Катя Москвич

Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Моим сыновьям Тиму и Гаю

Памяти Фрица Цвикки

ЭЛЕМEHTЫ 2.0

KATIA MOSKVITCH

NEUTRON STARS

THE QUEST TO UNDERSTAND THE ZOMBIES OF THE COSMOS

Перевод с английского

Инны Кагановой и Татьяны Лисовской

Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”

Published by arrangement with Harvard University Press

© 2020 by the President and Fellows of Harvard College

© И. Каганова (пролог, гл. 1–5, благодарности), Т. Лисовская (гл. 6–9, эпилог), перевод на русский язык, 2023

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2023

© ООО “Издательство ACT”, 2023

Издательство CORPUS ®

Книжные проекты Дмитрия Зимина

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”. Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте ZIMINBOOKPROJECTS.RU

Пролог

“Я собирался рассказать вам нечто потрясающее. В вашей карьере это станет самым важным событием”, – сообщил мне Мэтью Бейлз, астроном из Технологического университета Суинберна в Австралии, 6 сентября 2017 года, предлагая подвезти меня домой. Теплый вечер, только что закончилась бесконечно длинная конференция, проходившая вблизи Манчестера в обсерватории Джодрелл-Бэнк в Англии. Здание, где проходили заседания, расположено поблизости от величественного телескопа Lovell. Конференция посвящалась пятидесятой годовщине открытия радиопульсаров – далеких, быстро вращающихся космических объектов, источников мощного излучения. Их обнаруживают по всплескам радиоволн, рентгеновского и гамма-излучения, которые регистрируют телескопы. Пульсары – это нейтронные звезды, то есть маленькие, но невероятно плотные и невероятно намагниченные объекты, образующиеся из остатков звезд с массой, в два-три раза превышающей массу нашего Солнца, после феерической вспышки сверхновой.

Знаменательно, что конференция проходит в Англии. Дело в том, что в 1967 году пульсары были открыты именно в Англии молодой ирландкой Джоселин Белл, магистрантом Кембриджского университета. Я смотрю на радиотелескоп. В лучах быстро заходящего солнца он приобрел красноватый оттенок и возвышается над нами, как гигантский психоделический гриб.

Бейлз знает, что я научный журналист, жаждущий новостей. Я всегда ищу интересные темы. Но теперь все не совсем так, как обычно. Бейлз хочет что-то рассказать, очень хочет, но почему-то не может. Произошло нечто очень важное, по-настоящему важное. В твиттере гуляют слухи, что зарегистрировано столкновение двух нейтронных звезд. Если это правда, значит, ученым удалось “захватить их с поличным” и, возможно, наблюдать нечто большее, чем просто пульсации нейтронных звезд. Новость еще не стала достоянием широкой публики и в ближайшие недели вряд ли станет. Но если слухи подтвердятся, это открытие, похоже, позволит ответить на многочисленные вопросы, относящиеся к этим загадочным объектам, о которых мы так мало знаем. Оно может помочь понять, например, происхождение коротких, но невероятно мощных гамма-всплесков и даже подтвердить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Однако, если новость известна пяти тысячам человек, сохранить секрет – большая проблема. Весь день одновременно с официальными докладами слышался приглушенный гул – ученые обсуждали предполагаемое открытие. Новость нависла над участниками конференции как грозовая туча, готовая пролиться в любой момент.

Этим вечером я несколько часов провела с Бейлзом в деревенском пабе в нескольких минутах езды от Джодрелл-Бэнк. В зале стоял запах пива и сырых дрожжей, который, казалось, тонким слоем покрывал стены. Разговор шел странный: Бейлз осторожно, не говоря ничего конкретно, намекал, что вот-вот станет известно нечто, что изменит историю астрофизики. Как и другие ученые, он не забывал о запрете LIGO[1] – обсерватории, которая руководила всеми детекторами, первыми зафиксировавшими это событие. А я старалась использовать все свои журналистские приемы, чтобы выведать больше. Однако мне пришлось довольствоваться большим количеством “возможно” про “вероятное”, но “не доказанное” событие. И все же, распрощавшись с Бейлзом, я сразу набрала номер Майка Мойера, редактора Quanta Magazine.

“Майк! Произошло что-то важное. Ты знаешь о гуляющих в твиттере слухах о возможном слиянии нейтронных звезд? Похоже, что это правда. Мы должны сразу заняться этой историей”.

На самом деле слияние нейтронных звезд – это катастрофическое столкновение в дальнем космосе двух невероятно плотных, массивных, но очень маленьких объектов. Открытие стало золотым дном для астрономов и позволило найти решения для большого числа космических загадок, и каждое такое решение можно считать большим научным успехом. Мы теперь знаем, откуда берется большинство тяжелых элементов. Но гораздо важнее появление многоканальной астрономии – нового подхода к наблюдению Вселенной – и возобновившийся интерес к классу таких примечательных объектов, как нейтронные звезды.

Моя цель – познакомить вас с этими удивительными и загадочными объектами, а также с людьми и местами, связанными с решением поражающих воображение загадок, которые они ставят перед нами. Только представьте себе сферу, диаметр которой всего двадцать километров, а масса – в пару-тройку раз больше массы нашего Солнца. Этот объект делает шестьсот оборотов в секунду, причем его вращение столь регулярно, что, возможно, в недалеком будущем нейтронные звезды будут играть роль галактической навигационной системы, направляющей людей к другим мирам. Более популярные черные дыры затмили нейтронные звезды. Пришло время вытащить их из пыльных сундуков астрофизики.

Чтобы написать эту книгу, я объехала весь мир, побывала в отдаленных местах, где радиотелескопы, большие и маленькие, слушают Вселенную. Вместе со мной вы увидите безлюдный марсианский ландшафт пустыни Атакама в Чили, побываете в джунглях Пуэрто-Рико. Мы окажемся в Карру – засушливом регионе Южно-Африканской Республики, заглянем в отдаленный уголок Австралии – страны кенгуру, ядовитых змей и белых какаду, прогуляемся по болотистой сельской местности в Нидерландах, по промокшей под дождем деревенской Англии, по полям вблизи города Пиза в Италии. В горах Западной Вирджинии вас ждет округ Покахонтас, а в Британской Колумбии – поразительная, утопающая в садах и виноградниках долина Оканаган.

Путешествие не ограничится обсерваториями: сквозь пространство и время вы отправитесь к окраинам нашей Галактики и дальше, в межгалактические просторы. Вы узнаете, что нейтронные звезды рождаются тогда, когда умирают звезды размером в несколько наших Солнц. Их смерть сопровождается невероятно мощным взрывом – вспышкой сверхновой. Вы поймете, к чему ведет космическая катастрофа – столкновение двух нейтронных звезд, при котором возбуждается такая мощная гравитационная волна, что ее можно зарегистрировать на Земле. Вы узнаете, где произошла самая яркая из когда-либо наблюдавшихся вспышек электромагнитного излучения. Такая вспышка по крайней мере на короткое время затмевает в гамма-лучах всю видимую с Земли часть Вселенной.

Благодаря работе замечательных ученых, с которыми вы встретитесь на страницах этой книги, вы узнаете, что быстро вращающиеся нейтронные звезды – пульсары – излучают радиоволны и как эти волны удается обнаружить. Вам станет известно, как ученые обнаруживают нейтронные звезды в центре остатков сверхновых или останков взорвавшихся сверхгигантов, которые в старые времена назывались “звезды-гости”. Вы познакомитесь с входящими в двойные

системы “миллисекундными пульсарами”, вращающимися со скоростью порядка тысячи оборотов в секунду, но при этом так сильно связанными со своими “компаньонами”, что эта система не разрушается. Вы узнаете о магнетарах, обладающих самым мощным магнитным полем в природе, и о радиопульсарах, у которых внезапно происходит сбой частоты вращения, или “глитч”, помогающий астрономам исследовать странные физические явления, происходящие внутри нейтронных звезд.

Наконец, вы узнаете о недавно открытых быстрых радиовсплесках, коротких импульсах, которые астрономы все еще пытаются объяснить. Вполне вероятно, что они генерируются нейтронными звездами. Множество радиотелескопов работает без остановки, чтобы узнать чуть больше об этих загадочных вспышках в далеком космосе. Но, даже когда ответ на этот вопрос будет получен, книгу о нейтронных звездах нельзя будет считать оконченной, ведь так много еще предстоит открыть в нашей Галактике и за ее пределами. Поэтому, выходя на улицу, неважно, в залитом огнями городе или в безлюдной пустыне, не забудьте посмотреть вверх. Невооруженным глазом нейтронных звезд вы не увидите, но будете знать, что они есть, что они вращаются где-то, посылая нам радиоволны и возмущая пространство-время. Жизнь – это гораздо больше, чем мы видим вокруг себя. И в этом ее красота.

Посмотрите вверх!

Глава 1

Столкновение, которое сотрясло космос

Это случилось утром 17 августа 2017 года. Всю ночь Марика Бранчези, итальянский астроном, доцент Научного института Гран-Сассо, провела в госпитале живописного городка-крепости Урбино в центре Италии. Она устала. Роды у ее младшей сестры Марилисы шли сложно и долго, и Марика хотела быть рядом. Наконец на свет появился здоровый мальчик, которого назвали Ной. Время дорого: Марика решила, что пора уходить. Новоиспеченная тетя поздравила и поцеловала на прощанье сестру, улыбнулась маленькому Ною и отправилась домой отдыхать.

Во время каникул Урбино выглядел абсолютно пустым. Отец Марики забрал ее у госпиталя и отвез домой, петляя по узким улочкам с домами из белого кирпича. Казалось, исходящий от них жар усиливает духоту. Наконец Марика с отцом подъехали к небольшому, окруженному тенистым садом дому, где жила ее семья. Это был день рождения ее мужа Яна. Ян только начал готовить обед, а их дети, двухлетний сын Диего и его восьмимесячный брат Дамиан, спокойно играли в саду.

Бранчези включила лэптоп. Она очень устала, но хотела еще кое-что сделать по работе. Будучи членом международного сообщества ученых, работающих с LIGO, лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, базирующейся в Соединенных Штатах, и детектором гравитационных волн Virgo в Италии близ Пизы, она знала, что всего три дня назад приборы зафиксировали сигнал от столкновения двух далеких черных дыр.

Такие открытия бывали и раньше: после последней модернизации детектор LIGO пять раз регистрировал подобные события. Астрономы впервые наблюдали слияние черных дыр 14 сентября 2015 года, всего через несколько дней после повторного включения LIGO. Теперь благодаря LIGO наконец появилась возможность непосредственно наблюдать гравитационные волны – рябь пространства-времени, обусловленную катастрофическими столкновениями невероятно плотных объектов в далеком космосе. Эта расходящаяся волнами рябь охватывает Землю наподобие волн от камня, брошенного на спокойную поверхность пруда. Наблюдение гравитационных волн подтвердило правоту Альберта Эйнштейна, предсказавшего почти сто лет назад, что гравитация может создавать волны, распространяющиеся по Вселенной со скоростью света. 3 октября 2017 года Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэриш, трое из четырех ученых, стоявших у истоков проекта LIGO, получили Нобелевскую премию по физике за то, что сделали возможной регистрацию гравитационных волн^1. (Рональд Древер, еще одна ключевая фигура при разработке технологии LIGO, умер за полгода до того, как были объявлены лауреаты Нобелевской премии за 2017 год.)

Однако Бранчези была немного разочарована. Хотя слияние черных дыр – событие, безусловно, интересное, на самом деле она надеялась, что LIGO зарегистрирует нечто другое. Бранчези искала следы столкновения двух объектов, еще более таинственных, чем черные дыры, – небольших, сверхплотных, быстро вращающихся ядер массивных звезд, ядерное горючее которых уже выгорело – и они “сколлапсировали” под действием собственной гравитации. К сожалению, всего неделя отделяла LIGO от остановки на два года для проведения следующей запланированной модернизации, но до сих пор удалось обнаружить только слияние черных дыр. Это, конечно, немало, но для Бранчези недостаточно.

“Все готово, к столу!” – позвал Ян из сада. “Еда для мамочки!” – радостно повторил за ним Диего. Бранчези закрыла лэптоп и присоединилась к семейству. Покончив с салатом, она подхватила Дамиана и взяла за руку Диего, намереваясь уложить их спать. Измученная бессонной ночью, она надеялась, что и ей наконец удастся отдохнуть. Именно тогда звякнул ее телефон, оповещая о новом сообщении: ее просили присоединиться к телефонной конференции, срочно организованной коллегами по сообществу LIGO.

Никаких шансов отдохнуть в этот день у Бранчези уже не осталось. На самом деле ей не удалось выспаться и в ближайшие десять дней. От прочитанного у Бранчези перехватило дыхание. Только что два детектора LIGO одновременно с Virgo зарегистрировали именно то, чего она так ждала: сигнал недвусмысленно указывал на то, что на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли столкнулись две нейтронные звезды. Хотя нейтронные звезды не такие плотные объекты, как черные дыры, их столкновение оказалось достаточно сильным, чтобы привести к высвобождению огромной энергии и запустить гравитационную рябь, разошедшуюся во все стороны по пространству-времени.

А теперь рябь наконец добралась до Земли^2. Бранчези на мгновение закрыла глаза. Если бы LIGO не модифицировали два года назад, эти возмущения, невероятно ослабленные за время путешествия, занявшего 130 миллионов лет, дошли бы до Земли и прошли бы никем не замеченные. Ничего нового ученые не узнали бы. В этот раз благодаря Бранчези и еще небольшой группе астрофизиков, астрономов и физиков, изучающих гравитационные волны, они были готовы к этой столь маловероятной встрече.

Она посмотрела на сыновей. Диего уже слышал от своих родителей множество историй о черных дырах, скоро его мама добавит еще несколько о нейтронных звездах. Бранчези знала, что если это наблюдение подтвердится, то слияние, теперь известное как GW170817, вполне может стать определяющим моментом в ее карьере, кульминацией ее десятилетних усилий по объединению исследователей из самых разных областей для совместной работы.

Любые приходящие из космоса сигналы могут быть “посланниками”. Например, от нашего Солнца исходит не только свет, но и непрекращающийся поток почти безмассовых частиц, так называемых нейтрино^3. С помощью многоканальной астрономии удалось подтвердить всего три события, произошедшие за пределами нашего Млечного Пути. В 1987 году с использованием оптических телескопов и при участии нейтринных обсерваторий была обнаружена сверхновая. В 2018 году оптическим телескопам и детектору нейтрино IceCube в Антарктике удалось идентифицировать источник космических нейтрино^4. Им оказался блазар – объект высокой светимости, связанный со сверхмассивной черной дырой в центре галактики, расположенной в четырех миллиардах световых лет от нас. Однако переломным моментом стало обнаружение и наблюдение в 2017 году гравитационно-волнового всплеска GW170817. Это и был проект, на который столько сил положила Бранчези. В этот раз физики зафиксировали проходящие через Землю пульсации пространства-времени и немедленно оповестили астрономов. Астрономы направили к источнику этих слабых пульсаций свои оптические, радио- и все другие возможные телескопы, предназначенные для приема электромагнитного излучения различных длин волн, чтобы зафиксировать весь спектр сигналов, иначе говоря, посланников космического катаклизма.

Очень важно, что это историческое столкновение и находящаяся в стадии становления многоканальная астрономия помогли ученым получить представление об устройстве и эволюции этих удивительно странных объектов нашей Вселенной – нейтронных звезд^5.

Благодаря своей работе Бранчези уже в следующем году попала в список самых влиятельных людей 2018 года по версии журнала Time^6.

Но даже до получения результатов, уже в Урбино, стоя в своем нагретом летним солнцем саду днем 17 августа 2017 года, она знала: это событие навсегда останется в науке будущего и в исторических книгах.

За одиннадцать миллиардов лет до открытия

Посмотрите как-нибудь ночью на полную Луну. Затем представьте себе, что вы поставили на ней ручкой точку, диаметр которой составляет менее 1 % от диаметра Луны. Поскольку поперечный размер Луны примерно 3476 километров, диаметр нарисованной точки будет около 20 километров. Это чуть меньше диаметра Чикаго, если представить себе, что этот город свернулся в плывущий в космосе шар. Средний размер нейтронной звезды именно такой.

Нейтронная звезда – это то, что осталось от звезды, масса которой изначально составляла от восьми до пятнадцати[2] масс Солнца. За миллионы лет ядерное топливо выгорает, и массивная материнская звезда постепенно умирает. Этот процесс заканчивается феерическим взрывом – вспышкой сверхновой. Можно ожидать, что в среднем в галактике размером с наш Млечный Путь гибель звезды происходит примерно раз в пятьдесят лет. В огромной пустой Вселенной нейтронная звезда могла бы показаться совсем незначительным объектом, если бы не ее невероятная плотность, превышающая плотность воды примерно в сто триллионов раз. В плотном объекте внутри очень малого объема зажато очень большое количество вещества. Нейтронная звезда – это самый плотный из известных нам объектов, состоящих из обычного вещества. Если к массивной нейтронной звезде добавить еще немного вещества или если две нейтронные звезды столкнутся, коллапс звезды продолжится, что приведет к образованию черной дыры. Диаметр нашего Солнца – порядка 1,4 миллиона километров, но его масса примерно равна массе крохотной нейтронной звезды, поперечный размер которой составляет всего 20 километров. Представьте себе вишенку на торте, которая весит миллиард тонн!7

При такой безумной плотности эти таинственные зомби-звезды еще и носятся в пространстве, быстро вращаясь вокруг своей оси со скоростью как минимум один оборот в секунду. У некоторых нейтронных звезд вблизи магнитных полюсов формируются узконаправленные потоки электромагнитного излучения – джеты. Поскольку нейтронные звезды вращаются, их излучение в виде всплесков радиоволн можно обнаружить, когда один из джетов направлен в сторону Земли. Можно сказать, что быстро вращающаяся нейтронная звезда чем-то напоминает непрерывно светящий вращающийся маяк, тогда как кораблям в море, или в нашем случае астрономам, видны только отдельные вспышки. Такие нейтронные звезды называют пульсарами, и обычно видят именно их. Вспышки многих пульсаров столь регулярны, что недавно пульсары предложили использовать для независимой проверки атомных часов, определяющих международное атомное время^8.

Астрономы считают, что, хотя пока удалось открыть около трех тысяч радиопульсаров, только в нашей Галактике их число может достигать ста миллионов^9. И все же до сих пор мы знаем о них очень мало.

Правда, до того, как 17 августа 2017 года в 14 часов 41 минуту по местному времени Марика Бранчези в городе Урбино получила сообщение о слиянии нейтронных звезд в соседней галактике, мы знали о радиопульсарах еще меньше^10. Наконец у человечества появился шанс лучше понять, что представляют собой эти странные объекты.

По-видимому, две нейтронные звезды, замеченные LIGO и Virgo, образовались около 11 миллиардов лет назад. Тогда Вселенная была еще молодой, ни Земли, ни Солнечной системы не существовало, а обычные звезды объединялись в скопления. Две звезды, каждая из которых была примерно в десять раз массивнее Солнца, умерли одна за другой. По космическим масштабам они находились не слишком далеко друг от друга, и их оставшиеся ядра массой чуть больше одной солнечной массы (массы Солнца) начали по спирали приближаться друг к другу под действием взаимного гравитационного притяжения. Этот танец предопределил их судьбу. Обращаясь вокруг общего центра масс, они сминали ткань пространства и времени, наподобие того, как оставляет вмятины шар для боулинга, катясь по натянутой простыне, которую держат за четыре угла. Деформация пространства-времени, вызванная нейтронными звездами, привела к появлению ряби – гравитационных волн, распространяющихся по Вселенной^11.

За сто тридцать миллионов лет до открытия

Пока две нейтронные звезды двигались по спирали друг к другу, Вселенная эволюционировала и расширялась, образовывались новые галактики и рождались новые звезды. Около 130 миллионов лет назад эти нейтронные звезды подошли настолько близко друг к другу, что каждая из них стала причиной появления приливов и отливов на поверхности другой, вроде тех, за которые в земных океанах ответственна Луна. Эти приливные эффекты, растягивая и сжимая звезды, разрушали их.

Несколько позже произошла космическая катастрофа: нейтронные звезды наконец столкнулись и взорвались. Часть выброшенного при взрыве вещества не потеряла связь с тем, что сохранилось от этой пары, и из “мусора” вокруг остатка сверхновой образовался так называемый аккреционный диск. Это, в свою очередь, привело к формированию из вещества аккреционного диска мощной струи – джета, распространяющегося по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света, и излучающего в рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах. Кроме того, джет стал источником короткой и невероятно сильной вспышки гамма-излучения – наиболее мощного из известных электромагнитных событий.

Какой-то части выброшенной массы удалось преодолеть силу притяжения остатка сверхновой, сформировав очень горячее и быстро расширяющееся облако, напоминающее увеличивающийся в размере пончик. Это облако было настолько богато нейтронами, что запустилась реакция образования элементов тяжелее железа, таких как золото, серебро и платина. По оценкам астрономов, масса тяжелых элементов в этом облаке составляла примерно десять тысяч масс Земли. Только чистого золота там было 236 секстиллионов (то есть 236 и хвост из двадцати одного нуля) тонн, что равно сорока массам Земли. Радиоактивный распад всех этих тяжелых элементов генерирует свет – оптическое излучение, обусловленное радиоактивным послесвечением, которое называют “килоновая”12.

При слиянии двух нейтронных звезд плотность новообразованного тела резко увеличивается. Вероятнее всего, такая объединенная нейтронная звезда становится слишком массивной, чтобы продолжать существовать, она коллапсирует внутрь себя и образует черную дыру. Очень важно, что слияние значительно усиливает гравитационную рябь, которая была до столкновения. Гравитационные волны становятся невидимыми посланниками великого и ужасного соударения, и они, обладая энергией двухсот миллионов Солнц, со скоростью света разбегаются во всех направлениях.

