима не возникло серьезных проблем. Сагдеев заверил меня, что это не так, и призвал встретиться с учеными и повторить все то, что я только что ему рассказал. Так я и сделал – и больше мы о советских рентгеновских вспышках никогда не слышали. Хотелось бы, кстати, добавить, что мы расстались друзьями с советскими коллегами.

Вам, возможно, интересно, что же все-таки было причиной советских вспышек. В то время я тоже этого не знал, но теперь знаю: они были техногенными, и догадайтесь, кто их создал? Они сами! Чуть позже я раскрою вам эту загадку. А сейчас давайте вернемся к настоящим рентгеновским вспышкам, природу которых мы все еще пытались выяснить. Когда рентгеновские лучи врезаются в аккреционный диск (или в звезду-донора) рентгеновской двойной звезды, диск и звезда нагреваются и на короткое время начинают светиться в оптической части спектра. Поскольку рентгеновскому излучению сначала нужно добраться до диска и звезды-донора, мы ожидали, что любая оптическая вспышка от диска достигнет нас через несколько секунд после рентгеновской. И мы отправились на охоту за скоординированными рентгеновскими и оптическими вспышками. Мой бывший аспирант Джефф Мак-Клинток и его сотрудники осуществили две первые оптические идентификации источников вспышек (MXB 1636-53 и MXB 1735-44) в 1977 году. Эти источники и стали нашими целями.

Понимаете теперь, как работает наука? Если модель верна, она просто обязана иметь наблюдаемые последствия. Летом 1977 года мы с моим коллегой и другом Джеффри Хоффманом организовали всемирное одновременное рентгеновское, радио-, оптическое и инфракрасное «наблюдение за вспышками». Это наблюдение само по себе было удивительным приключением. Нам предстояло уговорить астрономов, работающих в сорока четырех обсерваториях в четырнадцати странах мира, посвятить драгоценное время в течение наиболее благоприятных для исследований часов (так называемое «темное время», когда отсутствует Луна) наблюдению за одной не слишком яркой звездой, с которой, возможно, ровным счетом ничего не случится. То, что они приняли в этом участие, показывает, насколько для них было важно раскрыть тайну рентгеновских вспышек. За тридцать пять дней мы с помощью SAS-3 обнаружили 120 рентгеновских вспышек от источника MXB 1636-53, но на земле телескопы не наблюдали абсолютно ничего. Полное разочарование!

Вы можете подумать, что нам пришлось извиняться перед коллегами по всему миру, однако никто из них не увидел в этой ситуации ничего особенного. Таков уж он, мир науки!

Мы продолжали работу и на следующий год, используя только большие наземные телескопы. Джефф Хоффман уехал в Хьюстон, чтобы стать космонавтом, но в 1978 году ко мне присоединились мой аспирант Линн Комински и голландский астроном Йан ван Парадийс, приехавший в МТИ в сентябре 1977 года[28]. На этот раз мы выбрали в качестве объекта наблюдений MXB 1735-44. И в ночь на 2 июня 1978 года удача нам улыбнулась! Джош Гриндлей и его сотрудники (в том числе Мак-Клинток) обнаружили оптическую вспышку с помощью полутораметрового телескопа в Серро-Тололо, Чили, через несколько секунд после того, как мы в МТИ выявили рентгеновскую вспышку с использованием SAS-3. Фото нашей вспышки украсило обложку очередного номера журнала Nature, что было для нас большой честью. Эта работа в очередной раз подтвердила нашу убежденность в том, рентгеновские вспышки – продукт рентгеновских двойных систем.

Особенно загадочным для нас оставался вопрос, почему все барстеры, кроме одного, Rapid Burster, выдают лишь по несколько вспышек в день и почему Rapid Burster сильно отличается от остальных. Ответ на него лежал в плоскости самого замечательного – и самого озадачивающего – открытия за всю мою карьеру.

Rapid Burster относится к так называемым источникам кратковременного излучения. Cen Х-2 тоже из этой категории (см. главу 11). Но Rapid Burster – источник повторяющегося кратковременного излучения. В 1970-е годы он становился активным каждые полгода, но только на несколько недель, после чего следовал интервал неактивности.

Примерно через полтора года после того, как мы открыли Rapid Burster, мы заметили в характеристиках его вспышек нечто такое, что превратило этот таинственный барстер в Розеттский камень, ключ к дешифровке рентгеновских вспышек. Осенью 1977 года, когда Rapid Burster снова стал активным, мой аспирант Герман Маршалл очень внимательно проанализировал характеристики рентгеновских вспышек и обнаружил среди самых быстрых из них вспышки иного рода, которые наблюдались гораздо реже, примерно каждые три-четыре часа. Эти особые вспышки, как мы их называли сначала, имели те же характеристики остывающего абсолютно черного тела, которые были присущи всем вспышкам других барстеров. Иными словами, возможно, то, что мы называли особыми вспышками (вскоре мы переименовали их во вспышки I типа, а Rapid Burster во вспышки II типа), – вовсе не было чем-то особенным. Вспышки II типа явно были результатом пульсирующей аккреции – в этом никто не сомневался, – но вспышки I типа, скорее всего, все же являлись продуктом термоядерных вспышек. Чуть позже я расскажу, как мы это выяснили, – потерпите еще немного.

Рентгеновские вспышки Rapid Burster, обнаруженные с использованием SAS-3 осенью 1977 года. Высота линии отображает количество выявленных рентгеновских лучей в одну секунду, а горизонтальная ось – время. На каждой панели представлено около 300 секунд данных. Быстро повторяющиеся вспышки Типа II пронумерованы последовательно. На каждой панели видна одна «особая вспышка»; все они имеют разные номера. Это вспышки Типа I (термоядерные). Рисунок взят из статьи Хоффмана, Маршалла и Левина в Nature, от 16 февраля 1978 г.

Осенью 1978 года мой коллега из МТИ Пол Джосс произвел тщательные расчеты, чтобы выяснить природу термоядерных вспышек на поверхности нейтронных звезд, и пришел к выводу, что накопленный водород сначала постепенно сливается с гелием, но этот гелий, достигнув критической массы, давления и температуры, может взорваться, следствием чего становится термоядерная вспышка (то есть вспышка I типа). В связи с этим была высказана идея, что энергия рентгеновских лучей, высвобождаемая в результате стабильной аккреции, должна примерно в 100 раз превосходить энергию, выделяемую термоядерной вспышкой. Иными словами, доступная гравитационная потенциальная энергия была примерно в 100 раз больше, чем доступная ядерная энергия.

Мы измерили общее количество энергии, излученной Rapid Burster в форме рентгеновских лучей за пять с половиной дней наших наблюдений осенью 1977 года, и обнаружили, что вспышки II типа излучают в 120 раз больше энергии, чем «особые» вспышки I типа. Это стало для нас решающим аргументом! Теперь мы точно знали, что Rapid Burster – рентгеновская двойная, что вспышки I типа – результат термоядерных вспышек на поверхности аккрецирующей нейтронной звезды, а вспышки II типа – следствие освобождения гравитационной потенциальной энергии материей, перетекающей из звезды-донора в нейтронную звезду. Во всем этом больше не было никаких сомнений; с того момента мы знали, что все барстеры I типа представляют собой рентгеновские двойные системы нейтронных звезд. В то же время мы окончательно утвердись во мнении, что черные дыры не могут быть источником термоядерных вспышек, поскольку они не имеют поверхности.