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

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.

Хотя к 1978 году большинство астрофизиков убедились, что источниками вспышек были аккрецирующие нейтронные звезды, Гриндлей в Гарварде продолжал настаивать на том, что эти вспышки – продукт массивных черных дыр. Он даже опубликовал в 1978 году статью, в которой пытался объяснить, как очень массивные черные дыры это делают. Я же вам говорил, что ученые порой чрезвычайно сильно привязаны к своим теориям. Кембриджская газета The Real Paper опубликовала длинную статью под названием «Гарвард и МТИ на краю пропасти», разместив в ней фото Гриндлея и мое.

Окончательные доказательства бинарного характера источников вспышек были получены в 1981 году, когда мы с моим датским другом Хольгером Педерсеном и Йаном ван Парадийсом обнаружили 3,8-часовой орбитальный период обращения источника вспышек MXB 1636-53. Тем не менее Гриндлей согласился с нашей теорией только в 1984 году.

Получилось, что именно самый странный источник рентгеновского излучения, Rapid Burster, помог нам подтвердить теорию нормальных (I тип) вспышек рентгеновского излучения, которые были таинственными и загадочными сами по себе. По иронии судьбы, несмотря на все, что объяснил нам Rapid Burster, сам он во многом остается загадкой. Не столько для наблюдателей, сколько для теоретиков на этот вопрос пока нет ответа. Лучшее, что мы смогли сделать, и в некотором роде лучшее, что мы вообще пока сделали, – предложить объяснение данного явления, назвав его «пульсирующей аккрецией». Знаю, это напоминает название инфекционной болезни, которую можно подхватить во время поездки в экзотическую страну. И правда, это всего лишь слова, а не физика. Так или иначе, материя, направляющаяся к нейтронной звезде, временно удерживается на диске, прежде чем ее сгусток или кольцо отделится от диска и помчится к поверхности звезды, очередями вспышек высвобождая гравитационную потенциальную энергию. Мы называем это нестабильностью диска, но и это всего лишь слова; никто не имеет ни малейшего понятия, почему и как это работает.

Откровенно говоря, мы пока не понимаем, какой механизм лежит в основе периодического характера кратковременных источников рентгеновского излучения. Почему они то «включаются», то «выключаются», и так помногу раз? Нам это просто неизвестно. Однажды в 1977 году мы начали регистрировать вспышки одновременно всеми детекторами SAS-3. Это было странно, так как эти устройства наблюдали за небом в совершенно разных направлениях. Единственное разумное объяснение, которое мы тогда смогли предложить, заключалось в том, что в спутник проникало очень высокоэнергетическое гамма-излучение (чего не могут делать рентгеновские лучи), оставляющее после себя сигналы. Поскольку все детекторы срабатывали в одно и то же время, мы не имели ни малейшей подсказки относительно того, откуда оно приходило. В течение нескольких месяцев мы наблюдали за несколькими десятками таких эпизодов, после чего все прекратилось, чтобы тринадцать месяцев спустя начаться сызнова. Никто в МТИ не имел ни малейшего понятия о природе данного явления.

С помощью одного из моих аспирантов Кристиана Теллефсона я начал каталогизировать эти вспышки; мы даже классифицировали их как вспышки А, Б и В, в зависимости от их отличительных характеристик. Хранились они в папке, которую я назвал «Чертовы вспышки».

Однажды я проводил презентацию для людей из НАСА, которые приезжают к нам каждый год, сообщая им свежие интересные новости о рентгеновских вспышках и демонстрируя некоторые из этих странных явлений. Свое нежелание публиковать эти данные я объяснил тем, что они для меня недостаточно кошерные (то есть небезупречные). Но ребята из НАСА сказали, что мне не следует откладывать публикацию. И мы с Кристианом засели за статью.

Потом мне совершенно неожиданно позвонил мой бывший студент Боб Скарлетт, который занимался систематизированными исследованиями в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, и попросил меня не публиковать материал об этих странных вспышках. Я поинтересовался почему, но он сказал, что ему строго-настрого запретили об этом говорить, а потом попросил меня назвать несколько моментов времени, в которые мы регистрировали такие вспышки, что я и сделал. Через два дня Боб позвонил снова и на сей раз весьма настойчиво убеждал меня не публиковать статью о вспышках по соображениям национальной безопасности. Я чуть не упал со стула и тут же позвонил своему другу Франс Кордове, некогда работавшей со мной в МТИ, но одновременно и в Лос-Аламос. Я рассказал ей о разговорах с Бобом в надежде, что она поможет пролить свет на происходящее. Должно быть, Франс обсудила этот вопрос с Бобом, потому что через несколько дней позвонила мне и тоже начала убеждать не публиковать материал. Чтобы успокоить меня, она заверила, что с точки зрения астрономии эти вспышки не представляют никакого интереса. Короче говоря, я отказался от публикации.

Много лет спустя я узнал, что тогда случилось: «чертовы вспышки» были «продуктами жизнедеятельности» несколько советских спутников, которые приводились в движение ядерными электрогенераторами с чрезвычайно мощными радиоактивными источниками. Каждый раз, когда SAS-3 приближался к одному из советских спутников, те заливали наши детекторы гамма-излучением, испускаемым радиоактивными источником. А теперь вспомните странные вспышки, обнаруженные советскими учеными еще в 1971 году. Теперь я совершенно уверен, что и они были детищами их собственных спутников… какая ирония!

Этот период моей жизни – с конца 1970-х до конца 1995 года – был невероятно продуктивным. Рентгеновская астрономия действительно находилась на переднем крае астрофизики. Участие в исследовании рентгеновских вспышек подтолкнуло меня к вершине моей научной карьеры. Я ежегодно проводил с десяток коллоквиумов по всему миру: в Восточной и Западной Европе, Австралии, Азии, Латинской Америке, на Ближнем Востоке и во всех уголках США. Меня приглашали выступать на многих международных конференциях по астрофизике, я был главным редактором трех книг по рентгеновской астрономии; последняя из них, Compact Stellar X-ray Sources («Компактные звезды как источники рентгеновского излучения») вышла в 2006 году. Это было пьянящее, поистине замечательное время.

И все же, несмотря на все наши впечатляющие достижения, Rapid Burster до сих пор сопротивляется любым попыткам выведать его глубочайшие тайны. Но я уверен, что в один прекрасный день кто-нибудь из моих коллег разгадает их, а потом, в свою очередь, столкнется с чем-то новым, столь же озадачивающим. Именно за это я и люблю физику. И поэтому в моем кабинете в МТИ на видном месте висит плакат с характеристиками Rapid Burster. Будь то с помощью Большого адронного коллайдера или космического телескопа «Хаббл», физики собирают все больше и больше сведений и предлагают все более и более интересные теории. Одно я знаю наверняка: что бы они ни предлагали, какие бы теории ни разрабатывали, их ждут все новые загадки и тайны. В физике, как я уже говорил, чем больше ответов, тем больше вопросов.

15. Способы восприятия мира

Большинство школьников и студентов ненавидят физику, потому что ее, как правило, преподносят им с помощью весьма сложного набора математических формул. Я в МТИ предпочитаю совсем иной подход, который использован и в этой книге. Я представляю физику как способ видения мира, раскрывающий территории, которые иначе были бы скрыты от нашего взора – речь идет о мельчайших субатомных частицах на просторах Вселенной. Физика позволяет нам увидеть невидимые силы, постоянно действующие вокруг нас, от силы тяжести до электромагнитных сил, и быть начеку, чтобы в подходящий момент лицезреть не только радугу, но и ореолы, туманные радуги, глории, а если повезет, даже стеклянную радугу.