Когда это все происходило, на Земле начинался меловой период и динозавры населяли материки и океаны. Только в августе 2017 года гравитационная рябь достигла нашего мира и прикоснулась к чувствительной аппаратуре LIGO и Virgo. В течение этих 130 миллионов лет гравитационные волны, двигающиеся, согласно предсказанию Эйнштейна, со скоростью света, то есть около 300 тысяч километров в секунду, стали существенно слабее. До нас дошли и другие сигналы этого космического события, а именно – свет и радиоволны, распространяющиеся с той же скоростью. Когда мы что-то видим в космосе, мы наблюдаем прошлое. Даже свету, идущему от Солнца, требуется восемь минут двадцать секунд, чтобы дойти до нас. Если Солнце внезапно исчезнет (хотя этого не должно случиться при нашей жизни), потребуются именно эти восемь минут, чтобы мы узнали о произошедшем событии.

Когда детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационную волну, они разослали автоматические уведомления. Эти уведомления получили несколько так называемых первых респондентов, работа которых состояла в оценке всех возможных кандидатов, отмеченных программой. Стало ясно, что получены сенсационные данные: сила сигнала указывала на два объекта, массы которых попадали в интервал, соответствующий массам нейтронных звезд – другими словами, меньше масс черных дыр. Теоретически это означало, что столкновение должно также сопровождаться электромагнитным излучением. И действительно, ровно через две минуты после регистрации LIGO и Virgo сигналов гравитационных волн космический гамма-телескоп Fermi зафиксировал интенсивную вспышку гамма-излучения. За несколько минут удалось оповестить более широкий круг участников сообщества LIGO/Virgo, включая Бранчези, что стало началом очень долгой исторической телеконференции.

За сто лет до открытия

Помните рассказ об Исааке Ньютоне, которого ударило по голове яблоко – и тогда он внезапно догадался, как действует сила тяготения? Считается, что озарение снизошло на Ньютона именно так, но это не совсем точно, хотя он действительно наблюдал, как в саду его усадьбы Вулсторп в графстве Линкольншир с дерева падают яблоки. Возможно, и три с лишним века спустя эта яблоня все еще растет в том же саду. Ньютона занимал вопрос: почему яблоки всегда падают на землю? Раздумывая на эту тему, он построил теорию всемирного тяготения. Эта работа опубликована в 1687 году. В соответствии с теорией Ньютона, сила тяготения – это сила, действующая на все материальные тела во Вселенной и зависящая как от массы, так и от расстояния. Согласно Ньютону, все без исключения частицы вещества притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними^13. Закон всемирного тяготения Ньютона в неизменном виде господствовал до тех пор, пока не появился Эйнштейн.

Для Эйнштейна – служащего швейцарского патентного бюро, который занимался физикой в свободное время, – сила притяжения вообще силой не была. Он утверждал, что на самом деле это искривление пространства и времени, или пространства-времени, включающего в себя четыре связанные между собой размерности: три пространственные (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад) плюс еще одна – время. Согласно общей теории относительности, опубликованной наиболее полно в 1916 году, то, что мы воспринимаем как силу тяготения, на самом деле есть следствие кривизны пространства-времени. Массивные объекты, такие как звезды и планеты, изгибают и скручивают его ткань, создавая горы и впадины, хребты и плоскогорья, заставляющие близлежащие объекты двигаться в пространстве-времени зигзагообразно, поднимаясь и опускаясь.

Хотя кажется, что Солнце, притягивая к себе Землю, заставляет нашу планету обращаться вокруг него, это просто означает, что движение Земли определяется искривлением пространства-времени вокруг гораздо более массивного Солнца.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что любая не идеально сферически симметричная ускоряющаяся масса искривляет пространство-время и служит источником гравитационных волн, распространяющихся по Вселенной со скоростью света. Гравитационные волны возникают, даже если просто помахать рукой, но в этом случае они слишком малы и их нельзя заметить. Чтобы деформация пространства-времени была измеримой, требуется невероятно большое количество энергии. Такое, как при катастрофических космических событиях, в которых принимают участие столь массивные объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, обращающиеся друг относительно друга, а затем сталкивающиеся на скорости, равной одной трети скорости света. Согласно Эйнштейну, подобное столкновение приводит к возбуждению гравитационных волн большой энергии, которые, распространяясь, “омывают” планеты, звезды и все, что встретят на своем пути. Они несут с собой информацию об источнике, вызвавшем их появление, и, возможно, даже о природе гравитации. В своих более поздних работах Эйнштейн несколько раз возвращался к этой ряби на пространстве-времени, но десятки лет гравитационные волны существовали только теоретически^14.

В 1974 году астрономы Рассел Алан Халс и Джозеф Хотон Тейлор – младший из Массачусетского университета в Амхерсте косвенным образом доказали существование гравитационных волн. Они заметили, что в системе двух гравитационно связанных нейтронных звезд орбитальный период, то есть время, которое требуется звездам, чтобы совершить оборот вокруг общего центра масс, постепенно уменьшается. Два тела постепенно сближаются, двигаясь навстречу неизбежному столкновению, поскольку, по мысли Халса и Тейлора, система теряет энергию в форме гравитационных волн. Сейчас такую систему называют пульсаром Халса – Тейлора. В 1993 году эти ученые получили за свою работу Нобелевскую премию^15.

Однако прямым свидетельством существования гравитационных волн результаты Халса и Тейлора не были. Требовалось экспериментальное подтверждение, а для этого ученым необходимо было новое, необычайно точное оборудование. Результат: два работающих вместе детектора-близнеца LIGO – один в Хэнфорде, штат Вашингтон, другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый из детекторов использует интерференцию двух лучей лазера, что позволяет невероятно точно измерять расстояния. Обсерватория, которая эксплуатируется Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами, находится в ведении научного сообщества LIGO – группы, состоящей из тысячи ученых из университетов шестнадцати разных стран. В восьмидесятых годах об идее создания LIGO впервые заговорили Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш, но поскольку требовалось преодолеть бюрократические барьеры и добиться значительного финансирования, которое необходимо для реализации больших научных проектов, до начала строительства прошло еще десять лет. Наконец в 2002 году LIGO приступила к работе^16.

А еще через пять лет, в 2007 году, к ним присоединился третий детектор – Virgo. Он расположен вблизи итальянского города Пиза и финансируется Европейским Союзом^17. Поскольку ученым потребовалась помощь Virgo для определения точного местоположения первого наблюдавшегося слияния нейтронных звезд, я решила отправиться туда. Мной руководило стремление ближе познакомиться с удивительной аппаратурой этого детектора. Ее появление – результат изобретательности человека, который стремится узнать больше о самых захватывающих тайнах космоса и медленно, но неуклонно, шаг за шагом, продвигается вперед.

Я начала с Пизы и, конечно, поднялась на наклонную, правда, все-таки устоявшую башню. Хотя задержалась я там недолго: наклон башни в четыре градуса сыграл с моим мозгом злую шутку, и я быстро почувствовала, что меня укачивает. Пизанская башня еще известна как место, где проведен, пожалуй, самый известный эксперимент, относящийся к силе тяжести. Возможно, этого эксперимента никогда и не было: историки сходятся на том, что итальянский ученый Галилео Галилей никогда не сбрасывал с башни две сферы с разными массами. Это был только мысленный эксперимент. И все же я инстинктивно глянула вниз. Кто знает, может, кому-то захотелось повторить “подвиг” Галилея, и я увижу сброшенные на землю предметы. Правда, чтобы не вызывать у посетителей искушения повторить известный эксперимент, сбрасывая с башни все подряд, теперь, перед тем как подняться, надо обязательно сдать на хранение все свои сумки.

Но на самом деле я здесь не для того, чтобы увидеть башню. Всего в двадцати минутах езды на машине от Пизы, в красивой сельской местности Тосканы есть деревня Санто-Стефано-а-Мачерата, а рядом с ней – необычная научная достопримечательность: две невысокие полуцилиндрические галереи длиной по три километра каждая. Сверху галереи выкрашены в немыслимый голубой цвет со светлофиолетовым оттенком и почти сливаются с небом. (“Цвет перванш”, – слышу я слова другого посетителя, и он прав.) Расположенные в поле под прямым углом друг к другу, галереи с небольшими мостиками над ними тянутся до виднеющегося вдали горного хребта. Летящему над ними дрону они будут видны как гигантская латинская буква L. Это интерферометр Virgo, входящий в Европейскую гравитационную обсерваторию. Интерферометр назван так в честь скопления галактик Virgo (“Дева”). Это скопление, состоящее из примерно 1500 галактик, расположено в созвездии Дева, на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли.

Строительство Virgo началось в 1996 году. Детектор находится в ведении научно-исследовательской группы ученых из Франции, Италии, Нидерландов, Польши и Венгрии, хотя примерно половина операционных расходов приходится на Францию и Италию. По словам сопровождавшего меня физика-экспериментатора Валерио Воски, это не самое подходящее для детектора место. Virgo находится слишком близко и к Средиземному морю, и к городу Пиза – источникам сейсмических возмущений, создающих помехи. Чтобы уловить невероятно слабый сигнал от идущих к нам из космоса гравитационных волн, очень важно минимизировать подобный шум. Однако, когда Virgo только планировался, важнее было отыскать достаточно большой участок земли для постройки интерферометра с длиной плеча три километра. Чтобы выкупить землю для строительства, финансирующим проект французскому Национальному центру научных исследований и итальянскому Национальному институту ядерной физики пришлось договариваться с большим числом фермеров.

Окончательная стоимость работ, завершившихся в 2003 году, составила около 250 миллионов евро (для сравнения: стоимость двух близнецов-детекторов LIGO – порядка 600 миллионов евро). За последние несколько лет после регистрации гравитационных волн число посетителей, желающих взглянуть на этот “прибор”, резко возросло. Директор Европейской гравитационной обсерватории Ставрос Кацаневас рассказывает: “В 2015 году у нас побывало около тысячи человек, в 2016-м уже две тысячи, а сейчас, в 2019-м, восемь тысяч посетителей. Нам все труднее и труднее с этим справляться!” В самом деле, в день моего посещения я сама видела три группы, приехавшие на припаркованных рядом туристических автобусах: две группы школьников и одна – студентов университета.

Быстро осмотрев информационный центр для посетителей, я в сопровождении многочисленных, снующих в траве ящериц направилась к одной из двух полуцилиндрических галерей и вошла внутрь. В обеих галереях размещены длинные, идентичные, очень хорошо экранированные трубы диаметром 120 сантиметров, где установлены приборы, работающие в сверхвысоком вакууме. Детекторы Virgo и LIGO должны регистрировать волны в частотном диапазоне от 10 до 10000 герц (10 кГц), и принципы их работы очень схожи. Когда я вошла в небольшое помещение в месте соединения труб, меня попросили ступать очень осторожно, чтобы во время работы не слишком сотрясать пол. Здесь находится лазер, луч которого разделяется пополам. Каждая из “половинок” луча точно в одно и то же время посылается в дальний конец каждого из перпендикулярных плеч, где попадает на зеркало. Зеркала Virgo присоединены к специальному подвесу (его прототип демонстрируется у входа в главное здание). Это очень чувствительный механизм, гасящий, насколько возможно, любые возмущения, способные раскачать зеркало. Их источниками могут быть как, например, землетрясение, так и проходящий мимо трактор. Это удивительно простая система, состоящая из подвешенных один под другим грузов, которые компенсируют любые возмущения.

“Это похоже на эксперимент, который мы предлагаем провести детям, – говорит мне Боски. – Если наполнить водой бутылку и подвесить ее, затем добавить снизу еще одну бутылку, ниже еще одну и так далее, то, начав раскачивать всю эту конструкцию, вы увидите, что из самой нижней бутылки не выльется ни капли воды, даже если сверху отклонение очень сильное”.

Система LIGO, где больше активных элементов, несколько отличается от системы Virgo.

Луч лазера падает на зеркало и отражается обратно. Это повторяется четыреста раз: за счет многократных отражений пройденное лучом расстояние увеличивается с 3 до 1200 километров. Когда наконец происходит воссоединение двух лучей, ученые анализируют результат. Если гравитационных волн не было, то лучи возвращаются в то место, где они разделились, точно в одно и то же время, – и значит, интерференции нет. Однако, если через детектор проходит гравитационная волна, имеет место локальное, очень небольшое возмущение пространства-времени, которое люди ощутить не могут. Близнецы-детекторы LIGO и Virgo могут воспринимать только волны очень высокой, пропорциональной длине их плеч частоты.

Е[ри прохождении гравитационной ряби одна из двух галерей или чуть удлиняется, или чуть укорачивается. Е[ри этом разница длин меньше, чем одна десятитысячная диаметра такой субатомной частицы, как протон. Когда одно из плеч становится короче, другое становится длиннее, а затем они меняются ролями. Величина удлинения или сокращения плеча зависит от амплитуды волны – максимального смещения из положения равновесия, или, иначе говоря, расстояния от положения равновесия до гребня волны. Изменение длины пути лазерного луча приводит к тому, что отраженный свет движется слегка не в фазе со светом источника. Иначе говоря, время возвращения каждого из двух лучей к источнику слегка различается^18.

Затем ученые тщательно измеряют амплитуду и частоту сдвига фаз, что позволяет изучать свойства гравитационной волны. Когда зарегистрированный сигнал анализируется с учетом результатов, полученных на других детекторах, ученые могут определить местоположение источника этих волн – далекой космической катастрофы, вызвавшей возмущение пространства-времени. Чем больше детекторов будет установлено в разных точках по всему миру, тем точнее будет результат. Сегодня определение местоположения всех источников гравитационных волн включает координацию данных детектора Virgo и двух детекторов LIGO. Вскоре им на помощь придут сходные детекторы в Японии[3] и Индии, что позволит гораздо точнее определять местоположение источников.

Новое поколение детекторов, таких как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, должно быть гораздо чувствительнее Virgo и LIGO. Сейчас эти проекты находятся в стадии разработки, но планируется, что плечи расположенного под землей детектора Einstein Telescope будут десятикилометровой длины, а детектора колоссальной наземной обсерватории Cosmic Explorer — сорокакилометровой длины. Эти детекторы будут настолько чувствительны и точны, что смогут регистрировать гравитационные волны, исходящие от начавших сближение нейтронных звезд, которых еще миллионы лет отделяют от слияния и образования пульсара, такого, какой по косвенным признакам обнаружили Халс и Тейлор.

За семнадцать лет до открытия

После запуска LIGO и Virgo прошло около десяти лет, но результатов не наблюдалось. С самого начала ученые считали, что подобное возможно, и поэтому всегда существовали планы существенной модернизации детекторов. В 2010 году и LIGO, и Virgo были остановлены. После пяти лет и 620 миллионов потраченных долларов гравитационный телескоп Advanced LIGO (“усовершенствованный LIGO”) приступил к наблюдениям. Его тестирование началось в феврале 2015 года, а официальный старт наблюдательного цикла был дан 18 сентября 2015-го. Теперь чувствительность двух новых установок LIGO стала примерно в четыре раза выше, чем в исходном варианте.

Первая модернизация Virgo прошла в 2011 году, и его чувствительность увеличилась в десять раз. А затем его остановили опять, чтобы еще раз существенно усовершенствовать. Так Virgo превратился в Advanced Virgo — детектор, начавший сбор данных в августе 2017 года. До этого наблюдения самостоятельно вели два детектора LIGO.

Модернизация и предшествующие годы усилий окупились сполна еще до того, как формально (Advanced) LIGO запустили повторно. 14 сентября 2015 года LIGO, еще не отлаженный полностью, вошел в историю. Детектор LIGO уловил гравитационный сигнал, источником которого служило столкновение двух черных дыр звездных масс – или, говоря по-научному, “слияние двойной черной дыры” – на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Сообщение об этом сенсационном открытии (которому предшествовало множество слухов в социальных сетях) было сделано через несколько месяцев, и февраля 2016 года, и слова “регистрация”, “гравитационные волны”, “LIGO” и “Эйнштейн” замелькали в прессе, они доминировали в неформальных разговорах ученых и даже на семейных обедах. В следующем году Вайсс, Торн и Бэриш разделили Нобелевскую премию, присужденную им за это открытие.

Однако Марика Бранчези уже строила планы, существенным образом расширявшие рамки научного значения первого зарегистрированного слияния черных дыр. В 2012 году, вернувшись в Италию после краткосрочной научной работы в Соединенных Штатах, она получила грант на проект, казавшийся в то время почти невероятным. Бранчези хотела убедить коллег, занятых (тогда только теоретически) вопросом обнаружения гравитационных волн, начать взаимодействие с астрономами, которые работают более традиционными методами и исследуют весь электромагнитный спектр излучения – свет, рентгеновские и гамма-лучи.

Таким образом, рассуждала она, как только будут обнаружены гравитационные волны, появится возможность наблюдать их источники и другими методами, перехватывая различных дальних космических “посланников”, сигнализирующих об одном и том же событии. Позже этот подход назовут многоканальной астрономией.

Однако в то время многие астрономы сомневались, что вообще когда-либо удастся наблюдать гравитационные волны непосредственно. “Идея совместной работы астрономов и исследователей гравитационных волн казалась им странной”, – говорит Бранчези. Дело не в том, что ученые не верили в существование гравитационных волн – в этом мало кто сомневался. Они должны существовать. Структура уравнений Эйнштейна требует их наличия, так что все были согласны с тем, что мощный катаклизм должен возмущать пространство-время и служить источником гравитационной ряби.

Но Бранчези в первую очередь интересовали не сами гравитационные волны. Она хотела выяснить, что еще можно узнать о событиях, которые их вызывают. LIGO и Virgo были ей нужны, чтобы зарегистрировать волну и приблизительно определить место, откуда та пришла. Тогда телескопы, ведущие наблюдение в электромагнитном спектре, смогут сразу развернуться в нужном направлении и проверить, можно ли увидеть что-нибудь еще. Если астрономы непосредственно за гамма-вспышкой зафиксируют послесвечение, соответствующее космической катастрофе, которая предположительно вызвала гравитационную волну, у них будет доказательство того, что гравитационное возмущение распространяется со скоростью света. Это будет подтверждением предсказания, сделанного Эйнштейном сто лет назад. У них также будет возможность исследовать природу источника гравитационной волны, его окружение и механизмы, благодаря которым высвобождается такая невероятно большая энергия. Интенсивность электромагнитного излучения черных дыр крайне низка: после коллапса чрезвычайно массивных звезд остаются только гравитационные поля, и никакая материя не может выйти за их пределы, чтобы излучать свет. Поэтому черные дыры – не слишком подходящий объект для оптических телескопов.

А что, если это будут нейтронные звезды? В 2010 году астрофизик Брайан Метцгер из Колумбийского университета пришел к выводу, что столкновение этих объектов большой плотности будет сопровождаться не только возмущением пространства-времени и возбуждением гравитационных волн, но и образованием килоновой. Это вспышка, яркость которой порядка одной сотой яркости сверхновой, и ее должно быть видно с помощью оптического телескопа. Согласно его расчетам, килоновая образуется в горячем облаке радиоактивных осколков – вещества, выброшенного при столкновении и в результате радиоактивного распада тяжелых элементов, синтезированных при слиянии. В довершение всего, столкновение приведет и к кратковременной вспышке гамма-излучения – короткому гамма-всплеску (SGRB, Short Gamma-Ray Burst).

Тогда послесвечение гамма-вспышки должно быть видно в радио-, рентгеновском, а в конце концов даже в оптическом диапазоне, что позволит астрономам точно узнать, куда и когда следует смотреть.

Непросто собрать вместе ученых, работающих в разных областях науки. В этом случае задача оказалась особенно сложной: гравитационные волны все еще оставались только на бумаге, а оптические наблюдения – наука, существовавшая с древних времен. “Астрономы скептически отнеслись к возможности увидеть электромагнитное проявление гравитационных волн. Они считали, что зарегистрировать гравитационные волны слишком сложно, – говорит Бранчези. – Многие были настроены довольно пессимистически”. Обычно исследователи вынуждены бороться за время работы на мощных телескопах, так зачем же тратить эту ценную возможность на поиск побочного эффекта невероятно слабых волн, когда никто не гарантирует, что их вообще удастся обнаружить? Бранчези вспоминала конференции, в которых она принимала участие, где ощущала себя абсолютно беспомощной, поскольку астрономы смотрели на нее невидящими глазами или не смотрели вообще.

До того, как в 2012 году начались консультации по этому вопросу, около года ушло на обсуждения и обмен электронными письмами. Затем Бранчези, которая к тому времени стала сопредседателем группы, отвечавшей за мониторинг электромагнитного излучения, и несколько ее коллег, тоже веривших в многоканальную астрономию, на различных мероприятиях стали вести переговоры со многими астрономами. Одного за другим они уговаривали их присоединиться к сообществу LIGО/Virgo и подготовиться к возможной в будущем регистрации прохождения гравитационных волн. “Марика всегда говорила, что это действительно то, во что стоит вкладывать время и силы. Она убеждала нас: информация, полученная с помощью LIGO и Virgo, достоверна и надежна, на нее всегда можно рассчитывать, – говорит астроном из Университета Квинс в Белфасте Стивен Смартт. – Марика оказалась великолепным посредником, умела добиться того, чтобы сотрудники LIGO понимали, чего хотим мы, а мы понимали научное содержание информации, которую получали от LIGO”.

Сегодня международное научное сообщество LIGO насчитывает около тысячи двухсот ученых, работающих более чем в сотне научных учреждений из восемнадцати стран, и еще пятьсот человек входят в сообщество Virgo. Эти две организации работают в тесном контакте, сотрудничают более чем с двумя тысячами астрономов из тридцати пяти научных центров в одиннадцати странах. Расчет Бранчези оказался абсолютно точным.

Еще в 2012 году ученые из обсерватории LIGO настояли на том, что всякий астроном, присоединившийся к сообществу, должен подписать меморандум о сотрудничестве. Он должен согласиться с тем, что любые результаты наблюдений сначала становятся известны только членам сообщества и широко не распространяются. Это нужно для того, чтобы у всех было достаточно времени закончить свои измерения, проанализировать их, а затем опубликовать одновременно со всеми^19. Ученые проявляли все больший интерес к подобным исследованиям, особенно после того, как наконец заработал детектор Advanced LIGO. Но даже после регистрации слияния нескольких черных дыр лишь немногие считали, что обнаружить гравитационные волны от слияния нейтронных звезд удастся до 2020 или 2021 года, когда после очередной модернизации чувствительность LIGO и Virgo поднимется на более высокий уровень.

Тем не менее ученые, согласившиеся принять участие в исследованиях по многоканальной астрономии, были готовы действовать. Когда в сентябре 2015 года Advanced LIGO начал первый наблюдательный сеанс, начеку были около восьмидесяти групп в разных уголках мира. Всего через несколько дней поступила информация о первом открытии – слиянии черных дыр, и сразу более двухсот телескопов развернулись туда, где это произошло. Они ничего не увидели – черные дыры свет не излучают. (Хотя есть теоретическая возможность того, что слияние двойных черных дыр может сопровождаться электромагнитным излучением.) Но главное, стало понятно: для получения информации о космическом событии астрономическое сообщество может координировать работу разных приборов – лазерных интерферометров LIGO и Virgo, детекторов высокоэнергетических нейтрино обсерватории IceCube под толщей антарктического льда и всех телескопов, способных улавливать любое электромагнитное излучение от любого внеземного источника. Бранчези рассказывает: “Наблюдение слияния черных дыр показало, что астрономы подготовились к таким исследованиям”. Теперь “поимка” гравитационного сигнала, сопровождаемого электромагнитным излучением, стала просто вопросом времени. Итак, они заняли выжидательную позицию, причем большинство считало, что ждать придется около десяти лет.

Две недели до открытия

Обычно август – месяц тихий, во всяком случае для ученых, работающих в Северном полушарии. Многие из них, как и все остальные, предпочитают уехать в это время на неделю или две куда-нибудь к морю или в горы. А в августе 2017-го и работу LIGO планировалось приостановить почти на два года. Близился к концу его второй наблюдательный сеанс, продолжавшийся с конца предыдущего года.

Однако Virgo только приступил к работе после очередной модификации, присоединившись наконец 1 августа к двум детекторам LIGO. Исследователи группы Virgo торопились завершить модернизацию своего детектора, чтобы хоть несколько недель поработать совместно с LIGO. Когда 14 августа три детектора первый раз работали одновременно, они зарегистрировали восьмое по счету слияние двойной черной дыры, и именно эти данные Бранчези анализировала тем жарким днем в Урбино^20. Оставалось всего около двух недель до конца сеанса наблюдений, который планировался на 25 августа. Команды LIGO и Virgo начали сворачивать работы. Они были измучены как лихорадочной рутиной еженедельных, а часто и ежедневных телеконференций с членами сообщества, так и круглосуточными сменами, позволявшими отслеживать события в реальном времени. В течение нескольких месяцев, когда автоматические оповещения приходили даже среди ночи, Бранчези должна была сразу оценить, надо ли проводить дальнейшие наблюдения.

С начала августа Бранчези, готовясь к третьему наблюдательному сеансу, мысленно уже была в будущем: в 2019 году впервые после модернизации все три детектора будут достаточно долго работать совместно. Днем 16 августа на международном семинаре по гравитационным волнам выступила астрофизик Самая Ниссанке, коллега Бранчези из Амстердамского университета. В своем докладе она говорила о перспективах многоканальной астрономии. Ниссанке сказала слушателям, что в 2020-х годах наблюдение слияния нейтронных звезд будет достаточно рутинным событием. После выступления к ней подошел коллега из Индии Бала Айер, член INDIGO – консорциума индийских физиков, специалистов по поиску гравитационных волн. Его интересовало, когда это произойдет впервые. Ниссанке предложила пари: до конца 2019 года интерферометры зафиксируют слияние нейтронных звезд. Потребуется чуть больше двух лет. А ровно через день, проснувшись, узнала, что ее предсказание уже сбылось.

День открытия: 17 августа 2017 года

Когда гравитационная волна проходит через Землю, детектор фиксирует крошечную разницу во времени возвращения отраженных лазерных лучей. Тогда компьютерные программы LIGO и Virgo автоматически загружают эту информацию в специальную базу данных о кандидатах в гравитационно-волновые события. Сразу после полудня 17 августа 2017 года системы LIGO отметили именно такое событие, выдав предупреждение, что это может быть слияние двух нейтронных звезд. Вероятность ложной тревоги была исключительно мала: суммарная масса двух объектов составляла только 2,7 массы Солнца, что гораздо легче черной дыры звездной массы, но прямо соответствует известным значениям масс двойных нейтронных звезд (системы, состоящей из двух гравитационно связанных нейтронных звезд в процессе слияния). Программа, кроме того, сигнализировала, что с вероятностью 100 % это событие доступно для наблюдения в электромагнитном спектре.

Согласно расчетам системы, слияние произошло сравнительно близко от Земли – на расстоянии примерно 130 миллионов световых лет. Большая удача, поскольку в тот момент чувствительности LIGO не хватило бы для регистрации события на большем расстоянии. Волна дошла до Virgo в 12:41:04 по всемирному координированному времени[4] и на 22 миллисекунды позже до детектора LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана. Еще через три миллисекунды она коснулась плеч детектора в Хэнфорде, штат Вашингтон^21.

Коди Мессик, физик из Университета штата Пенсильвания, был первым человеком, получившим в тот день предупреждение LIGO. Он оказался одним из так называемых первых респондентов – его работа состояла в проверке сигналов, сообщавших о возможных кандидатах на столкновение черных дыр или нейтронных звезд. В случае подтверждения ему следовало оповестить остальных участников астрономической команды. Было начало девятого, он только проснулся и планировал взять на день отпуск: что-то произошло с шеей. В 8:43, добравшись до телефона, он увидел предупреждение LIGO – прошло ровно две минуты после того, как волна накрыла Землю. Сначала Мессик почувствовал досаду, поскольку сигнал, похоже, уловил только детектор в Хэнфорде – обычно алгоритмы LIGO оповещают в реальном времени только о тех событиях, которые регистрируют оба детектора. Однако система пометила возможное слияние как очень значительное событие, что и привлекло его внимание. Он написал руководителю своей диссертационной работы Чаду Ханну. Тот немедленно ответил, что предупреждение послал и телескоп Fermi', ровно через 1,7 секунды после прихода гравитационной волны он зарегистрировал в том же месте короткий двухсекундный гамма-всплеск. Было ли это оптическим аналогом слияния тех же двух космических объектов – другими словами, наблюдением того же события в электромагнитном спектре?

Сразу же Ханн и еще не снявший пижаму Мессик устроили телеконференцию с магистрантами своего университета, чтобы проверить данные на предмет ошибок. Все быстро согласились, что ничего очевидно неправильного в сигнале нет, и решили оповестить остальных членов сообщества LIGO/Virgo. Это поручили сделать Мессику, поскольку, вспоминает он, Ханна “так трясло от волнения, что печатать он не мог”. На какое-то мгновение они были единственными в мире людьми, которые знали, что произошло.

Именно сообщение Мессика высветилось на телефоне Бранчези, когда она уже собиралась прилечь после долгой ночи, проведенной в госпитале с сестрой и ее новорожденным сыном. В считаные минуты к телеконференции присоединились другие участники. Возбуждение охватило всех, но второй детектор в Ливингстоне не отметил это событие, поэтому было много сомневающихся. Как потом оказалось, причина крылась в сбое системы: какая-то техническая ошибка (возможно, покачивание зеркала) привела к появлению шума, замаскировавшего сигнал от гравитационной волны. Однако, когда на диаграммы посмотрели невооруженным глазом, стало очевидно, что сигнал на самом деле был зарегистрирован: он длился около шести минут, тогда как сбой, заставивший программу игнорировать волновой сигнал, продолжался всего несколько миллисекунд. Теперь данные подтвердили оба детектора LIGO.

Тем временем ученые из группы Virgo тоже поняли, что их прибор зафиксировал исторический сигнал – слабый, но не оставляющий сомнений. “Люди были так возбуждены, что не могли остановиться и во время телеконференции всё говорили и говорили, – рассказывает Бранчези. – Это было какое-то безумие”.

Вскоре в разговор включились астрономы со всего света. “Хотя я знал, что делать этого не следует, я отошел на минутку, чтобы позвонить жене и отцу. Мне не терпелось сообщить им эти потрясающие новости”, – рассказывает Мессик. Онлайн-чат телеконференции разрывался от требований разослать во все оптические обсерватории GCN-циркуляр, чтобы немедленно начать последующие наблюдения. (GCN-циркуляр – информация о местоположении гамма-всплеска, которую направляют всем заинтересованным лицам и организациям, если вспышку обнаруживают различные космические аппараты.) Бранчези и ее коллеги потратили десять лет на создание “многоканального” сообщества, и вот теперь их работа готова была принести плоды.

Всего через сорок минут после того, как LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационный сигнал, в 13:21:42 по всемирному координированному времени, GCN-циркуляр попал в электронные почтовые ящики астрономов, разбросанных по всему миру. Чтобы увидеть последствия космического катаклизма, случившегося в далеком прошлом, за считаные часы пришли в действие телескопы-роботы, развернулись обзорные телескопы^22. Наступила эра многоканальной астрономии.

Очень скоро началось состязание в скорости: астрономы по всему миру бросились к системам управления телескопами. Они хотели первыми увидеть столкновение в оптическом диапазоне. Хотя и не все были на низком старте. Наблюдательный сеанс LIGO подходил к концу, и Райан Фоли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе решил, что может расслабиться. Он спокойно пил пиво со своим партнером в копенгагенском парке Тиволи, когда неожиданно получил сообщение от Дэйва Колтера – коллеги, вернувшегося домой в Калифорнию. Прочтя сообщение, Фоли немедленно извинился перед своим другом, попрощался и бросился к велосипеду. Ему не терпелось начать последующие наблюдения с помощью метрового телескопа Henrietta Swope в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Пять часов ушло на сопоставление начальных координат, предоставленных LIGO и Virgo, и как можно более точное определение местоположения события. Через одиннадцать часов после прихода гравитационной волны команда Фоли идентифицировала яркую вспышку в ближней инфракрасной области спектра в той точке неба, которую определили детекторы гравитационных волн. После этого Фоли отправил короткое сообщение своей коллеге Джесс Макайвер, просто сообщив: “Думаю, я нашел”. Получив первое оптическое изображение, команда Фоли выиграла гонку. Впоследствии оптический аналог этого гравитационного события назвали Swope Supernova Survey 2017а (SSSi/a)23.

Но и другие не слишком отстали. Особенно загруженными оказались телескопы в горах чилийской пустыни Атакама. Отключившись от столь многолюдной телеконференции с обсерваторией LIGO, Бранчези бросилась звонить своим коллегам из GRAWITA. Это объединение, входящее в итальянский Национальный институт астрофизики, было образовано специально для того, чтобы дополнять данные LIGO наблюдениями в разных областях электромагнитного спектра – радио-, оптическом, ближнем инфракрасном и рентгеновском диапазонах, а также в интервале частот, соответствующих гамма-излучению^24.

Всего через тринадцать часов после прихода гравитационной волны астрономы GRAWITA, направив на место события телескоп REM в обсерватории Ла-Силья в пустыне Атакама, получили в оптическом диапазоне изображение взрыва при столкновении нейтронных звезд.

Несколько команд слегка задержались на старте. Уже прошло около часа после оповещения Мессика, а гарвардский астроном Эдо Бергер все еще сидел у себя в кабинете, пытаясь не заснуть на скучном и монотонном заседании кафедры. Крепкий кофе из университетского кафетерия не помогал. Когда его мобильный телефон зазвонил, он отключил звук. Тогда начал звонить телефон у него на столе. Коллеги прервали заседание, и Бергер поднял трубку: “Что случилось?”

Бергер слушал, и его брови поднимались все выше и выше. Он положил трубку, объявил, что совещание окончено, и буквально вытолкал всех из кабинета. В течение следующих нескольких минут Бергер быстро просмотрел поток сообщений и электронных писем, включая первое официальное автоматическое предупреждение LIGO с оценкой координат события, выглядевшего как столкновение двух нейтронных звезд. Похоже, LIGO зарегистрировал его ровно в тот момент, когда Бергер забирал свой кофе.

Благодаря “многоканальным” усилиям Бранчези и ее сторонников Бергер, как другие ученые и около семидесяти телескопов по всему миру, готов был действовать. Пришло время внимательно “присмотреться” к последствиям слияния нейтронных звезд. Поскольку космический телескоп Fermi оповестил о зарегистрированном всплеске гамма-излучения, Бергер знал: есть очень большая вероятность того, что это событие будет заметно и на других длинах волн. Сейчас ему нужна его команда, и быстро.

Кейт Александер только проснулась у себя в квартире в Бостоне. Она заканчивала аспирантуру и в команде Бергера отвечала за наблюдения в радиодиапазоне. Еще в постели Кейт увидела сообщение LIGO. Затем она увидела сообщение Бергера, где в строке “Тема” стояло: “Встречаемся у меня в кабинете через пять минут!” Три минуты на душ – и бегом в кампус. В десять, ровно через два часа после регистрации слияния, она вбежала в кабинет Бергера.

План разработали совместно с несколькими коллегами: чтобы определить местоположение и приступить к изучению источника, они используют оптический телескоп. Предлагалось следить за радиоактивным свечением килоновой, то есть облаком выброшенных при взрыве осколков нейтронных звезд. В этом облаке должны присутствовать тяжелые элементы, созданные, а затем выброшенные при столкновении. Они видны во всем электромагнитном спектре. “Мы были очень возбуждены и старались не дать возбуждению помешать нам делать то, что следовало”, – рассказывала Александер.

При любых наблюдениях в электромагнитном спектре, надеетесь ли вы зарегистрировать видимый свет, радиосигналы или сигналы любых других длин волн, важно знать, в какую точку неба следует направить телескоп. К счастью, с помощью Virgo стало возможно определить местоположение источника сигнала. Без Virgo “окно ошибки” – вероятная область, в которой расположен источник сигнала, – было бы слишком велико для каких-либо целенаправленных оптических наблюдений. Все же координаты, предоставленные LIGO и Virgo, не могли настолько сузить область поиска, чтобы была возможность определить хотя бы галактику, где произошло столкновение. Они только указывали, что событие произошло в определенной области неба, площадь которой примерно в сто пятьдесят раз превышает площадь полной Луны.

Чтобы сузить окно наблюдения, Александер, Бергер и их коллеги прежде всего выбрали прибор для наблюдений – мощную оптическую камеру DEC am (Dark Energy Camera, “камера темной энергии”), установленную на телескопе Victor М. Blanco в Чили.

Управляя этой камерой из Гарварда, они быстро, снимок за снимком, осмотрели очень большую область неба. Им понадобился час, чтобы обнаружить галактику на расстоянии 130 миллионов световых лет, в которой они заметили яркий источник, раньше там не виденный, – галактику NGС 4993 в созвездии Гидра. Бергер говорит, что это напоминает крестик, очень точно отмечающий нужное место. Позже выяснилось, что их команда определила точное местоположение источника через несколько минут после SWOPE, а затем к финишу пришли телескопы обзорного проекта DLT40, входящие в обсерваторию Лас-Кумбрес в Панаме, VISTA из Паранальской обсерватории в Атакаме, MASTER в России и многие другие.

Взволнованный Бергер позвонил Метцгеру – человеку, теоретически предсказавшему существование килоновой в 2014 году. Волнение Метцгера описать трудно, особенно после того, как он обнаружил, что светимость и цвет килоновой точно совпадают с его расчетами. Это означало, что идет радиоактивное затухание тяжелых элементов, синтезированных во время слияния. Цвет облака радиоактивных осколков ярко-голубой – значит, оно, как кончики языков пламени газовой плиты, невероятно горячее. Несколько дней облако постепенно гасло, а телескопы по всему миру внимательно отслеживали все его оттенки. По мере остывания выброшенного материала облако из синего постепенно становилось темно-красным. Астрономы смогли детально изучить спектр (химические “отпечатки пальцев”) килоновой. Стало понятно, что многие тяжелые элементы, включая золото, платину и серебро, образуются при таких столкновениях. Так была решена загадка возникновения этих элементов.

Команда Бергера хотела получить еще и фантастические снимки килоновой в диапазоне более коротких длин волн. Чтобы провести измерения в ультрафиолетовом диапазоне, они подали заявку на работу с космическим телескопом “Хаббл”. Каждая длина волны “сообщает” что-то новое, и астрономы в тот момент пытались получить всю возможную информацию. Обычно, чтобы получить доступ к телескопу “Хаббл”, требуется позаботиться об этом заранее и ждать несколько недель. Но ситуация была экстраординарной, и время выделили из “резерва директора”. Заявка содержала всего два абзаца. По словам Бергера, это, возможно, самая короткая из всех когда-либо написанных заявок. В ней просто говорилось, что их группа впервые обнаружила электромагнитное излучение, сопровождающее слияние двойной нейтронной звезды, и им нужно иметь возможность увидеть его в ультрафиолетовом свете. Заявку одобрили, и Бергер с сотрудниками получил возможность провести наблюдения всего через пять дней после обнаружения гравитационных волн. А еще через девять дней космический рентгеновский телескоп Chandra увидел первые явные сигналы слияния в рентгеновском диапазоне.

После рентгеновского диапазона, с самого края электромагнитного спектра, располагается диапазон гамма-лучей – самого высокоэнергетического из известных нам излучений. Когда две нейтронные звезды сталкиваются, большая часть их вещества сливается, образуя один объект, и, скорее всего, под действием собственной гравитации происходит его быстрый коллапс в черную дыру. Однако какая-то часть вещества на большой скорости уносится наружу в виде джета, иначе говоря, узкой струи гамма-частиц, разлетающихся со скоростью, близкой к скорости света[5]. Именно этот очень короткий всплеск гамма-излучения зарегистрировал космический гамма-телескоп Fermi менее чем через две секунды после регистрации гравитационных волн LIGO и Virgo.

Впервые гамма-вспышки этого типа были зафиксированы 2 июля 1967 года двумя американскими спутниками Vela 5 и Vela 4. Сначала ученые ошибочно приняли их за последствия испытаний ядерного оружия в Советском Союзе. Потребовалось десять лет наблюдений, чтобы стало понятно: источник этих гамма-вспышек, которые могут длиться от нескольких миллисекунд до нескольких часов, находится в далеком космосе. Сверхкороткие вспышки, продолжающиеся менее двух секунд, назвали гамма-всплесками^25. Всплески, обнаруженные телескопом Fermi, подтвердили наконец давний вывод теоретиков: слияние нейтронных звезд может быть источником коротких гамма-всплесков (SGRB), которые, как считают ученые, являются наиболее мощными взрывами во Вселенной.

С другого конца электромагнитного спектра находится область очень длинных волн. Речь идет о радиоволнах. Традиционно нейтронные звезды и черные дыры наблюдают с помощью радиоантенн, и для анализа последствий слияния использовались десятки таких антенн. Кейт Александер возглавляла группу, изучающую спектр радиоволн с помощью VLA (Very Large Array) – очень большой антенной системы из двадцати семи радиотелескопов в штате Нью-Мексико, прославившейся благодаря кинофильму “Контакт” с Джоди Фостер. По прошлым наблюдениям гамма-вспышек Кейт знала, что их излучение в радио- и рентгеновском диапазонах обусловлено попаданием потоков частиц в межзвездную среду, то есть в газ, заполняющий пространство между звездами, где и двигались по спирали друг относительно друга две нейтронные звезды перед столкновением.

Сначала астрономам вообще не удавалось заметить радиоволны от столкновения. Наконец, 5 сентября 2017 года, через полных шестнадцать дней после начала поиска, их заметила группа из Техасского технологического университета под руководством Алессандры Кореи. Группа Александер тоже зарегистрировала сигнал. Задержка произошла из-за того, что джет, образовавшийся в результате столкновения, был направлен не прямо на Землю, а двигался под углом. Еще несколько месяцев ученым удавалось регистрировать эти волны, пока они в конце концов не исчезли окончательно.

Радиоволны. Микроволновое излучение. Инфракрасное излучение. Видимый свет. Ультрафиолетовое излучение. Рентгеновское излучение. Гамма-излучение. Гравитационные волны. Впервые в истории многоканальная астрономия, проводя наблюдения двух очень отдаленных сверхплотных объектов, столкнувшихся друг с другом более 130 миллионов лет тому назад и тем самым завершивших свое существование во Вселенной, продемонстрировала свои невероятные возможности. У статьи, описывающей это слияние нейтронных звезд, оказалось более четырех тысяч соавторов – около трети всех астрономов в мире. Для анализа собранных ими данных потребуются годы.

Однако о нейтронных звездах нам все еще известно очень мало. И возможно, наблюдая подобные катаклизмы с нашего наблюдательного пункта, голубой точки в пространстве, нам удастся пролить свет на внутреннюю структуру нейтронных звезд. Мы попытаемся понять, что такое их ни на что не похожие джеты, выбрасывающие частицы и посылающие в космос излучение. Мы разберемся с природой их невероятных магнитных полей, самых мощных во Вселенной, и раскроем еще многие их секреты. Совершить путешествие к нейтронным звездам мы никогда не сможем, но многоканальная астрономия, на службу которой поставлена мощь самых разных телескопов по всему миру, и использование гигантских ускорителей элементарных частиц помогут нам в скором времени узнать о них больше. Может быть, полученные знания о нейтронных звездах позволят понять, как происходит расширение Вселенной, что происходит со сверхмассивными черными дырами, притаившимися в центре галактик, и, наконец, раз и навсегда выяснить, были ли действительно правильны все предсказания общей теории относительности Эйнштейна. Если добавить к этому астрономию высоких энергий с ее новыми рентгеновскими телескопами, такими как немецкий ROSAT, XMM и Chandra, и детекторы гамма-излучения, такие как гамма-телескоп Fermi и LIGO /Virgo, ученые получили возможность изучать эти загадочные объекты совершенно новыми, поражающими воображение способами^26.

В то время как в гостиной Марика Бранчези напряженно всматривалась в экран компьютера, где разворачивалась далекая космическая драма, за происходящим наблюдал и ее старший сын Диего. Вдруг он обратился к ней, тщательно обдумывая и четко произнося каждое слово: “Мам, когда ты закончишь со слиянием двойных нейтронных звезд, мы сможем пойти поесть?”

Чуть глубже: Происхождение золота

Откуда взялся наш мир? Как образовались элементы? Все элементы, существующие на Земле, так или иначе созданы в космосе. В периодической таблице Менделеева 118 элементов, и 94 из них встречаются в природе. Но сразу после Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад, элементов вообще не было. Существовали только их элементарные составляющие – кварки. Из кварков, обычно встречающихся в триплетах, строятся привычные нам нейтроны и протоны, а из них, в свою очередь, атомы. В эпоху своего младенчества Вселенная была необычайно горячей и плотной, и поэтому кварки не могли связываться. По крайней мере несколько минут кварки существовали в состоянии своеобразного “кваркового супа”. Когда Вселенная несколько расширилась и охладилась, стало возможным объединение кварков в протоны (ядра водорода) и нейтроны, а затем из двух протонов и двух нейтронов образовались ядра гелия.

Расширение Вселенной продолжалось, ее температура продолжала падать. Однако потребовалось еще 380 тысяч лет, чтобы замедлившиеся электроны оказались в ловушках – на орбитах вокруг замедлившихся ядер – и образовались первые, очень легкие атомы. Главным образом это были атомы водорода и гелия, а также, в небольшом количестве, лития. Перенесемся еще на 1,6 миллиона лет вперед, в то время, когда под действием гравитации из облаков межзвездного газа образовались первые звезды и галактики. Тогда же образовались более тяжелые атомы – углерод, кислород и железо. Массивные звезды стали гигантами, и в их ядрах в результате термоядерного синтеза гелий превращается в углерод и появляются магний, азот, кислород, неон и железо. Появление железа означает конец термоядерного синтеза. Но когда звезды умирают в результате взрыва сверхновой, образуются еще более тяжелые элементы – никель, кобальт, медь, марганец, цинк и ванадий.

Однако компьютерные расчеты показали, что мощности взрыва сверхновой недостаточно для образования элементов заметно тяжелее железа. Тогда откуда же появилось все серебро, золото, платина, ртуть, молибден, уран и другие подобные элементы? Ученые предположили, что эти элементы могли образоваться при слиянии нейтронных звезд в ходе так называемого r-процесса – быстрого захвата нейтронов. Буква r указывает на скорость процесса (rapid), при котором в результате последовательности ядерных реакций быстрого захвата нейтронов тяжелыми зародышевыми ядрами (наподобие железа) создаются элементы тяжелее железа. При слиянии нейтронных звезд высвобождается огромное число нейтронов. Нагретые до экстремальных температур нейтроны бомбардируют окружающие их атомы, что и приводит к появлению более тяжелых элементов. Когда впервые удалось обнаружить слияние двух нейтронных звезд, ученые смогли наблюдать голубую килоновую и радиоактивный распад тяжелых элементов, образовавшихся при столкновении.

Другой вопрос, как эти тяжелые элементы попали на Землю. Некоторые из них могли быть доставлены метеоритами. Например, никель и кобальт часто находят в железных метеоритах: железо, никель или кобальт образуются одновременно в процессе нуклеосинтеза при взрывах сверхновых. С другой стороны, они, возможно, присутствовали в веществе, из скопления которого около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Солнечная система, а затем со временем эти элементы высвободились из земной коры.

Чуть глубже: Почему килоновая была голубой?

Цвет космического объекта зависит от длины волны излучаемого им света. В разных условиях свет ведет себя либо как волна, либо как частица, а длина волны – это расстояние между двумя гребнями (или двумя впадинами) волны. Длина волны зависит от того, к какому диапазону электромагнитного спектра относится излучаемый свет: длины волн гамма-излучения самые короткие, а радиоволн – самые длинные. Энергия каждого отдельного фотона – элементарной составляющей света – обратно пропорциональна длине волны. Это значит, что чем меньше длина волны, тем больше энергия, соответствующая данному типу излучения. Энергия гамма-лучей очень велика, у радиоволн она гораздо меньше, а энергия видимого света где-то посередине.

Рассмотрим подробнее часть спектра, соответствующую видимому свету. В голубой части спектра длины волн очень короткие. Когда мы сдвигаемся к другому его концу, красному, они постепенно становятся все больше. Есть тела, идеально поглощающие свет. Это так называемые абсолютно черные тела. Как и многие твердые тела и плотные газы, Солнце – черное тело. Спектр излучения можно связать с температурой тела: длина волны, на которой излучается больше света, обратно пропорциональна температуре. Значит, чем холоднее объект, тем краснее его цвет, а чем он горячее – тем ближе его цвет к синему. (Это находится в противоречии с тем, что обычно кран с горячей водой помечен красным, а с холодной – синим.) Некоторые звезды голубые, и это значит, что они действительно очень, очень горячие: их температура порядка 7000 градусов Цельсия. Другие, более холодные, красные. Их температура всего 4000 градусов Цельсия. При температуре ниже 4000 градусов излучение видимого света незаметно, хотя оно по-прежнему будет более интенсивным в красной области спектра, чем в голубой[6]. На Земле мы ассоциируем тепло с чем-то красным, напоминающим костер, но это главным образом потому, что трудно поднять температуру пламени настолько высоко, чтобы оно стало голубым.

После слияния двух нейтронных звезд оптические телескопы зарегистрировали голубое свечение, обусловленное радиоактивным распадом тяжелых элементов, – килоновую. Прежде ученые считали, что килоновая, образовавшаяся в результате слияния нейтронных звезд, должна быть исключительно красной. Они объясняли это тем, что при r-процессе самые тяжелые элементы (те, которые находятся в самом низу периодической таблицы и имеют атомную массу больше 140) очень хорошо поглощают голубой свет и “не выпускают” его из газопылевого облака, выброшенного при слиянии нейтронных звезд.

Но в 2014 году Брайан Метцгер и его коллега астроном Родриго Фернандес предположили, что килоновая “разделяет” голубые и красные компоненты. Не все вещество газопылевого облака, сформировавшегося как результат слияния нейтронных звезд, утверждал Метцгер, обязательно содержит настолько тяжелые элементы, что их атомная масса превышает 140. Если в результате r-процессов данной части выброшенного облака синтезируются только более легкие элементы с атомной массой меньше 140, то излучение килоновой из этой части будет голубым. И поскольку, говорил он, элементы в выброшенном веществе будут из разных частей аккреционного диска, у некоторых атомная масса будет больше 140 (с ними связано красное свечение), а у других меньше (что приводит к голубому свечению), причем и то и другое можно наблюдать при одном и том же событии.

Тогда оказывается, что интенсивность голубого цвета килоновой зависит от состава выброса и числа нейтронов и протонов, которое, в свою очередь, зависит от времени жизни нейтронной звезды после слияния, до того как произойдет ее коллапс в черную дыру. Чем дольше проживет нейтронная звезда, тем больше доля легких элементов, синтезированных при r-процессе, а значит, тем синее килоновая. В ее цвете закодирована информация о том, когда образуется черная дыра.

Действительно, килоновая, наблюдавшаяся во время слияния, особенно в первые часы, была ярко-голубой. Красное свечение появилось позже. По словам Метцгера, это свидетельство того, что нейтронная звезда долго не протянула. Он думает, что черная дыра, вероятно, образовалась уже через несколько сотен миллисекунд после слияния.

Глава 2

Открытие нейтронных звезд… и маленькие зеленые человечки?

“«Межпланетная сцинтилляционная матрица» не в лучшем состоянии. Украли всю медную проволоку”. Малкольм Лонгейр, жизнерадостный седовласый семидесятисемилетний английский астрофизик, неодобрительно качает головой. Лонгейр не просто астрофизик – в прошлом он королевский астроном Шотландии и директор Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете. Мы стоим в поле перед частой, колючей и, что досадно, очень высокой изгородью. За ней когда-то располагалась “Межпланетная сцинтилляционная матрица” (Interplanetary Scintillation Array), которая представляла собой напоминающий виноградник пустырь, утыканный сотнями столбов из кедра, высотой около трех с половиной метров каждый. Между столбами было натянуто около двухсот километров медной проволоки. Именно этот радиотелескоп 6 августа 1967 года впервые уловил сигнал пульсара, подтвердив существование нейтронных звезд. До тех пор они существовали только в теории^1.

Лонгейр показывал мне это место промозглым январским днем, но сначала мы ненадолго зашли в Кавендишскую лабораторию, где он работал. Именно здесь в конце XIX века Эрнест Резерфорд приступил к изучению радиоактивного превращения атомов, что в 1911 году привело его к созданию планетарной модели атома, согласно которой атом состоит из крохотного ядра, вокруг которого вращаются электроны. И здесь же в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтроны^2.

Рядом с изгородью, по другую сторону неработающего комплекса, раскинулось настоящее астрономическое кладбище: четыре неподвижных черных радиотелескопа на рельсах. Чаши их отражателей напоминают засохшие цветы, протягивающие увядшие лепестки к солнцу. Рядом, вблизи от закрытой аппаратной, еще одна бесхозная радиоантенна. Торчащие из земли деревянные столбы – все, что осталось от вошедшей в историю науки “Межпланетной сцинтилляционной матрицы”. Как многие легкодоступные “источники” меди, например церковные крыши, она стала жертвой временного большого скачка цен на это сырье: медная проволока, когда-то соединявшая столбы, была украдена и перепродана недобросовестным торговцам на металлолом.

Однако вернемся на полвека назад. Тогда жизнь на этих полях била ключом: шла напряженная работа, в которой участвовали усердные магистранты и ученые. Шестидесятые годы оказались плодотворным десятилетием для радиоастрономов. В 1963 году Мартин Шмидт из Калифорнийского технологического института разгадал загадку квазизвездных радиоисточников, или квазаров, и показал, что это далекие, сверхъяркие активные галактики, связанные со сверхмассивными черными дырами в их центре^3.

Двумя годами позже американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла в городке Холмдел, штат Нью-Джерси, случайно открыли реликтовое излучение – остаточное свечение Большого взрыва^4.

А здесь, в сельской местности графства Кембриджшир, вошла в историю Джоселин Белл, молодая магистрантка из Северной Ирландии, которая в 1967 году заметила странный, похожий на каракули сигнал (она назвала его “загривок”) на зеленых и белых рулонах миллиметровой бумаги километровой длины, выползающих из небольшого записывающего устройства. Этот “загривок” оказался далеким пульсаром, робко посылавшим приветствие людям. Но она в то время этого не знала. Никто не знал.

Чтобы начать рассказ об этом “загривке” и понять, насколько он важен, надо вернуться еще лет на пятьдесят назад. Рубеж XIX и XX веков оказался удивительным временем для физиков. Джозеф Джон Томсон только что, в 1897 году, открыл электрон; Резерфорд, перебравшийся в 1898 году в Университет Макгилла в Монреале, начал разбираться с последовательностью преобразований элементов в процессе радиоактивного распада. По возвращении в Манчестер он исследует рассеяние альфа-частиц большой энергии на тонкой золотой фольге. В 1911 году Резерфорд предлагает планетарную модель атома. Атом, согласно Резерфорду, представляет собой в основном пустое пространство с крошечным ядром из положительно заряженных частиц в центре. Ядро окружено вращающимся вокруг него облаком отрицательно заряженных электронов. Однако не все было ясно: если считать, что число электронов уравновешивает число протонов, то масса ядра оказывалась больше, чем ожидалось. Тогда ученые заподозрили, что и в ядре есть электроны, нейтрализующие “избыточный” положительный заряд. В 1920 году Резерфорд предположил, что, вероятно, ядро состоит не из электронов и протонов, а из протонов и нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами. “Следующие десять лет, – говорит Лонгейр, – Резерфорд и Чедвик, перебравшийся в Кембридж из Манчестера вместе с Резерфордом, настойчиво, но безуспешно пытались обнаружить этот неуловимый нейтрон”5.

Наконец, в 1932 году, Чедвику удалось “поймать” нейтрон. Позднее он получил Нобелевскую премию по физике за это открытие^6. “У нас сохранился прибор, с которым работал Чедвик”, – говорит Лонгейр, указывая на невзрачную металлическую трубку длиной сантиметров пятнадцать, выставленную за стеклом в Кавендишской лаборатории. Лонгейр уже давно отвечает за коллекцию старых фотографий и самых разных приборов, использовавшихся исследователями в течение последних полутора столетий. Это часть тщательно поддерживаемой выставки, которую он показывает публике (главным образом ученым и студентам). Однако на выставке демонстрируется не все: в своем кабинете Лонгейр показал мне тяжелый дубовый стол Резерфорда, за которым он следит особо.

После открытия нейтрона Чедвиком модель атома обрела наконец более законченный вид и получила всеобщее признание. Хотя тогда большинство ученых стремились продолжить исследования атома и его внутренней структуры, нашелся человек, отклонившийся от общего курса. Родившийся в Болгарии швейцарский физик Фриц Цвикки в 1925 году начал работать в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. Этого неуравновешенного и самоуверенного человека знали все: во время лекции он мог, например, внезапно упасть на пол и начать отжиматься на одной руке, а еще любил вступать в спор без всякого на то повода. Не стоит удивляться, что многих коллег, считавших его шутом, он раздражал. Но уже в 1934 году, через два года после открытия нейтрона Чедвиком, именно Цвикки (его соавтор – астроном Вальтер Бааде) опубликовал очень короткую статью, где напрямую связал смерть массивной звезды с последующей вспышкой сверхновой и остающейся нейтронной звездой^7. Это предположение оказалось правильным. Позднее Цвикки сам открыл в общей сложности сто двадцать сверхновых^8.

“Это была чистой воды спекуляция. Идея Цвикки строилась на том, что у нейтронов нет электрического заряда, отталкивающего их друг от друга, а значит, из них вы можете получить очень компактную звезду, – рассказывает Лонгейр. – Эта статья не более чем мелькнувшая в голове идея. По сути, физики в ней нет”. И все же Цвикки оказался прав. Судьба массивной звезды, у которой выгорело все ядерное топливо, печальна. Гравитационный коллапс ее ядра завершается впечатляющими похоронами – взрывом сверхновой (см. главу з). Остается очень компактное и невероятно плотное образование – нейтронная звезда. Сегодня уже никто не считает Цвикки шутом. О нем говорят как о гении, и не только из-за его идей, касающихся сверхновых, но и в связи с работами, относящимися к темной материи и скоплениям галактик.

Вернемся в 1934 год. Немногие тогда обратили внимание на гипотезу Цвикки: астрономов гораздо больше занимала проблема белых карликов. Как мы теперь знаем, это то, что остается от менее массивных звезд, и обычно сверхновыми они не становятся. Все же через три года после статьи Цвикки другой ученый, советский физик Лев Ландау, опубликовал работу о том, что он назвал “нейтронным ядром” звезды^9. Среди ученых, заметивших статью Ландау, был Роберт Оппенгеймер. В 1939 году Оппенгеймер вычислил верхний предел массы звезды, при которой она может оставаться стабильной, и оценил вероятную массу подобных объектов перед тем, как они коллапсируют в черную дыру. Оппенгеймер и его студент Джордж Волков нашли, что эта максимальная масса должна составлять порядка 70 % от массы Солнца. Этот результат оказался неправильным, поскольку они не учли сильное ядерное взаимодействие между нейтронами^10. Более поздние теоретические оценки сместили этот предел, поместив его где-то между полутора и тремя солнечными массами. “Оппенгеймер сделал все. Он же получил первые оценки температуры поверхности таких объектов, но они – нейтронные звезды – настолько малы, что по этой причине все считали, что обнаружить их совершенно невозможно”, – в задумчивости продолжает Лон-гейр. Рентгеновских телескопов тогда еще не существовало, и, по общему мнению, не было возможности когда-либо обнаружить эти звезды, что и объясняет отсутствие интереса со стороны астрономического сообщества. “Что в то время можно было сделать? Ничего. И хотя было известно, что теоретически существовать нейтронные звезды могут, они скорее рассматривались как нечто экзотическое”, – рассказывает Лонгейр.

Так обстояло дело до конца Второй мировой войны. В это время Оппенгеймер был занят другой, более, как бы это сказать, практической работой – созданием атомной бомбы. Нейтронные звезды “пылились” в ящике его письменного стола вплоть до 1967 года, когда они опять шумно и стремительно вторглись в мир науки^11. “Шестидесятые годы стали поворотной точкой для современной астрофизики, – говорит Лонгейр. – На самом деле именно в то время началась современная астрономия”.

Действительно, примерно до сороковых годов исследование астрономами Вселенной ограничивалось в основном объектами, излучающими свет в видимом или близком к видимому диапазоне. Электромагнитный спектр – это все частоты электромагнитного излучения, которые можно регистрировать, от самых низких до самых высоких (или, что то же самое, от самых длинных до самых коротких длин волн). От радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения до рентгеновских и гамма-лучей. С появлением радиоастрономии ученые неожиданно получили такую чувствительную аппаратуру, какой у них не было никогда. Это позволило открывать целые новые миры: определять по зарегистрированным радиоволнам местоположение источника, а затем пытаться обнаружить источник этих волн в видимом свете.

Правда, возникло некое замешательство, когда в пятидесятые годы радиотелескопы начали регистрировать радиоволны от источников, не соответствующих каким-либо видимым объектам на небе. Такие источники были компактными – и все же ярко “сияли” в радиодиапазоне. Это была загадка. Затем, в 1962 году, Джон Болтон, директор обсерватории Parkes в Австралии, и астроном Сирил Хазард использовали технику покрытия Луной для наблюдения одного из особенно ярких таких объектов^12. Они воспользовались тем, что траектория движения Луны хорошо известна, и точно определили его местоположение, когда Луна, проходя мимо, загородила источник и радиоизлучение прекратилось. Затем, когда Луна прошла источник и перестала быть препятствием для радиоволн, излучение появилось вновь.

На следующий год Мартин Шмидт из Паломарской обсерватории в Калифорнии исследовал этот источник с помощью телескопа Hale и в видимом свете обнаружил вырывающийся из него джет. Проанализировав спектр, ученые обнаружили большое красное смещение. Это значило, что объект удаляется от Земли со скоростью, равной одной шестой скорости света, то есть около 50 тысяч километров в секунду. Они также определили, что объект находится на расстоянии трех миллиардов световых лет от Земли. Он оказался гораздо дальше многих известных галактик, но светил гораздо ярче. Шмидт наблюдал первый квазизвездный (“сходный со звездой”) радиоисточник. Сейчас мы используем его сокращенное название – “квазар”. В следующем, 1964-м, году возникла гипотеза, что на самом деле квазары – это сверхмассивные черные дыры. Считается, что они находятся в центре большинства больших галактик и что это один из типов так называемых активных ядер галактик^13.

“Время было по-настоящему бурным. Многим из нас повезло: мы начали работать именно тогда, когда все стремительно развивалось. Это было прекрасное время”, – рассказывает Лонгейр. Он, молодой аспирант, присоединился к кембриджской радиоастрономической группе в 1963 году и по предложению маститого радиоастронома Мартина Райла сразу с головой погрузился в поиски новых квазаров.

Сегодня Кавендишская лаборатория располагается на окраине Кембриджа, но во времена открытия нейтрона Чедвиком она находилась в центре города. Случилось так, что в старой лаборатории комната Лонгейра оказалась вблизи кабинета профессора астрофизики Энтони Хьюиша. Профессора интересовали квазары и, главное, сцинтилляция квазаров – на первый взгляд случайные флуктуации интенсивности испускаемых ими радиоволн. Это похоже на известное всем мерцание звезд: кажется, что яркость звезд меняется, а на самом деле эффект связан только с турбулентностью атмосферы Земли, через которую до нас доходит свет звезд. Турбулентность приводит к неоднородности воздуха и, как следствие, к фокусировке или дефокусировке света. Поскольку под действием ветра воздух движется, яркость каждой звезды представляется быстро флуктуирующей, или, иначе говоря, звезды мерцают. Когда радиоволны проходят сквозь разреженный газ в пространстве между звездами, они сталкиваются с похожими помехами. Межзвездная среда неоднородна: где-то она более плотная, где-то более разреженная. Приближаясь к Земле, радиоволны испытывают действие еще и солнечного ветра – вырывающихся из Солнца сгустков и облаков плазмы. В результате кажется, будто источник радиоволн “мерцает”. В отличие от мерцающих квазаров – компактных источников радиоволн – радиогалактики (другой тип активных галактических ядер с большим угловым диаметром) не мерцают. Изучая, как меняется сцинтилляция радиоисточника, ученые могут узнать больше о неоднородностях межзвездной среды^14. (Подробнее о том, что происходит в межзвездной среде, см. в разделе “Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд”.)

Хьюиш полагал, что, если использовать большие радиотелескопы, способные отыскать на небе мерцающие источники, появится возможность отобрать среди них квазары. Его коллега Мартин Райл обнаружил несколько тысяч радиогалактик, многие из которых могли оказаться квазарами. Понять, какие именно, было невозможно, поскольку телескоп Райла работал на слишком высокой частоте, не позволявшей увидеть сцинтилляции. Идея Хьюиша состояла в следующем: надо построить радиотелескоп с высокочувствительной системой радиоантенн, позволяющей регистрировать очень низкие частоты^15. От департамента научных и промышленных исследований Великобритании он получил грант в размере 17 тысяч фунтов^16. Это не слишком много, но достаточно, чтобы вбить в землю тысячу столбов в открытом поле сельского Кембриджшира. Строительство началось в 1965 году.

Когда Хьюиш спланировал “Межпланетную сцинтилляционную матрицу”, он не собирался самостоятельно вбивать столбы. Эту почетную работу поручили шести студентам магистратуры. Среди них оказалась и Джоселин Белл. Лонгейр рассказывает, что в Кембридже среди магистрантов физического факультета редко встречались женщины. В 1965 году в Кавендишской лаборатории появилась недавно приехавшая из Северной Ирландии двадцатидвухлетняя девушка. (По словам Лонгейра, формально она числилась в другом колледже.) Степень бакалавра по специальности “физика” Джоселин Белл получила в Университете Глазго, и у нее был трехлетний грант, позволявший ей работать над диссертацией в Кембридже. Как и другие магистранты, она главным образом работала на чердаке лаборатории или в поле. Диссертационной задачей Джоселин Белл стало построение сцинтилляционной матрицы и проверка ее работоспособности. Она планировала убедиться в том, что с помощью матрицы можно изучать флуктуации радиоисточников, исследовать роль солнечного ветра и искать квазары. На постройку сцинтилляционной матрицы ушло два года. Работали непрерывно круглый год, даже ветреной кембриджской зимой. Телескоп начал собирать данные в июле 1967-го.

За время полевых работ Белл очень загорела и окрепла. “Коллеги из лаборатории постоянно спрашивали меня, не вернулась ли я недавно с лыжного курорта”, – тихим голосом рассказывает Белл, сейчас она приглашенный профессор Оксфордского университета. Во время разговора Джоселин не слишком задумывается над ответами. Вероятно, это результат огромного числа интервью, которые она дала за прошедшие десятилетия. Но ее ответы, как и электронные письма, с помощью которых мы договаривались о встрече, так чистосердечны, в них столько юмора, что я мгновенно успокаиваюсь.

Сцинтилляционная матрица Энтони Хьюиша с ее деревянными столбами, конечно, отличалась от типичной параболической радиоантенны, которую представляет себе большинство людей, когда их просят описать радиотелескоп. Тем не менее вначале большую часть результатов радиоастрономы получили с помощью этих простых решеток из столбов и километров медной проволоки. Чтобы при такой большой собирающей поверхности матрица работала, важно, чтобы она была “фазированной”. Это значит, надо убедиться, что от разных частей матрицы сигналы приходят с нужным запаздыванием, так что их можно собрать вместе и получить один входящий сигнал^17. Именно Хьюиш первым предложил такой метод исследования сцинтилляций радиоисточников. Когда Белл начала использовать эту матрицу, было известно только около двадцати квазаров, а к концу своей работы она открыла еще около двухсот.

Площадь матрицы Хьюиша составляла около 18210 квадратных метров (4,5 акра), как два футбольных поля. Лонгейр говорит: “Этого оказалось достаточно для регистрации флуктуаций интенсивности радиоисточников в масштабе времени порядка одной десятой секунды”. Помимо километров медной проволоки Хьюишу пришлось купить около 13,5 километра кабеля и 124 километра проволоки для отражателя. Столбы расставили в шестнадцать рядов на расстояниях, обеспечивающих требуемую задержку фаз между ними.

Матрица была способна регистрировать волны длиной около з,7 метра, что означало возможность работать на очень низкой частоте в 81,5 МГц. Матрица действовала как обычная телевизионная антенна, но ее длину надо умножить на число входящих в нее диполей, а их 2048. В отличие от управляемого отражателя, такая матрица может сканировать все видимое небо. Когда приходит радиоволна, ее колебания вызывают колебания электронов проволоки, связывающей столбы. Эти колебания передаются на соединительный кабель, подключенный к приемнику в лаборатории, где фиксируются колебания электрического тока. Сегодня через кабель в компьютер передается последовательность цифр. Но в шестидесятые годы вычислительные машины были аналоговыми, и Белл приходилось внимательно изучать километры нарисованных красными чернилами закорючек на непрерывно выползающей из ее самописца узкой ленте миллиметровой бумаги^18. На выставке в старой аппаратной вблизи поля, где раньше располагалась матрица, можно увидеть несколько таких бумажных рулонов. Белл одна просматривала и разбирала эти данные, поскольку, как она предполагает, с точки зрения научной значимости тема не считалась настолько важной, чтобы привлечь к работе над ней еще и других магистрантов. По словам Белл, это было утомительно и занимало много времени. Она добавляет: “Я не успевала уследить за всем. Я отставала”.

Чтобы обнаружить сцинтилляции и, следовательно, квазар, Белл приходилось внимательно следить за изменениями интенсивности флуктуаций. Она должна была удостовериться, что закорючки на ленте самописца действительно означают радиоволны, распространяющиеся от далекого источника, а не помехи, созданные работающим поблизости трактором или проехавшей машиной. Они тоже могут выглядеть как радиоволны, но закорючки, связанные с космическими источниками, выглядели как специфическая интерференционная картина: два небольших выступа по бокам и большой выступ посередине. Их прозвали “чадами”. Название позаимствовали из мультфильма времен войны, где персонаж по имени Чад выглядывал из-за стены, откуда торчали только его руки и голова с носом и черными глазами. Он интересовался сахаром, яйцами или другими исчезнувшими из продажи продуктами.

Хьюиш предложил Белл сделать карту неба, где можно отмечать мерцающие источники. Каждый раз, увидев такой источник, она должна вручную поставить на этой карте крестик. Если источник появляется на том же месте каждую неделю, она будет знать, что это реальный источник – квазар. Белл перестраивала карту каждую неделю, для чего ежедневно анализировала сотни метров бумаги с непрерывно поступающими от телескопа данными.

6 августа 1967 года на ленте самописца длиной около 120 метров Белл заметила удивившую ее закорючку. Эту закорючку размером полсантиметра она назвала “загривок” и, пометив ее вопросительным знаком, перешла к следующему участку ленты. Однако она понимала, что, хотя ее “загривок” был где-то далеко-далеко, выглядел он как источник сильной сцинтилляции на участке неба, заметно удаленном от Солнца. Но это явно было не межпланетное мерцание.

Весьма любопытно, что всякий раз, когда Белл видела этот сигнал, казалось, он исходит из одного и того же места на ночном небе. Поскольку сцинтилляция – явление, связанное с Солнцем, обычно оно наблюдается в течение дня. И Белл сознательно выбрала для исследований эту область неба: она ненавидела поздно ложиться спать. Странно и то, что “загривок” никогда не воспроизводил все три составляющих интерференционной картины “чада”. Иногда вспышка была одноминутной, иногда двухминутной, но трехминутной – никогда.

Хьюиш, научный руководитель Белл, не слишком пристально следил за ее работой, надеясь, что она справится сама. Но если что-то шло не так, он приходил на помощь. Когда Белл поняла, что раз за разом этот странный сигнал приходит из одного и того же места на небе, она обратилась к Хьюишу.

Хьюиш и сам был заинтригован. Он решил продолжить наблюдения, ускорив движение ленты самописца, чтобы увеличить масштаб изображения. Хьюиш считал, что сигнал надо растянуть так, чтобы он занимал больше шести миллиметров, и тогда станет возможно исследовать его структуру. Ежедневно какую-то часть дня Белл сражалась с ускоренным самописцем, но заставить его работать без остановки не могла: быстро заканчивалась бумага. Еще больше ее расстраивало то, что этот сигнал оказался капризным – целый месяц, именно в те часы, когда она вела наблюдение, источник “скромничал” и не показывался. Похоже было, что он исчез навсегда. Белл уже почти потеряла надежду его увидеть, когда наконец, 26 ноября, этот источник объявился вновь^19. Он здесь, это не наваждение! На следующий день Белл увидела, что его период пульсаций составляет 1,33 секунды, что слишком мало для звезды. Может, этот источник искусственный?

Теперь Хьюиш и Белл предстояло решить сложную задачу. Перед тем как объявить об открытии нового источника радиоизлучения, необходимо исключить все возможные помехи. Ошибка, безусловно, повредила бы их репутации. “Мы потратили много времени, чтобы установить какие-то основные факты, относящиеся к этому объекту. Но еще мы пытались отыскать что-то, что указывало бы на его искусственное происхождение и могло бы объяснить такой сигнал”, – рассказывает Белл. Эта закорючка на ленте самописца действительно выглядела как какое-то постороннее вмешательство. Она была странным образом привязана к звездному времени – системе измерения времени, которую используют астрономы для точного определения местоположения объектов на небе. Эта система связана с вращением Земли относительно звезд, благодаря чему звездные сутки чуть короче обычных – они составляют 23 часа 56 минут. Новый пульсирующий сигнал регистрировался в одно и то же время звездных суток. Белл вспоминает: “Я помню, мы пытались понять, может ли быть на орбите спутник, появляющийся каждые 23 часа 56 минут, но стабильную орбиту, по которой он мог бы летать, найти не смогли”.

После того как стало ясно, что сигнал в течение нескольких месяцев регулярно регистрируется в соответствии со звездным циклом (каждый день раньше на четыре минуты и на двадцать восемь минут раньше каждую неделю), они поняли, что это не помехи, связанные с тем, что “случайный человек проезжает по дороге на старом автомобиле”. “Это не совпадает с режимом работы людей”, – говорит Белл. Хьюиш даже написал во все обсерватории Англии, интересуясь, не запускали ли они, начиная с августа, какие-нибудь программы, способные привести к подобным помехам. Все ответили: нет. И поскольку этот “чад” не был полностью симметричным, возникло предположение, что странный сигнал проходит через телескоп с той же скоростью и приходит оттуда же, откуда и сигналы от квазаров, которые они искали.

Тогда Хьюиш и Белл попросили своих коллег Пола Скотта и Робина Коллинза проверить, удастся ли им с помощью своей аппаратуры зарегистрировать тот же сигнал. Сначала из-за ошибки в расчете времени прохождения источника через поле зрения их аппаратуры они этот сигнал не увидели. Но в конце концов и они зарегистрировали этот объект, доказав тем самым, что обнаруженный сигнал – не результат аппаратной ошибки^20.

Несколько недель Хьюиш и Белл ни одной живой душе не рассказывали об этой странной закорючке. О ней не знал никто, кроме очень узкой и сплоченной команды. Даже Лонгейр, кабинет которого находился рядом с кабинетом Хьюиша и который вместе с ним часто присутствовал на одних и тех же совещаниях, не имел ни малейшего представления об этом открытии. “Ходили слухи, что открыто нечто необычное, но о чем идет речь, не знал никто”, – вспоминает Лонгейр. Он рассказывает, что секретность частично объяснялась настороженным отношением участников этой группы к теоретикам. Они опасались, что теоретики без разрешения воспользуются этими данными до того, как они сами успеют их проанализировать. Но главным образом они хранили все в секрете, поскольку хотели убедиться, что все правильно, и исключить все возможные источники помех и вмешательства извне.

Для измерения расстояния до источника исследователи воспользовались явлением, которое называется дисперсией. Когда радиосигнал распространяется через межзвездное пространство, он постоянно сталкивается с движущимися вокруг него свободными электронами. Испущенный сигнал состоит из волн разной частоты, и, хотя все волны “стартуют” одновременно, столкновения воздействуют на них по-разному. Волны большей частоты распространяются почти без задержки, тогда как волны меньшей частоты запаздывают и достигают телескопов несколько позднее. Белл рассказывает, что уже тогда астрономы смогли оценить число электронов по времени запаздывания между регистрируемыми всплесками; расстояние до источника оказалось равным примерно 65 парсек (около 200 световых лет)[7]. На этом основании она и ее коллеги поместили источник внутрь Млечного Пути, но вне Солнечной системы, в направлении созвездия Лисичка^21.

Было ясно, что сигнал приходит из космоса. Могут ли его посылать инопланетяне? А что, если где-то есть внеземная цивилизация, посылающая нам сигнал из далекого далека? Вся команда долго и напряженно над этим размышляла. Конечно, такую возможность они могли предусмотреть. И все же, если это инопланетяне, живущие на планете, обращающейся вокруг звезды, должны быть видны изменения в пульсациях, связанные с движением их планеты по своей орбите. Но никаких изменений они не видели. Уже наступил декабрь, а группа все обсуждала, как публиковать статью и следует ли в ней упоминать об инопланетянах. Белл совсем не была в восторге от того, что кучка инопланетян может связаться с Землей и отобрать у нее диссертацию. В конце концов, до защиты оставалось всего полгода^22. С какой стати, рассуждала она раздраженно, “маленькие зеленые человечки будут с помощью какого-то дурацкого устройства посылать сигналы на столь малоприметную планету?”

Еще Хьюиш и Райл были озабочены риском массовой паники, если объявить всему миру о послании, полученном от инопланетян. “Обнаружив что-то в этом роде, не следует ли сначала обратиться в министерство обороны? – спрашивает себя Лонгейр. – Или, возможно, этот сигнал представляет собой потенциальную угрозу со стороны враждебного государства, ведь, в конце концов, шла холодная война… Имеет ли он значение для национальной безопасности? Тогда к таким вопросам относились очень серьезно”.

Раздосадованная отсутствием единого мнения о природе этого странного источника, 21 декабря, незадолго до отъезда домой на Рождество, Белл еще раз зашла в лабораторию. Вечер только начинался, и она хотела отдать долги – просмотреть графики на лентах самописцев, продолжавших двигаться со скоростью около тридцати с половиной метров в день. Ближе к десяти часам вечера, как раз перед закрытием лаборатории, она ахнула: на ленте был кусочек закорючки, похожей на первую – на “загривок”. Но теперь источник находился в совсем другом месте, как раз напротив[8] Кассиопеи А – остатка сверхновой в созвездии Кассиопея и очень яркого радиоисточника. Паразитные сигналы от Кассиопеи А затрудняли наблюдение. Заинтригованная, Белл пошла к радиотелескопу, чтобы контролировать наблюдения в то время, когда эту часть неба будет видно лучше всего. Она добралась до поля в два часа пополуночи. Стояла морозная звездная ночь. Приемник телескопа из-за холода работал плохо. Белл вспоминает, что выругала приемник и подышала на него. Ей удалось заставить его проработать пять минут, но и этого оказалось достаточно, чтобы обнаружить еще одну, длившуюся 1,19 секунды последовательность всплесков. Новый пульсирующий источник был очень похож на первый, но располагался в совсем другой части неба. Белл почувствовала невероятное облегчение – теперь, здесь и сейчас, она уже точно знала, что это не сигналящие инопланетяне: маловероятно, что два их племени будут почти одновременно посылать сигналы из разных концов Галактики. “Можно один раз столкнуться с чем-то странным, с необычной аномалией, но, когда обнаруживаешь ее дважды, понимаешь, что это не аномалия, а что-то совсем новое, – говорит Белл. – Еще непонятно, что это такое, но абсолютно ясно, что мы имеем дело с астрономическим объектом нового типа”.

Вскоре состоялась помолвка Белл, а в начале января, возвратившись в лабораторию после каникул, она обнаружила третий и четвертый сигналы. В феврале ученые подготовили статью и представили ее в научный журнал Nature^23. За несколько дней до публикации статьи, в конце февраля 1968 года, вспоминает Лонгейр, Хьюиш сделал доклад на семинаре. Хьюиш признался, что и сам не знает, что это за сигнал. Самое приемлемое объяснение, которое Хьюиш мог дать ошеломленной толпе, что этот источник – пульсирующий белый карлик.

Статья вышла в конце февраля. Авторы очень осторожно высказывались о природе пульсирующего сигнала из космоса. Журналисты пришли в еще большее возбуждение, узнав, что открытие сделал студент и, более того, этот студент – девушка. В то время женщин-физиков было еще меньше, чем сегодня, а до 1948 года женщины вообще не могли быть полноправными членами Кембриджского университета. Белл фотографировали сидя, стоя, в лаборатории, где она якобы внимательно изучает какие-то научные документы. Один журналист даже попросил Белл пробежаться, размахивая руками и изображая радость, ведь она как-никак только что сделала открытие! Ей задавали, как казалось журналистам, самые уместные вопросы. Например, они спрашивали, выше ли она принцессы Маргарет и сколько у нее любовников^24. Хотя, возможно, средства массовой информации больше внимания уделяли Белл, а не Хьюишу, номинантом на Нобелевскую премию по физике стал руководитель. Совместно с Райлом Хьюиш получил эту премию в 1974 году.

“Я думаю, сегодня, вероятно, все сложилось бы по-другому”, – мягко говорит Белл и отворачивается. На протяжении многих лет она старалась привлекать женщин к занятиям наукой, содействовать тем из них, кто занимается точными науками и математикой, разрабатывает новые технологии или стал инженером-конструктором. “Сегодня женщина – научный работник – явление вполне обычное, но ситуация еще не совсем нормальная”, – говорит Белл. Вскоре после защиты диссертации она вышла замуж и уехала с мужем, который, будучи госслужащим, часто менял место жительства. Белл перестала заниматься пульсарами, но науку не бросила. Переключившись на рентгеновскую астрономию, Белл вошла в рабочую группу британско-американской орбитальной рентгеновской обсерватории Ariel 5. Хотя Нобелевский комитет обошел Белл стороной, ей вручили многочисленные награды, включая премию по фундаментальной физике за 2018 год[9]. С 2002 по 2004 год Белл была президентом Королевского астрономического общества. Прошло много десятилетий, а Белл все еще часто приглашают в качестве докладчика на многие международные конференции по всему миру.

Сразу после публикации 24 февраля 1968 года статьи Белл и Хьюиша исследователи по всему миру бросились выяснять, что же было источником этих таинственных пульсаций. Нейтронные звезды не были в приоритете у Белл и Хьюиш: они подозревали белые карлики. Но ученые знали, что период одного из источников 0,25 секунды слишком мал для белых карликов. “На это возразить нечего, – рассказывает Лонгейр, – нельзя заставить белые карлики вращаться так быстро”.

И все же колебания белого карлика нельзя было исключать, и поэтому в своей статье “Наблюдение быстро пульсирующего радиоисточника” Хьюиш и его команда в порядке рабочей гипотезы указали на то, что пульсации, которые они видели, могут быть результатом колебаний или белого карлика, или нейтронной звезды^25.

Название “пульсар” появилось несколько позже, только через несколько недель после этой публикации. Энтони Михаэлис, научный корреспондент газеты Daily Telegraph, спросил Хьюиша, как он предполагает назвать эти новые звезды, и продолжил: “Поскольку они пульсируют, может, название «пульсар» подойдет?” Хьюиш ответил: “Да, вполне подходит”. Михаэлис это запомнил, и 5 марта 1968 года в своей статье написал, что название “пульсар” (“пульсирующая звезда”), скорее всего, закрепится за этим новым небесным объектом^26.

Но присвоение имени – не решение основной проблемы. Что же такое эти новые пульсирующие звезды? Нейтронные звезды вполне могли бы быть подходящими кандидатами, но тогда никто не верил, что их когда-нибудь удастся обнаружить. Теория предсказывала: мало того, что эти звезды должны быть крохотного размера – диаметром со средний по величине город, – они еще не должны излучать тепло, а значит, их чрезвычайно сложно обнаружить, по крайней мере в оптическом или радиодиапазоне.

Дело не в том, что никто не искал пульсирующие источники радиоволн. В 1951 году на заседании Королевского астрономического общества в Лондоне австрийский астрофизик Томас (Томми) Голд сделал доклад, называвшийся “Происхождение космического радиошума”, в котором говорил о возможности существования таких объектов. Но его никто не услышал. А совсем незадолго до того, как Белл обнаружила эту свою первую закорючку на, казалось, нескончаемо выползающей из самописца ленте, астрофизик Франко Пачини, работавший тогда в Корнеллском университете, представил статью в журнал Nature, где описал модель вращающейся и пульсирующей нейтронной звезды. Эта статья была опубликована в ноябре 1967 года, именно тогда, когда кембриджская группа хранила свое открытие за семью печатями. Пачини предположил, что из быстро вращающейся нейтронной звезды с магнитным полем должен вырываться доступный наблюдению узконаправленный поток излучения. Он также писал, что это излучение может исходить от вещества, оставшегося после взрыва сверхновой вокруг нейтронной звезды. Цвикки еще в 1933 году первый говорил о чем-то подобном^27.

Открытие Белл, о котором стало известно через несколько месяцев после публикации статьи Пачини, произвело эффект разорвавшейся бомбы. Голд счел, что он реабилитирован, и независимо от Пачини предложил объяснение нового открытия на основании своей гипотезы о природе пульсирующих источников радиоволн. Он полагал, что странные пульсации появляются из-за вращения нейтронной звезды. Согласно Голду, регулярные пульсации связаны с тем, что находящееся в состоянии плазмы вещество магнитосферы (он ввел этот термин) нейтронной звезды разгоняется до скорости, сравнимой со скоростью света. Это происходит как вследствие высокой скорости вращения, так и из-за сильного магнитного поля нейтронной звезды. Однако, как и в 1951 году, в 1968-м научное сообщество неодобрительно восприняло теоретические построения Голда. Его доклад даже не приняли на первую научную конференцию по пульсарам, состоявшуюся в мае 1968 года в Нью-Йорке. Члены оргкомитета, по их собственному выражению, решили, что таким образом они воспрепятствуют распространению всяких нелепых теорий. Голд приводит их ответ в своих воспоминаниях: “Ваше предположение настолько безосновательно, что, если мы примем ваш доклад, конца не будет другим, столь же безумным работам, которые мы будем вынуждены принять”28.

Эта конференция проходила 21 и 22 мая. На той же неделе Голд послал свою статью в Nature, где она и была опубликована 25 мая. Похоже, редактор Nature разбирался в этом вопросе лучше, чем организаторы конференции. В самом деле, уже через два месяца в созвездии Паруса и в Крабовидной туманности астрономы обнаружили два новых пульсара. Это стало наглядной демонстрацией явной связи между нейтронной звездой и взрывом сверхновой (см. главу 3). Кроме того, при изучении пульсара в Крабовидной туманности стало ясно, что интервал между пульсациями хотя и очень понемногу, но увеличивается со временем. Это означает, что пульсар замедляется. И еще это означает, что он вращается. До этого открытия не было понятно, вращаются нейтронные звезды или колеблются. Если что-то, например такие звезды, как белые карлики, колеблется, со временем колебания становятся все быстрее и быстрее. Очевидно, новые замедляющиеся объекты – это не белые карлики, а, скорее всего, вращающиеся нейтронные звезды. Пожалуй, пульсар в Крабовидной туманности остается самым известным пульсаром, ярко сверкающим в своей великолепной резиденции.

После открытия Белл астрономы по всему миру прильнули к своим телескопам. Намереваясь оставить свой след в этой новой, увлекательной области радиоастрономии, они пытались обнаружить на небе новые пульсары. Несколько десятилетий радиотелескоп обсерватории Parkes в штате Новый Южный Уэльс в Австралии был одним из лучших инструментов для открытия пульсаров. Кроме того, этот радиотелескоп знаменит еще и тем, что 20 июля 1969 года его радиоантенна в числе немногих других оказалась способна принять сигнал прямой телевизионной трансляции посадки на Луну “Аполлона-11”29.

Поэтому я решила, что теперь следует направиться в обсерваторию Parkes. Справившись с чем-то вроде ностальгии, я оставила сельский Кембриджшир и заброшенную “Межпланетную сцинтилляционную матрицу”, где когда-то молоденькая Джоселин Белл безбоязненно взяла в руки кувалду, чтобы построить радиоастрономию будущего.

Добраться до Parkes не так-то просто: как и большинство крупных телескопов, он располагается в безлюдном месте. Из Мельбурна я ехала на машине вместе с Мэтью Бейлзом и его магистрантом Рене Спиваком, начинающим астрономом из Висконсина. Он получил домашнее образование и надеется повторить судьбу Джоселин Белл. Еще с нами в машине – юное дарование, двенадцатилетний Рудра Сехри. Мальчик слушает летний курс физики в университете, написал четырехсотстраничную книгу о новых технологиях и ради удовольствия преобразовывает излучение пульсаров в музыку. Про гравитационные волны он знает больше, чем большинство людей когда-либо будут знать. Недавно он попросил у Бейлза разрешение время от времени приезжать в Технологический университет Суинберна, чтобы поработать с архивом данных о пульсарах. Рудра радуется поездке, хотя добираться предстоит двенадцать часов.

Бейлз может без конца рассказывать про пульсары, и, если, конечно, вы увлекаетесь радиоастрономией, это делает длинную поездку достаточно интересной. В субботу, в конце дня, мы наконец добираемся до небольшого городка Паркс, где проживает одиннадцать с половиной тысяч человек. Я в восторге. Для меня эта поездка вроде запоздалого подарка на день рождения. Сам день рождения я отметила в воздухе, во время полета в Мельбурн, совсем одна. Бейлз считает, что, появись мы здесь лет на десять раньше, остались бы тут, вероятно, навсегда. В его голосе тоска по прошлому. По словам Бейлза, в то время здесь было гораздо интереснее. Он вспоминает, как чувствовал себя участником необыкновенного приключения, говорит о том волнении, которое испытывал, когда работал непосредственно на этом потрясающем инструменте, улавливающем сигналы из космоса. Сегодня все наблюдения ведут удаленно. Можно остаться дома и, сидя на диване в пижаме, управлять радиотелескопом с помощью персонального компьютера.

Наскоро поужинав, мы переночевали в небольшом мотеле, где обычно останавливаются редкие астрономы, все еще приезжающие сюда. На следующее утро нас ждала двадцатиминутная поездка к “Тарелке”. Это прозвище, которым австралийцы наградили радиотелескоп Parkes после выхода в 1999 году фильма, рассказывающего историю о том, как обсерватория помогла НАСА ретранслировать сигналы при высадке астронавтов на Луну. Бейлз говорит, что после выхода фильма число посетителей возросло до небес. Австралийцы любят свою “Тарелку”, и многие посетители интересуются: действительно ли можно играть на “Тарелке” в крикет, как это показано в фильме? Ответ короткий: “Нет”. Это комбинированные съемки: снимали только мяч, а актеры даже не приближались к “Тарелке”. И, чтобы не повредить чувствительную поверхность телескопа, использованный в фильме мяч сделали мягким.

Я заметила Parkes за несколько миль: его огромный отражатель сверкал в лучах палящего австралийского солнца. Вблизи телескопа неукоснительно должен соблюдаться режим радиомолчания, поэтому все телефоны следует перевести в режим полета. Это требование раз за разом неизменно повторяется во всех обсерваториях, куда я ездила, чтобы написать эту книгу. Оно призвано минимизировать помехи наземных источников, способные замаскировать подлинные космические сигналы, что затруднило бы астрономам поиск новых объектов и даже могло бы ввести их в заблуждение. Когда мы въехали в небольшие ворота, спугнув стаю розовых какаду, взмывших с ветки низенького дерева высоко в небо, Бейлз неожиданно повернул влево, в направлении, противоположном “Тарелке”. На знаке, размещенном на фонарном столбе, я прочла: “Наблюдательный пункт”. “В восьмидесятых я торчал здесь неделями”, – говорит Бейлз. Сейчас уже не так. По его словам, сегодня он приезжает сюда очень редко, когда надо показать станцию гостям вроде меня или привезти сюда своих магистрантов, чтобы для них радиоастрономия стала чем-то более реальным. Последний раз наблюдатели были здесь около десяти лет назад.

А тогда, в восьмидесятые, рассказывает Бейлз, астрономы, приезжавшие в Parkes, бронировали жилье заранее. Обедали они тоже здесь, а у кухарки Джанет, достаточно твердой и непреклонной австралийки, имелись свои собственные представления о том, как должны питаться ученые. “Ее панически боялись, – рассказывает Бейлз. – Никто не осмеливался разгневать ее и опоздать к столу”. Однажды Бейлз и несколько его коллег-астрономов забронировали жилье, но забыли предупредить, что не явятся к обеду. Приехав поздно, они обнаружили оставленный им остывший обед, который следовало разогреть. “Мы знали, что, если не съедим его, Джанет убьет нас”, – вспоминает Бейлз. На следующее утро, до того как появились повара, один из исследователей, в тот же день уезжавший в Сидней, взял мусорный пластиковый мешок, свалил в него все обеды и выбросил за двадцать километров от наблюдательного пункта. “Осмелиться оставить обед Джанет было невозможно”, – усмехаясь, добавляет он.

Не только Бейлз с грустью вспоминает о тех далеких днях. Когда мы наконец подъехали к телескопу, нас приветствовал среднего роста человек с широкой улыбкой. На его каске бейдж – Джон Саркисян. Официальная должность Саркисяна – операционист. Он один из немногих сотрудников, работающих здесь изо дня в день. Позже Джон мне расскажет, как скучает по тем дням, по голосам астрономов, не стихающим в аппаратной, по дружеским соревнованиям в “беге по тарелке”. Он помнит, как в любое время дня и ночи они без шлемов или какой-то другой защитной экипировки лазали вверх и вниз по узеньким лесенкам, чтобы вручную поменять приемник на самом верху “Тарелки”, в кабине фокусировки, расположенной примерно в пятидесяти метрах над землей. В то славное время один инженер, Гарри Фэгг, хвастал, что может совершить восхождение на “Тарелку” за три минуты, смеется Саркисян. Теперь же всем управляет компьютер.

“Осторожно! Кенгуриный навоз!” – предупреждает Саркисян. Оказалось, здесь и в самом деле пасется стадо кенгуру: большие, мощные самцы, с которыми не хотелось бы встретиться на ринге, грациозные самки – они поменьше, и у некоторых из них в сумках очаровательные детеныши, неуклюжие кенгуру-подростки с длинными ногами и еще не до конца сформировавшимся телом. По словам Саркисяна, змеи здесь тоже есть – три самых смертоносных в мире: восточная коричневая, западная коричневая и королевская коричневая. Ничего себе соседи! Затем мы надеваем шлемы, чтобы прямо под отражателем пройти в аппаратную.

Несмотря на то что оборудование совершенно новое, здесь, в круглой башне, поддерживающей аппаратную, пахнет историей. В обязанности Саркисяна входит помощь НАСА: он следит за космическим зондом “Вояджер-2”, который всего несколько недель назад, 10 декабря 2018 года, вошел в межзвездное пространство и присоединился к своему зонду-близнецу “Вояджер-1”. Эти два зонда, в течение последних четырех десятилетий сражающиеся с бескрайними просторами космоса, все еще находятся в рабочем состоянии. “Видите этот красный пик? – говорит мне Саркисян, указывая на экран своего компьютера. – Это «Вояджер» прощается с нами”.

Хотя Parkes и CSIRO[10], его головная организация со штаб-квартирой в Сиднее, не входят в Сеть дальней космической связи НАСА, они часто оказывают американцам необходимую помощь. Все-таки достаточно долго Parkes с его шестидесятичетырехметровым отражателем-тарелкой оставался самым большим полноповоротным радиотелескопом в Южном полушарии. Позднее НАСА построило вблизи австралийской столицы Канберра свой собственный отражатель, размер которого на шесть метров превышает размер “тарелки” Parkes. И все же Parkes остается важнейшим инструментом для ряда космических миссий, от посадки кораблей “Аполлон” на Луну до отслеживания марсоходов и наблюдения за зондом Huygens во время его спуска на Титан – самый большой и таинственный, богатый углеводородами и другими органическими соединениями спутник Сатурна.

И конечно, с 1961 года, с момента начала работы Parkes, на нем проводились радиоастрономические исследования. После того как Белл обнаружила пульсар LGM-1 (LGM – аббревиатура английского выражения little green men, что значит “маленькие зеленые человечки”) и ее открытие подтвердилось, “Тарелка” стала прекрасным инструментом, позволяющим отыскивать и изучать пульсары. Больше половины известных сегодня пульсаров обнаружены с помощью Parkes и радиотелескопа Lovell обсерватории Джодрелл-Бэнк на северо-западе Англии. Одним из достижений Parkes стало открытие первого внегалактического пульсара PSR В0529-66 в Большом Магеллановом Облаке – карликовой галактике, спутнике нашего Млечного Пути. Еще четыре таких пульсара были обнаружены несколькими годами позже: один в Малом Магеллановом Облаке, два в Большом Магеллановом Облаке и еще один неподалеку. А после того, как на Parkes установили современный многолучевой приемник, позволяющий обследовать большую площадь неба, в 2001 году астрономы обнаружили еще тринадцать пульсаров. (Более подробно о многолучевых приемниках см. в разделе “Чуть глубже: Многолучевой приемник” в главе 4.) Еще одно важное достижение многолучевых исследований Parkes — открытие двойного пульсара PSR Jo737-3039А/В. Это единственная система, состоящая из двух пульсаров, обращающихся вокруг общего центра масс. Их столкновение неизбежно. Журнал Science отметил обнаружение этого пульсара как одно из десяти наиболее важных научных открытий 2004 года^30.

Аппаратная располагается непосредственно под тарелкой. Взглянув на стоящий здесь компьютер, Бейлз увидел, что удаленно, из Сиднея, ведет наблюдения ветеран исследования пульсаров— астроном из CSIRO Дик Манчестер^31.

“От Дика мы получили разрешение вести наблюдения”, – говорит Бейлз. По голосу слышно, что Бейлз слегка нервничает, но потом он полушутливо добавляет: “Ты всегда должен чуть-чуть побаиваться своего руководителя. Мне уже больше пятидесяти, он перестал быть моим руководителем в 1989 году, но, когда Дик предлагает мне что-то сделать, я говорю себе: «Ну, это-то я должен сделать»”.

Позднее в тот же день Саркисян пригласил меня на сюрреалистическую прогулку по гигантской тарелке Parkes. Его коллега опустил тарелку как можно ниже, так что ее край почти коснулся земли. Ступив на нее, я не могла отделаться от мысли, что вхожу в большую металлическую супницу. В феврале палящая австралийская жара делала такое сравнение еще более уместным. Вот только, к счастью, жар шел сверху, а не снизу. Оператор телескопа начал медленно поднимать тарелку Parkes все выше и выше над вершинами деревьев, и наконец мы остановились. Теперь наша “супница” была полностью горизонтальна и напоминала тянущийся к солнцу футуристический цветок. Я подошла к одной из тех лестниц, по которым десятилетиями карабкались вверх астрономы: нахлынувшие чувства оказались не сравнимы ни с какими острыми ощущениями, когда-либо мной испытанными.

Наступили сумерки, солнце медленно становилось красным, и тут появились птицы. Десятки, сотни птиц: большие белые какаду с желто-зелеными хохолками, яркие розовые какаду, нахальные птицы-апостолы, вороны-флейтисты, белокрылые сорочьи жаворонки и более привычные австралийские сороки. В это время суток телескоп принадлежит им. Вокруг прыгает множество кенгуру, со своими хвостами и мощными ногами напоминающие ископаемых ящеров из “Парка юрского периода”. Еще несколько мгновений – и солнце опускается за горизонт. Мы выходим из “Тарелки”. Время уезжать отсюда. Прощай, Parkes.

Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд

“Ну надо же, это не сон! Я измеряю пульсации, которым потребовались тысячи лет, чтобы добраться до нас”, – думал Джеймс Корд, глядя на экран стоящего перед ним осциллографа. Всплеск-всплеск-всплеск – пошел сигнал, напоминающий отклоняющуюся то вверх, то вниз зигзагообразную линию на экране монитора сердечного ритма. Он видел мигающий вдалеке космический маяк – быстро вращающуюся нейтронную звезду, погруженную в разреженную среду ионизированного газа и пыли. Это так называемая межзвездная среда, которая заполняет пространство между всеми звездами (и нейтронными тоже). Хотя мы уже знаем кое-что об окружении звезд, межзвездная среда все еще полна тайн.

Это было в 1972 году. Тогда Корд впервые оказался среди тропических лесов Пуэрто-Рико. Отведя взгляд от осциллографа, он посмотрел в большое окно: прямо перед ним, в нескольких десятках метров, был виден гигантский отражатель-тарелка телескопа обсерватории Аресибо. “Вы можете видеть события, происходящие в межзвездной среде, и на подсознательном уровне возникает какое-то чувство… Тогда оно каким-то образом связало меня с ней – просто я знаю, что со мной это случилось”, – говорит он, сидя в своем кабинете в Корнеллском университете. Этого занимающегося пульсарами астронома тогда так заинтересовало воздействие межзвездной среды на сигналы, испускаемые пульсарами, что он с тех пор занимается именно этим.

В десятилетнем масштабе времени пульсары – сверхточные часы. Они настолько надежны, что рассматривается возможность использовать их как радиомаяки для космических полетов. Например, невероятно быстро вращающиеся миллисекундные пульсары совершают сотни оборотов каждую секунду. Благодаря огромной скорости вращения и большой массе их трудно замедлить, а значит, их периодические вспышки чрезвычайно точны. Даже за миллиарды лет они замедляются всего на несколько миллисекунд, а значит, последовательность посылаемых ими импульсов остается неизменной неопределенно долго. Поскольку пульсары столь “надежны”, даже малейшее изменение их поведения может указывать на изменение окружающей обстановки – межзвездной среды вблизи нейтронной звезды.

Многие думают, что межзвездная среда представляет собой идеальный вакуум, но это не так. Она состоит из движущихся заряженных электронов и протонов, примерно по одному на каждый кубический сантиметр. Кроме того, межзвездная среда намагничена: ее всепроникающее магнитное поле разной напряженности можно обнаружить везде в космосе. В среднем магнитное поле межзвездной среды составляет несколько микрогауссов – около одной миллионной напряженности магнитного поля на поверхности Земли. Магнитное поле томографа – около 10 тысяч гауссов. На другом полюсе – магнитное поле средней нейтронной звезды, его напряженность порядка 10^12(одного триллиона) гауссов. Это поле столь велико, что находящиеся в нем атомы вытягиваются вдоль магнитных силовых линий, приобретая форму цилиндров.

Пульсар – источник излучения в очень широком диапазоне частот по всему электромагнитному спектру. У волн высокой частоты очень короткие длины, поэтому они хуже рассеиваются частицами плазмы и легко проходят через межзвездную среду. Волны более низкой частоты, сталкиваясь с электронами, отстают и в результате доходят до телескопа позднее. Это явление называется дисперсией. Различие во времени регистрации волн разной частоты зависит от числа электронов между наблюдателем и пульсаром. Задержка низкочастотных волн может составлять примерно одну секунду. В случае пульсара, находящегося на расстоянии тысячи световых лет от нас (значит, его пульсациям требуется тысяча лет, чтобы мы могли их зарегистрировать), задержка в одну секунду может показаться пренебрежимо малой. Но, когда ученый изучает пульсар, ему необходимо сделать поправку на этот эффект, чтобы иметь возможность учесть все частоты излучения согласованно.

Измерение дисперсии показывает астрономам, сколько электронов заполняет межзвездную среду между нами и пульсаром, что, в свою очередь, указывает на расстояние до него. Чем дальше пульсар, тем через большее число электронов приходится “пробиваться” излучению, а это значит, что дисперсия – или разброс во времени регистрации сигналов разных частот – тоже будет больше^32.

Речь идет не только о подсчете блуждающих в космосе электронов. Поняв свойства межзвездной среды, ученые смогут пролить свет на образование и эволюцию звезд и галактик. Если, наблюдая определенный пульсар, они через год увидят, что дисперсия его излучения изменилась, значит, в этой области изменилось содержание электронов, поскольку там имеются области турбулентности. Сцинтилляция (или мерцание) радиоволн дает астрономам возможность исследовать, как движутся сгустки вещества между нами и пульсаром. “Радиомерцание можно измерить, – говорит Корд, – а затем мы ставим вопрос так: хорошо, какая турбулентность межзвездной среды способна привести к такому эффекту? – и решаем обратную задачу”.

В августе 2012 года межзвездная среда на короткое время попала на первые полосы газет. Это случилось тогда, когда космический зонд “Вояджер-1”, запущенный еще в 1977 году, покинул Солнечную систему и направился в холодное безмолвное пространство между звездами. 5 ноября 2018 года к нему присоединился его зонд-близнец “Вояджер-2” – аппарат, который Джон Саркисян с помощью Parkes все еще видит время от времени. На случай встречи с инопланетянами оба зонда несут позолоченную пластинку с аудио- и видеоинформацией о нашем мире. “Вояджер-1” не может измерять свойства межзвездной среды – его детектор плазмы поврежден, но второй космический аппарат пять лет спустя спас положение. Оказалось, межзвездная плазма плотнее, но холоднее и движется медленнее, чем плазма внутри гелиосферы – области пространства, окружающей Солнце^33.

Глава 3

Когда взрываются звезды

Я стою посреди бесконечного цветочного ковра, выдержанного в завораживающих фиолетовых и розовых тонах. Он тянется до виднеющихся на горизонте гор со снежными вершинами. Вообще-то здесь пустыня, но после редкого в этих местах короткого ливня цветы повсюду. Трудно поверить, что это одно из самых засушливых мест на Земле.

Чилийская пустыня Атакама тянется на тысячи километров через засушливое и пустынное высокогорное плато. С запада она ограничена Тихим океаном, с востока – Андами. Старейшая пустыня Земли занимает 105 тысяч квадратных километров. По пустыне разбросано небольшое число шахтерских поселков. Населяющие их люди добывают медь из охряно-красной каменистой земли. Там и здесь дорога проходит мимо покинутых людьми деревень-призраков: глазницами выбитых окон дома вглядываются в нескончаемые просторы этой земли.

Вероятно, в этой пустыне самое привлекательное для туристов место – городок Сан-Педро-де-Атакама. Его побеленные дома служат базой для экскурсий на расположенные неподалеку солончаки и соляные озера. Когда мы ехали из аэропорта Эль-Лоа вдоль Панамериканского шоссе, я заметила, что в пустыне практически нет песка. Да, несколько песчаных дюн в Атакаме есть, но они расположены не вдоль шоссе. Я слышала, что дюны популярны у туристов, приезжающих в Сан-Педро. К подножью дюн туристические группы прибывают на микроавтобусах. Любители подобных развлечений, набрав изрядно песка в туфли и носки, забираются под палящим солнцем на самый верх и скатываются вниз на сэндбордах – впечатлений хватает на всю жизнь.

Здесь, в этом труднодоступном месте, практически ничего не растет за пределами поселка. Кое-где годами не бывает ни капли дождя. В центре пустыни дождя не было полстолетия. Когда же в 2017 году на пустыню наконец обрушился ливень, астробиологи обнаружили, что он уничтожил практически все живущие здесь микроорганизмы^1. Мы миновали громадные, высокие, как горы, нагромождения скал. Они выглядят так, будто только что окончилась снежная буря. На самом же деле эти скалы покрыты соляной коркой. Ландшафт Атакамы старый. По геологической шкале времени большинство скал на поверхности Земли достаточно молоды: им порядка сотен тысяч или нескольких миллионов лет, а возраст некоторых скал Атакамы – около пятнадцати миллионов лет. Но не геология, а астрономия привела меня в эти места.

По огромному пустынному пространству Атакамы разбросаны несколько больших обсерваторий. Благодаря уединенности и необычной географии это одно из лучших мест на Земле для наблюдения звезд. Здесь все большие города так далеки, что о засвечивании ночного неба искусственными источниками света и радиоволнами можно не беспокоиться. Тучи тоже редкие гости атакамского неба, и, учитывая высоту этого места, небесные тела видны здесь максимально четко, лучше только из космоса. Эти условия прекрасно подходят для оптических телескопов, таких как Very Large Telescope (VLT) в Паранальской обсерватории. Именно туда в первую очередь я и направляюсь. Это место, как бы сошедшее с картины художника-футуриста, сыграло эпизодическую роль в фильме “Квант милосердия” о Джеймсе Бонде: общежитие ученых и инженеров телескопа ненадолго преобразовали в вымышленный экоотель в Боливии^2.

Для телескопа, на который я хочу посмотреть, решающее значение имеют низкая влажность и высота Атакамы. Это самая большая обсерватория, ведущая наблюдения в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн электромагнитного спектра. Ее построили именно здесь из-за того, что воздух, насыщенный влагой или водяным паром, как губка поглощает электромагнитное излучение с такими длинами волн. Обсерватория называется ALMA по первым буквам ее английского названия Atacama Large Millimeter Array, “Атакамская большая антенная система миллиметрового диапазона”.

Эта система состоит из шестидесяти шести снежно-белых тарелок-отражателей и находится на высоте 5000 метров над уровнем моря на севере чилийских Анд на плато Чахнантор^3.

Раньше я видела изображение этой антенной системы. Она напоминает инопланетный, но по-своему очень милый пейзаж – скопление отражателей-тарелок, похожих на грибы со странными перевернутыми шляпками. Однако, прежде чем попасть сюда, я должна была пройти через базовый лагерь ALMA, так называемый центр оперативной поддержки, расположенный примерно на 2000 метров ниже плато. Сначала меня провели в крошечную комнатку, где места едва хватает для узкой койки и душа. Затем короткая остановка в столовой и инструктаж по технике безопасности. Это очень важно, потому что на следующий день мы собираемся поехать к самой антенной системе. Там, на высоте 5000 метров, ощущается недостаток кислорода, а горная болезнь – совсем не шутка. Алдо, один из техников, предупреждает, что на такой высоте люди могут почувствовать тошноту и сильную головную боль. Если не проявить осторожность и не обратить внимания на эти симптомы, можно умереть. Показывая мне, как пользоваться кислородной маской, он говорит, что разрешение я получу после осмотра врача. Затем меня осматривает врач, который проверяет давление и уровень кислорода в крови. Некоторые посетители проверку не проходят, и им не разрешают продолжить подъем на плато Чахнантор. Тут я поняла, что годы занятий в спортзале наконец окупились – я прошла.

На следующий день рано утром, зажав кислородную маску в руке, я отправилась на плато в сопровождении проводника. В кармане у меня листья коки. Местные жители клянутся, что это хорошее средство от высотной болезни. Я знаю, что на высоте обсерватории мы проведем не больше двух часов, но все равно нервничаю. На пути к плато нам встречаются гигантские кактусы. Некоторые из них достигают высоты семь метров и даже больше. Лама и пара осликов без всякого интереса смотрят на нашу медленно ползущую вверх машину. Наконец вдалеке вырисовывается конечный пункт нашего маршрута – шестьдесят шесть огромных тарелок-отражателей ALMA. Их синхронная работа должна помочь разгадать некоторые из самых трудноразрешимых загадок Вселенной. Вокруг основания тарелок копошатся кажущиеся крошечными человечки в кислородных масках, которые обеспечивают работу антенной системы. Вблизи отражатели уже не выглядят такими милыми – они настолько громадны, что у меня перехватывает дыхание. Возможно, это просто нехватка кислорода.

ALMA – не самый подходящий инструмент для наблюдения нейтронных звезд: миллиметровые и субмиллиметровые волны гораздо короче длины радиоволн излучения пульсаров. Обычно эта антенная система используется для изучения образования звезд, но именно ALMA помогла астрофизикам первый раз стать свидетелями космического события, которое они считают рождением нейтронной звезды. Сверхновой с нейтронной звездой в центре ученые дали несколько глуповатое прозвище – Корова. Соглашение о наименовании сверхновых устанавливает, что название должно включать в себя год обнаружения и определенную, принятую заранее последовательностью букв. Поэтому официально Корова называется AT2018cow, но прозвище прижилось.

Аспирантка Калифорнийского технологического института Анна Хо – ведущий автор исследования Коровы. Вспоминая день, когда она услышала о Корове, Анна увлекается и даже начинает говорить громче.

17 июня 2018 года Хо, как и сотни других астрономов, получила сообщение от Стивена Смартта, астрофизика из Университета Квинс в Белфасте, и его коллег, где они привели результаты своих измерений странного “транзиента”. Так астрономы называют событие, включающее в себя кратковременный выброс энергии при неожиданном изменении состояния космического тела, таком, например, как вспышка сверхновой. За день до этого он был зарегистрирован автоматической системой наблюдения ATLAS (Asteroid Terrestrial Impact Last Alert System, “система чрезвычайного оповещения о столкновении астероидов с Землей”), расположенной на Гавайях и предназначенной для обнаружения небольших околоземных объектов за несколько недель или дней до того, как они столкнутся с Землей. Этот транзиент был ярким. Действительно очень-очень ярким – в несколько десятков раз ярче обычного выброса энергии при взрыве звезды. Однако Хо заметила еще кое-что странное, из-за чего она со всех ног бросилась в кабинет своего руководителя. Дело в том, что эта сверхновая достигла максимальной яркости необычайно быстро, за несколько часов, тогда как в типичных случаях увеличение яркости может занять несколько недель. Телескопы всего мира, как и другие инструменты, повернулись в направлении этого феномена и приступили к его детальному изучению. Среди них два телескопа-близнеца Keck на Гавайях и телескоп Liverpool обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Пальма, входящем в принадлежащий Испании Канарский архипелаг.

Сначала Хо и ее коллеги попытались найти более будничное объяснение этой необычной вспышке. Возможно, это вообще не взрыв, а очень яркая, близкая к Земле звезда в нашей собственной Галактике, обманчиво выглядящая как взрыв. Хо услышала от своего шефа, что это определенно звезда – и тратить на нее время вообще не стоит.

Хо уже направлялась к двери, когда звякнул ее телефон. Она остановилась, чтобы прочесть письмо, где было первое подтверждение внегалактической природы вспышки, произошедшей на расстоянии около 200 миллионов световых лет от нас, в карликовой галактике в созвездии Геркулес. “Отсюда следовало, что это действительно взрыв, на самом деле взрыв! Все ужасно обрадовались. Я развернулась и показала телефон своему руководителю. Вот тогда-то все засуетились, отчаянно стараясь понять, что же с этой информацией делать”, – рассказывает Хо.

Обнаружив этот взрыв, ученые впервые получили возможность стать свидетелями смерти звезды в реальном времени, конечно, если не учитывать задержку на 200 миллионов лет, потребовавшихся свету для того, чтобы достичь нашей планеты. Теперь, если провести измерения корректно, астрономы смогут не только увидеть взрыв массивной звезды, но и наблюдать коллапс ее ядра и образование в этом месте нейтронной звезды. Именно поэтому Хо отказалась от использования обычных оптических и радиотелескопов и решила, что ALMA больше подходит для наблюдения этой сверхновой.

Но чтобы понять, где та исходная точка, с которой стартовала Хо, надо вернуться на восемьдесят восемь лет назад. Итак, мы на пароходе, идущем из индийского порта Бомбей в Англию.

Путешествие на борту парохода “Пилена” заняло восемнадцать дней. Шел 1930 год, и Субраманьян Чандрасекар ехал в Кембридж, где планировал стать аспирантом физического факультета. Чтобы время не пропадало зря, он развлекался, решая уравнения. Вундеркинд из Индии (и племянник сэра Чандрасекхары Венкаты Рамана, первого азиата, получившего Нобелевскую премию по физике в том же 1930 году), Субраманьян в возрасте девятнадцати лет окончил университет и получил степень бакалавра физики. Через полвека, в 1983 году, сам Чандрасекар станет лауреатом Нобелевской премии за работу, которой он занимался на пароходе.

Незадолго до отъезда в Англию Чандрасекар увлекся белыми карликами – очень тусклыми останками звезд. Тогда считалось, что по окончании водородного “горючего”, поддерживающего термоядерное горение, все звезды, включая наше собственное Солнце, превращаются в белые карлики. Теперь мы знаем, что так умирают далеко не все звезды, а только те, которые в процессе эволюции постепенно сбрасывают внешнюю оболочку. От них останется плотное ядро из углерода, кислорода и азота. Считается, что по прошествии примерно ста миллионов миллиардов лет белый карлик полностью остынет и вообще перестанет испускать свет и тепло – превратится в “бездействующего” черного карлика.

Ко времени плавания Чандрасекара астрономы обнаружили всего три белых карлика. Среди них Сириус В – тусклый, мертвый собрат яркой звезды Сириус. Уже было известно, что плотность белых карликов невероятно высока: она превышает плотность Солнца больше чем в миллион раз. Квантовая механика, только-только появившаяся в начале XX столетия, позволяла объяснить, как возможно достичь такой невероятной плотности. Гравитационное давление внутри умирающей звезды сжимает атомы в ее ядре настолько сильно, что срывает с них электроны. Это значит, что формирующийся белый карлик состоит из положительно заряженных ионов, плавающих в море электронов. При продолжении гравитационного сжатия в игру вступает квантовая механика. Один из ее законов, принцип запрета Паули, утверждает, что никакие два фермиона (например, два протона или два электрона) не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии – точно так же как при игре в “горячие стулья” двум людям не разрешается одновременно сидеть на одном стуле. Это означает, что внутри белого карлика часть электронов должна перейти из “основного”, самого низкого энергетического состояния в более высокое. Благодаря этому процессу возникает так называемое давление вырожденных электронов. Именно это давление уравновешивает силу гравитации и предотвращает коллапс белого карлика.

Чандрасекар все это знал не в последнюю очередь потому, что внимательно изучил книгу “Внутреннее строение звезд”, написанную в 1926 году Артуром Стэнли Эддингтоном – одним из лучших астрофизиков того времени. Термин “белые карлики” ранее ввел нидерландско-американский астроном Виллем Лейтен, но именно книга привлекла к ним всеобщее внимание. Однако Эддингтон неправильно объяснял огромную плотность этих умирающих звезд, полагая, что такая плотность обусловлена термическим (вызванным теплом) давлением внутри белых карликов. Позднее в том же году правильное квантово-механическое объяснение предложил английский физик Ральф Говард Фаулер в статье “О плотном веществе”, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Чандрасекар скрупулезно изучил и эту статью. Он направлялся в Англию, чтобы работать под руководством Фаулера, и решил самостоятельно продолжить его расчеты^4.

Путешествие оказалось долгим, и молодой ученый имел достаточно времени, чтобы проанализировать уравнения Фаулера. Чандрасекар сделал еще один шаг – учел релятивистские эффекты, что необходимо, когда скорость объекта близка к скорости света. Он понял, что электроны внутри белого карлика движутся с невероятно большой скоростью – и это приводит к неожиданным и удивительным результатам. Как оказалось, для того чтобы звезда стала белым карликом, масса ее ядра в момент гибели должна быть меньше 1,4 массы Солнца. Расчет Чандрасекара показал, что, если этот предел превзойден, белый карлик не может существовать, поскольку из-за лишней массы невероятно плотное вещество внутри звезды не способно сопротивляться гравитационному сжатию. Другими словами, ни одна звезда, оказавшаяся к концу своего существования массивнее Солнца в 1,4 раза, не станет одним из этих новооткрытых, тусклых, хотя и сверхплотных небесных объектов. Позднее вычисленное верхнее значение массы умирающей звезды стали называть пределом Чандрасекара. Но тогда возникает вопрос: что происходит со всеми более массивными звездами?

В то время ученые этого не знали. В 1931 году, когда Чандрасекар опубликовал свою работу, нейтрон еще не был открыт: Чедвик подтвердил его существование только в следующем году. Молодой индийский ученый не мог себе представить, что происходит с более массивными звездами в момент их смерти. Не зная о возможности образования нейтронных звезд, он предположил, что, возможно, в отсутствие гравитационного давления массивные звезды просто сжимаются и превращаются практически в ничто – уходят в небытие. Сейчас считается, что результатом коллапса очень массивных звезд становятся черные дыры. Однако в то время черные дыры существовали только в теории и еще несколько десятилетий оставались не реальными, а математическими объектами.

Чандрасекар непреднамеренно стал провозвестником и нейтронных звезд, и черных дыр.

Эддингтон, со своей стороны, так никогда и не согласился с идеей Чандрасекара. В 1934 году, вслед за публикацией первых результатов, молодой ученый направил в Королевское астрономическое общество еще две статьи, где уточнялись его более ранние расчеты и выводы. В январе 1935 года Чандрасекара пригласили сделать доклад на эту тему на заседании Королевского астрономического общества. Эддингтон выслушал выступление Чандрасекара, а затем взял слово сам и не оставил от его работы камня на камне. “Формула Чандрасекара основывается на объединении релятивистской механики с нерелятивистской квантовой теорией. Такой союз мне представляется греховным, а его результат – незаконным”, – сказал Эддингтон потерявшему дар речи Чандрасекару. Эддингтон верил: любая звезда со временем превращается в белый карлик. Ему казалась противоестественной идея коллапса в ничто под действием гравитации (позднее это “ничто” стало называться черной дырой). “Я полагаю, – заявил Эддингтон, – что должен быть общий закон природы, запрещающий звезде вести себя столь абсурдно!” Чандрасекар был настолько потрясен, что следующие четыре десятилетия белыми карликами больше не занимался. В то время под влиянием авторитета Эддингтона большинство ученых приняли его сторону. Все же, несмотря на противоречия, Чандрасекар и Эддингтон оставались в хороших отношениях^5.

За три года до того, как Чандрасекар обратился к физикам, призывая их отставить в сторону критику Эддингтона и попробовать разобраться в его расчетах и гипотезах, на противоположной стороне Атлантического океана проходила другая научная битва. В начале 1932 года Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института узнал об открытии нейтрона Джеймсом Чедвиком. Новость произвела эффект разорвавшейся бомбы: большинство серьезных газет всего мира написали об открытии Чедвика – как-никак оно полностью меняло модель атома Резерфорда. “Открытие нейтрона. Эмбрион материи”, – гласил заголовок на первой странице New York Times 28 февраля 1932 года. Начало статьи было патетическим: “Доктор Джеймс Чедвик, работающий в Кавендишской лаборатории в Кембридже, открыл нейтрон – одну из первичных частиц природы. Открытие, о котором стало известно сегодня, наши ученые признали самым важным достижением экспериментальной физики с того времени, как лорд Резерфорд в 1911 году продемонстрировал ядерную структуру атома”6. Для Цвикки это открытие оказалось как нельзя кстати. Астрономы уже привыкли к так называемым новым – звездам, неожиданно начинающим светить необычно ярко. Они уже наблюдали и гораздо более редкий тип новых – более яркие и окруженные странно выглядящими туманностями. Цвикки назвал их “сверхновыми”.

Фриц Цвикки и его коллега Вальтер Бааде и раньше подозревали, что сверхновые могут быть результатом мощных взрывов звезд. Теперь, когда в астрофизическом арсенале Цвикки появился нейтрон, он смог связать концы с концами. Что, если, рассуждал он в 1933 году, в конце жизни звезды под действием гравитационного сжатия происходит коллапс ее ядра и недра звезды оказываются состоящими только из нейтронов (по мере того как протоны захватывают электроны и трансформируются в эти самые нейтроны)? Такая имплозия[11] “нейтронной звезды” существенно уменьшает исходную массу ядра и его размер. Основываясь на знаменитом уравнении эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (Е = тс^2), Цвикки предположил, что масса, “потерянная” при коллапсе ядра, превращается в энергию, приводящую к взрыву, – во вспышку сверхновой. В одной из двух статей на эту тему Цвикки и Бааде писали: “Со всеми оговорками мы все же полагаем, что сверхновая представляет собой превращение обычной звезды в нейтронную звезду, состоящую главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно большой плотностью”7. В декабре 1933-го, двумя годами раньше, чем Чандрасекар представил исследования белых карликов, Цвикки и Бааде доложили свои результаты на собрании Американского физического общества в Стэнфорде.

Сегодня мы знаем, что выводы Цвикки оказались правильны, но, поскольку в статьях почти не было подтверждающих расчетов, в то время они в лучшем случае казались чисто гипотетическими. Когда в январе 1934 года Цвикки и Бааде опубликовали статью о сверхновых и нейтронных звездах, ее встретили, мягко говоря, прохладно. Годами коллеги-ученые отвергали концепцию нейтронных звезд, считая ее чисто умозрительной.

Зато все быстро согласились с Цвикки, что взрыв сверхновой – катастрофическое событие, завершающее жизнь массивной звезды. Такое развитие событий казалось более осмысленным в сравнении с тихим, постепенным умиранием менее массивных звезд, которые, как известно, превращаются в белые карлики. (Подробнее о гибели подобных гигантов см. в разделе “Чуть глубже: Смерть массивной звезды”.) Не стоит забывать, что сверхновые известны ученым давно – их наблюдали и описывали в течение столетий. В 185 году нашей эры китайские астрономы с удивлением заметили появление на небе новой звезды, которая была ярче всех своих соседей, но исчезла спустя восемь месяцев. Они с большой аккуратностью зафиксировали свои наблюдения и романтически назвали ее “звезда-гостья”. Сегодня считается, что это событие – вероятно, вспышка сверхновой SN 185 в направлении Альфа Центавра, где-то в районе границы между созвездиями Циркуль и Центавр. В следующие несколько столетий арабские, китайские, египетские, японские, итальянские и швейцарские астрономы в разное время “принимали” подобных гостий. Эти необычные “звезды” сияли, находясь на одном и том же месте, как и все остальные “неподвижные” звезды, и их никак нельзя спутать с другим небесным событием, например с перемещающейся по небу кометой. В 1054 году “звезда-гостья” была видна 23 дня на дневном небе и 653 дня на ночном. Она выглядела настолько яркой, что, как полагают, на пике светимости в четыре раза превосходила блеск Венеры, которую легко видеть невооруженным глазом. Позже это событие получило свое современное обозначение: сверхновая SN 1054 в созвездии Телец. Она знаменита тем, что ее остатком является яркая, многоцветная Крабовидная туманность, напоминающая большое космическое облако.

Однако древние астрономы не имели ни малейшего представления о том, почему появляются и исчезают эти “звезды-гостьи”. Так продолжалось до тех пор, пока датский астроном Тихо Браге и ноября 1572 года не обнаружил в созвездии Кассиопея новую звезду, не уступающую по яркости Юпитеру. Он знал наверняка, что раньше в этом месте неба звезды не было. По крайней мере, Браге доказал, что небо не остается неизменным. Несколько десятилетий спустя, в 1604 году, Иоганн Кеплер обнаружил другую новую звезду и пришел к тому же выводу. Становилось ясно: небо – это не кристаллическая сфера или кусок бархата, украшенный сверкающими блестками. Но только через три столетия Цвикки и Бааде поняли, что свет “звезды-гостьи” исходит от взрыва невероятной мощности, оповещающего о гибели массивной звезды^8.

Однако до 1937 года теория Цвикки в части, относящейся к нейтронным звездам, не воспринималась безоговорочно. В 1937 году советский физик Лев Ландау написал статью, где предположил, что у всех звезд, включая наше Солнце, есть нейтронное ядро. В ядре вещество находится в состоянии, “в котором все ядра и электроны, объединившись, превратились в нейтроны”. В таком состоянии вещество способно выдержать существенно более сильное гравитационное сжатие, что предотвращает коллапс ядра. Сначала мало кто обратил внимание на работу Ландау, поскольку она была написана по-русски и опубликована только в журнале “Доклады академии наук СССР”. Это было время организованного Сталиным Большого террора, когда арестовывали и убивали миллионы людей. Угроза ареста нависла и над Ландау. Известный советский физик Петр Капица в попытке защитить Ландау, популяризируя его работу, послал эту статью Нильсу Бору, ученому из Копенгагена, получившему в 1922 году Нобелевскую премию за работы по исследованию строения атомов. Работа произвела на Бора такое впечатление, что он направил ее в журнал Nature, где ее и опубликовали 19 февраля 1938 года. Признание не помогло предотвратить арест, и в апреле 1938-го Ландау был обвинен в “антисоветской деятельности”, арестован и отправлен в Бутырку, печально известную тюрьму для политических заключенных. В Бутырке Ландау провел год, и выпустили его благодаря письму Нильса Бора Сталину и вмешательству Капицы, поручившегося за Ландау.

Статья Ландау вышла за несколько месяцев до того, как немецко-американский физик-ядерщик Ханс Бете впервые корректно описал термоядерные реакции, являющиеся механизмом генерации энергии в звездах. Позднее за эту работу он получил Нобелевскую премию. По иронии судьбы идея Ландау о нейтронных ядрах звезд по своей сути была ошибочной, но она вернула ученых к дискуссии о существовании нейтронных звезд. Одним из читателей, заинтересовавшихся статьей Ландау, был американский физик Роберт Оппенгеймер, который решил исследовать возможность существования ядер массивных звезд, остающихся после их смерти. Вместе со своим магистрантом Джорджем Волковым, эмигрантом из России, закончившим университет в Ванкувере, он взялся за расчет предельного значения массы нейтронной звезды, после превышения которого звезда не может противостоять гравитационному сжатию. Фактически для нейтронных звезд Оппенгеймер пытался решить ту же задачу, которую Чандрасекар решил для белых карликов, – определить верхний предел массы нейтронной звезды^9.

В течение 1938 и 1939 года Оппенгеймер, Волков и американский физик Ричард Чейс Толмен опубликовали три основополагающие работы, где объяснили, как образуются нейтронные звезды, какой может быть их максимальная масса и что происходит, если этот предел превзойден. Согласно их расчетам, верхний предел массы нейтронной звезды оказался равен 0,7 солнечной массы. Они объяснили, что нейтронная звезда, рожденная в результате коллапса ядра в конце жизни массивной звезды, существует, пока короткодействующее отталкивание между нейтронами уравновешивает ее массу. Но если масса нейтронной звезды становится слишком велика, например, если вещество, оставшееся после взрыва сверхновой, падает обратно на нейтронное ядро, коллапс нейтронной звезды продолжается и она превращается в черную дыру. Правда, Оппенгеймер и его коллеги считали, что обнаружить нейтронные звезды (и черные дыры) невозможно, поскольку они слишком маленькие (рентгеновская астрономия тогда еще не появилась).

До сих пор верхний предел массы нейтронной звезды называют пределом Толмена – Оппенгеймера – Волкова[12], хотя вычисленное ими значение массы оказалось существенно заниженным, поскольку они не учли сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны в ядре атома. В 1990-е годы, когда аппаратура стала лучше и увеличилась точность наблюдений, выяснилось, что это предельное значение попадает в интервал от 1,5 до 3 солнечных масс. И наконец, после наблюдения командой LIGO/Virgo первого слияния нейтронных звезд, предел Толмена – Оппенгеймера – Волкова сдвинулся к значению, близкому к 2,17 солнечной массы. На сегодняшний день самая массивная из обнаруженных нейтронных звезд называется J0740 + 6620[13]. Это быстро вращающийся пульсар в двойной системе с белым карликом. Масса этой звезды равна 2,14 массы Солнца^10.

Работа Оппенгеймера и его аспиранта появилась в тревожное время – перед Второй мировой войной. Когда война началась, многим физикам пришлось заняться более насущными делами. Оппенгеймер принял участие и стал одним из руководителей Манхэттенского проекта, целью которого было создать атомную бомбу быстрее нацистской Германии. Нейтронные звезды отошли на второй план более чем на двадцать лет, до открытия Джоселин Белл первого пульсара в 1967 году. После этого прорыва физики быстро поняли: обнаружить нейтронные звезды все же можно.

Случайное открытие Белл вызвало бурю в астрономическом сообществе. Но Фриц Цвикки, человек, который первым выдвинул идею о существовании нейтронных звезд и об их связи со смертью массивной звезды, не проявил ни малейшего интереса к этой теме. Вот что рассказывает о том времени радиоастроном Рональд Экерс. Сейчас он сотрудник CSIRO в Австралии, а тогда работал вместе с Цвикки в Калифорнийском технологическом институте.

Я встретилась с Экерсом в главном офисе CSIRO, расположенном примерно в двадцати минутах от центра Сиднея. “Кабинет Цвикки располагался на цокольном этаже того же здания, что и мой, – вспоминает Экерс. – Цвикки мне нравился, и мы часто общались, но, насколько я помню, он никогда не принимал участия в обсуждениях связи нейтронной звезды с пульсаром. В Калтехе тогда многие об этом говорили, но по каким-то причинам он в этих разговорах не участвовал”.

К тому времени Цвикки интересовали уже другие проблемы. Он был одним из тех достаточно редко встречающихся физиков, кто за время своей научной карьеры брался за задачи из разных областей физики. Кроме того, что Цвикки внес большой вклад в теорию нейтронных звезд, он указал на то, что во Вселенной, возможно, “недостает” большого количества вещества. (Подробнее о том, как Цвикки открыл темную материю, см. главу 6.)

В 1968 году, как раз тогда, когда вышла статья Белл и Энтони Хьюиша о пульсаре LGM-1, ученые сразу заговорили о том, что источником этих загадочных пульсаций могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Цвикки больше волновало окончание работы над “Каталогом галактик и скоплений галактик”, составленным на основании наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории. Этот каталог, опубликованный Калифорнийским технологическим институтом, состоит из шести томов и содержит тщательно проверенные данные о 29418 галактиках и 9134 скоплениях галактик^11.

По словам Экерса, отсутствие тогда у Цвикки интереса к нейтронным звездам, возможно, объяснялось просто тем, что они внезапно перестали быть теоретической возможностью. Теперь ученые моделировали эти новооткрытые объекты, а Цвикки, как выразился Экерс, был скорее о том, как, жестикулируя, генерировать великие идеи, основываясь главным образом на интуиции, и “поэтому, когда потребовался детальный анализ, он уже не считал нейтронные звезды чем-то интересным”. Цвикки умер в Пасадене в Калифорнии через несколько лет после открытия нейтронных звезд. Он похоронен на маленьком кладбище городка Моллис в Швейцарии. Поездку туда я внесла в список того, что мне надо сделать в жизни. Я хочу отдать дань уважения этому человеку.

Хотя открытие нейтронных звезд так и не заинтересовало швейцарского эксцентрика, новую тему быстро подхватили другие астрономы, повернувшие свои телескопы в направлении пульсаров. Астрономы напряженно следили не только за нейтронными звездами, но и за связанными с ними туманностями, поскольку, опять же в соответствии с теорией Цвикки, они были тем, что осталось после смерти массивных звезд. Один из телескопов, который использовали для этих целей, принадлежит радиообсерватории Молонгло, расположенной приблизительно в часе езды от столицы Австралии Канберры и примерно в четырех часах езды от Parkes. Крестообразный радиотелескоп Molonglo — фантастическая конструкция с двумя перпендикулярными плечами, каждое в милю длиной. Такую радиоантенну называют “крест Миллса”. Плечи телескопа имеют форму разрезанных пополам цилиндров: параболическая форма поперечного сечения антенн используется для фокусировки сигнала. Двигая антенну вверх или вниз, можно вращать один из цилиндрических параболоидов вокруг его длинной оси.

Телескоп заработал на полную мощность в 1967 году – именно тогда, когда так эффектно состоялась премьера первого пульсара LGM-1. Molonglo сконструирован для наблюдения источников радиоизлучения, так что пульсары, можно сказать, по его части. Относительно небольшой диаметр цилиндра в сравнении с большими одиночными отражателями означает, что у этого телескопа полоса сканирования неба гораздо шире – и поэтому отыскивать пульсары он может гораздо быстрее. “Собирать” пульсары Molonglo начал сразу, причем в таком количестве, что за первые два десятилетия существования астрономии пульсаров фактически более половины всех пульсаров и остатков сверхновых были обнаружены именно этой обсерваторией. С шестидесятых годов телескоп много раз модернизировали, так что теперь он называется MOST (Molonglo Observatory Synthesis Telescope, “телескоп апертурного синтеза обсерватории Молонгло”). Сюда я приехала с Мэтью Бейлзом в феврале 2019 года. Стояла ветреная и пасмурная погода, а мелкий дождь развеял последние мечты о солнечном дне австралийского лета. Дежурный оператор телескопа приветствовал нас около небольшого домика, служившего аппаратной и центром сбора данных. Здесь хранятся результаты космического сканирования за несколько десятилетий. Он подвел нас к радиотелескопу, больше напоминавшему гигантское ирригационное оборудование для сельского хозяйства, чем точный астрономический инструмент. Принадлежащее местному фермеру стадо овец только усиливало это впечатление. Овец мы спугнули, и они быстро ретировались, прячась от усиливающегося дождя под направленным с севера на юг плечом радиотелескопа.

В пятницу 4 октября 1968 года именно этот радиотелескоп еще раз подтвердил, что Цвикки был прав. В тот день в небольшой аппаратной Molonglo астроном Майкл Лардж проводил наблюдения новооткрытых пульсаров. Он внимательно следил за данными на ленте самописца и вдруг увидел, как оба пера начали выписывать какие-то беспорядочные каракули. Лардж понял, что обнаружил далекое космическое тело. “Увидев это, он немедленно попытался со мной связаться”, – рассказывает астроном Алан Воган, работавший тогда в Молонгло над диссертацией под руководством Ларджа. В обязанности Вогана входило повышение чувствительности телескопа. Однако в тот день он пошел на христианскую конференцию, и связаться с ним оказалось нелегко. Ларджу удалось это сделать, только позвонив Алану домой. Его мать дала номер телефона центра, где проходила конференция. Лардж был очень возбужден, и Воган сразу же сел на поезд, идущий в Молонгло. Он успел туда как раз вовремя, к моменту следующего наблюдения, через двадцать четыре часа после первого.

“Мы выполнили большое число предварительных измерений, и, что удивительно, этот объект пульсировал очень быстро по сравнению со всеми известными в то время пульсарами”, – рассказывает Воган.

Действительно, число пульсаций этой нейтронной звезды оказалось порядка одиннадцати за секунду, тогда как периодичность шести других известных тогда пульсаров (два обнаружены телескопом Molonglo, а оставшиеся четыре – Белл) составляла около одной секунды.

Воган и Лардж в спешном порядке решили показать свои данные в Сиднейском университете. Координаты нового пульсара они упомянули в разговоре со своим коллегой Бернардом Миллсом, одним из создателей радиотелескопа Molonglo. “Берни сразу сообразил, что источник находится на месте остатка сверхновой”, – вспоминает Воган. У туманности – остатка массивной звезды, умершей около пятидесяти тысяч лет назад, – было вращающееся, сильно намагниченное ядро. Этот пульсар, получивший название “пульсар Вела” (Vela Pulsar, пульсар в Парусах), стал первым прямым свидетельством связи между нейтронной звездой и взрывом сверхновой. Исследователи очень быстро подготовили статью для журнала Nature, где ее напечатали через три недели после самого открытия – 26 октября 1968 года. По словам Вогана, они были очень возбуждены, но не стали почивать на лаврах, а продолжили работу по поиску новых пульсаров. Примерно через десять лет, в 1977 году, астрономы с помощью Anglo-Australian Telescope, расположенного в обсерватории Сайдинг-Спринг, тоже наблюдали пульсар Вела, но теперь впервые в оптическом диапазоне.

Ровно в тот же день, когда в Nature поступила статья о пульсаре Вела, два астронома, Дэвид Стелин и Эдвард Рифенштейн, работавшие в Соединенных Штатах на радиотелескопе Green Bank примерно в двух часах езды от города Шарлоттсвилла в Западной Вирджинии, обнаружили в Крабовидной туманности странные радиоимпульсы. Крабовидная туманность – остаток взрыва другой сверхновой, в созвездии Телец. Как я уже говорила, китайские астрономы видели эту яркую сверхновую в 1054 году. А в 1850 году астроном Уильям Парсонс, проведя много ночей у своего 36-дюймового телескопа, зарисовал оставшуюся после нее туманность. Его рисунок напоминал краба, и поэтому туманность стали называть Крабовидной.

А через месяц после открытия Стелина и Рифенштейна, сделанного с помощью телескопа Green Bank, магистрант Корнеллского университета Ричард Лавлейс обнаружил, что радиосигнал, идущий из Крабовидной туманности, поступает через регулярные интервалы – каждые 33 миллисекунды. Он работал на радиотелескопе обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико – большом отражателе, вмонтированном в естественную карстовую воронку. Позднее этот радиотелескоп стал знаменит благодаря и сериалу “Контакт” (еще в съемках этого фильма участвовал телескоп Very Large Array в Нью-Мексико), и семнадцатому фильму бондианы “Золотой глаз”. Результаты телескопов Green Bank и Arecibo подтвердили гипотезу астронома Франко Пачини, который за несколько месяцев до того опубликовал статью, где приводил аргументы за то, что внутри Крабовидной туманности должен быть пульсар^12.

Итак, теперь имелось два пульсара, ярко сиявших среди остатков сверхновой. Кусочки пазла встали на свои места. Так подтвердились все интуитивные предсказания Фрица Цвикки, сделанные им в 1933 году. Нейтронные звезды – сверхплотные, крошечные, быстро вращающиеся и сильно намагниченные – стали абсолютно реальны.

Вспышка сверхновой – явление редкое. В галактиках, сравнимых по размеру с Млечным Путем, такое случается примерно два раза в столетие. Наша Галактика, вмещающая около трехсот миллиардов звезд, уже “отстает от расписания”. Наиболее “молодая” из известных сверхновых взорвалась в центре Млечного Пути примерно в 1870 году. Однако видно ее не было – скрывала космическая пыль. Теперь астрономы могут наблюдать остаток этой сверхновой как яркий источник радио- и рентгеновского излучения. В видимой Вселенной по крайней мере два триллиона галактик, и это значит, что каждую секунду где-то в бескрайних просторах космоса десять звезд становятся сверхновыми^13.

Похоже, нет никакой регулярности в том, где и когда может появиться сверхновая, и поэтому отследить их очень трудно. Астрономы с помощью телескопов-роботов проводят широкий обзор неба, то есть мониторинг всех вспышек в различных диапазонах длин волн. Компьютерные алгоритмы проверяют полученные данные и отбирают многообещающих кандидатов в сверхновые, а астрономы пытаются срочно забронировать время для работы на мощных телескопах, чтобы исследовать электромагнитный спектр вспышки – ее астрофизические “отпечатки”. Маттео Кантьелло, астрофизик из Принстонского университета, называет такой анализ звездной криминалистической экспертизой: мы знаем, что звезда умерла, а теперь хотим точно выяснить почему и как. Наблюдение последних часов жизни звезды – если таковое возможно – может дать астрономам необычайно важную информацию о сверхновых. В частности, демонстрирует ли умирающая звезда заранее, за несколько месяцев, недель или дней, признаки неизбежного взрыва.

23 февраля 1987 года астрономы получили редкую возможность увидеть сверхновую “в действии”. В обсерватории Лас-Кампанас в Чили ночная смена только приступила к работе. Тогда здесь работали по старинке: ученые находились рядом с телескопом, а не за сотни миль от него в комфортабельном офисе с высокоскоростным интернетом. Дежурные Ян Шелтон и Оскар Дуальде сканировали небо. Неожиданно Шелтон заметил вспышку света в карликовой галактике – Большом Магеллановом Облаке. По космическим масштабам это недалеко от Млечного Пути, на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Земли. Вспышка оказалась настолько яркой, что ее можно было увидеть невооруженным глазом. Шелтон быстро задокументировал наблюдение. (Позднее он узнал, что еще один астроном из Новой Зеландии тоже наблюдал эту вспышку.) Ученые сверились с каталогом и увидели, что на месте вспышки раньше была массивная, неожиданно исчезнувшая звезда: перестал существовать голубой сверхгигант Сандулик -69º 202, обычно сиявший на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Он взорвался сверхновой II типа с коллапсирующим ядром, которая позднее стала называться SN 1987А. Это самая близкая к Земле сверхновая, звезду-предшественницу которой можно было наблюдать более четырехсот лет.

За три часа до того, как астрономы в Чили и в Новой Зеландии заметили вспышку в оптическом диапазоне, три детектора нейтрино – Kamiokande II в Японии, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) в Огайо на берегу озера Эри и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в России – зарегистрировали в общей сложности около двух десятков нейтрино. Это намного больше, чем любая из этих трех обсерваторий обнаруживала когда-либо ранее. До этого нейтринный механизм взрыва сверхновой был лишь теорией, получившей теперь наглядное доказательство^14.

Однако убедительно доказать, что именно нейтрино “обеспечивают” энергией взрыв сверхновой, гораздо труднее. Ученые пробовали делать трехмерное компьютерное моделирование нейтринного механизма коллапсирующего ядра звезды, но это очень дорого и долго: даже один вычислительный эксперимент может занять несколько месяцев. И наблюдения не слишком помогают понять механизм взрыва сверхновой. “Дело в том, – говорит Стивен Смартт из Университета Квинс в Белфасте, – что вы видите только момент прохождения ударной волны через поверхность звезды-предшественницы”. Наблюдаемое свечение определяется радиусом звезды и количеством материала вокруг нее, а эти характеристики не слишком полезны для понимания механизма взрыва. “Решить этот вопрос можно, измерив кинетическую энергию выброшенного вещества, зная его движение и сравнивая энергию ударной волны и энергию взрыва звезды, – говорит Смартт. – Но это и теоретически трудно сделать, а обследовать непосредственно центр взрыва практически невозможно”.

Уже более тридцати пяти лет ученые изучают эволюцию SN 1987A. Они видели в реальном времени переход от небулярной стадии к остатку сверхновой. Большая загадка – отсутствующая нейтронная звезда: в соответствии с размером звезды-предшественницы (порядка двадцати масс Солнца) она, согласно теории, должна находиться в центре остатка сверхновой. Нейтринные наблюдения свидетельствовали, что на месте ядра исходной звезды действительно образовался компактный объект. Но астрономы ничего не нашли. Одно из возможных объяснений состоит в том, что там просто слишком много “мусора”, скрывающего ядро за плотными тучами пыли и газа. Или, возможно, магнитное поле нейтронной звезды, если она есть, либо слишком сильное, либо слишком слабое для того, чтобы стало возможно образование обычного пульсара. С другой стороны, возможно, на молодую нейтронную звезду упало слишком много выброшенного вещества – так много, что ее масса увеличилась до точки невозврата, вызвав дальнейший коллапс в черную дыру.

Никаких сигналов приближающейся смерти голубого сверхгиганта обнаружить не удалось, хотя ученые наблюдали сверхновую почти сразу после взрыва и знали, какая звезда была ее предшественницей^15. Однако, кажется, по крайней мере некоторые звезды предупреждают нас о своей неминуемой кончине. Такую звезду астрономы обнаружили в 2013 году. Обычно новый интересный объект находят так: робот-телескоп сканирует ночное небо, а наблюдатели – дежурные астрономы – принимают поступающие данные и отбирают для последующего изучения те объекты, которые кажутся наиболее интересными и подходящими кандидатами в сверхновые. Таким образом, специалисты по возможности быстро стараются обнаружить космическое событие и начать его наблюдать. Когда, осветив сцену великолепным фейерверком, погиб красный сверхгигант, съемку неба в Северной Калифорнии вел дежурный обзорный робот-телескоп Palomar Transient Factory, а ровно через три часа после того, как свет вспышки сверхновой достиг Земли, ее заметили наблюдатели в Израиле. Звезда находилась в относительно близкой галактике и, что привлекло внимание, не была замечена накануне.

Так случилось, что на ту ночь одна из групп заранее забронировала время на телескопе Keck на Гавайях для каких-то других наблюдений. Офер Ярой из Института имени Вейцмана в Израиле поднял на ноги Дэна Перли, астрофизика из Калифорнийского технологического института, имевшего опыт работы с Keck. Перли немедленно попросил оператора телескопа на Гавайях направить телескоп на вспышку и в то же время быстро занял очередь для работы на орбитальном телескопе Swift, чтобы получить данные в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.

Используя щелевой спектрограф, Перли удалось получить последовательность из четырех спектров. Метод заключается в том, что собранный телескопом свет направляется в спектрограф, где проходит через щель определенной ширины, для того чтобы, с одной стороны, собрать как можно больше света от искомого объекта, а с другой – оставить за кадром близлежащие светила. “Сегодня, в начале 2020 года, это самые ранние спектры, полученные сразу после взрыва сверхновой”, – говорит Ярон.

До тех пор астрономы считали, что невозможно предсказать, взорвется ли звезда в ближайшие десять тысяч лет. Однако группа Ярона выяснила, что, возможно, в будущем мы сможем наблюдать сигналы-предвестники, указывающие на неизбежную смерть гигантской звезды в течение нескольких лет, а может, даже за несколько месяцев до взрыва сверхновой. Подобным сигналом может служить все более и более ускоряющееся извержение вещества из звезды. Это напоминает подземные толчки, обусловленные быстро поднимающейся наверх магмой, которые являются предвестниками извержения некоторых вулканов^16.

Анализируя спектр сверхновой, получившей название SN 2013fs, Ярой и его коллеги обнаружили вокруг умирающей, взрывающейся звезды плотную газовую оболочку из так называемого околозвездного материала. Был ли там этот газ за сотни лет до взрыва, или это ранний предвестник взрыва? В модели коллапса ядра сверхновой предполагается, что до финального взрыва, глядя на звезду, нельзя определить, идет ли уже интенсивный внутренний коллапс ее ядра. Внешняя оболочка звезды, ее промежуточные слои остаются пугающе спокойными до конца – до тех пор, пока не произойдет падение вещества ядра звезды в ее центр. За считаные секунды это приводит к взрыву промежуточных слоев, которые устремляются к центру звезды. Но еще до Ярона другие ученые говорили, что, возможно, умирающие звезды теряют внешние слои газа раньше, чем происходит взрыв сверхновой.

В одном из исследований ученые проанализировали изображения, полученные при роботизированном обзоре шестнадцати сверхновых. Они обнаружили, что действительно до фактического взрыва пяти из них имели место небольшие вспышки. Статья Ярона показывает, что в последние моменты жизни звезды-предшественницы сверхновой, изучением которой занималась его группа, извержение газа происходило несколько раз, что привело к гораздо большей потере массы, чем когда-либо в предыдущие годы. Всего через пять дней после взрыва, когда ударная волна от взрыва сверхновой распространялась по межзвездному пространству, этот газ исчез.

Не все согласны с этими выводами. Другие астрономы думают, что, поскольку вокруг красных сверхгигантов много газа во все время их существования, возможно, околозвездный материал был там очень, очень долго. “Может быть, облако около этой звезды существовало миллионы лет”, – говорит Норберт Лангер, астроном из Боннского университета в Германии. Возьмите, например, Бетельгейзе – красный сверхгигант в созвездии Орион, находящийся довольно близко к Земле, на расстоянии чуть больше шестисот световых лет. Ясно, что он окутан газом, вероятно, существовавшим там тысячи лет, если не больше. Чтобы выяснить, кто прав, следует измерить, насколько быстро газ уносится от взрывающейся звезды. Если быстро – это взрыв газа. Возможно, в случае SN 2013fs удалось определить только верхний предел скорости, но Ярон полагает, что есть явные признаки того, что газ двигался гораздо быстрее характерной для красного сверхгиганта скорости звездного ветра.

Итак, насколько правдоподобно, что внешняя оболочка “знает” о скором взрыве звезды? Звезды настолько велики и так велика их плотность, что любая информация о ядре достигает поверхности через тысячи лет. Однако информация не обязательно должна переноситься фотонами, с трудом проходящими через толщу звезды. Информацию могут переносить ударные волны, а их энергии достаточно для образования на поверхности массивных газовых пузырей. В 2017 году Джим Фуллер, астрофизик из Калифорнийского технологического института, опубликовал статью, где выдвинул гипотезу, согласно которой информация о том, что происходит внутри звезды, может переноситься на поверхность звуковыми волнами. Он сравнил этот процесс с кипящим чайником. Если кипение интенсивное, его можно услышать, поскольку этот процесс приводит к возбуждению звуковых волн в воздухе. Можно предположить, что непосредственно перед взрывом сверхновой ядро звезды “закипает”, что вызывает звуковые волны большой энергии, способные привести к мощным выбросам с поверхности непосредственно перед взрывом.

Не только Ярон и Фуллер считают, что предупреждающие сигналы можно заметить до взрыва сверхновой. Анна Хо изучала не только Корову, но и SN 2018gep – сверхновую типа Ib, обнаруженную системой наблюдения Zwicky Transient Facility. Группа Хо начала наблюдение через несколько часов после того, как излучение от взрыва достигло Земли. В первые дни после вспышки они получили девять спектров – самые ранние спектры для сверхновых такого типа. В отличие от группы Ярона, Хо и ее коллеги наблюдали сверхновую, которая была результатом гравитационного коллапса ядра массивной звезды, утратившей до взрыва внешнюю водородную оболочку. Однако анализ Хо, как и данные Ярона, указывал на то, что признаки неизбежного взрыва звезда демонстрирует заранее. Для сверхновых типа Ib это было первое достоверное наблюдение вспышек-предшественниц, а значит, можно ожидать, что подобные предупреждающие сигналы – распространенное явление для различных типов массивных звезд, а не только для тех, которые взрываются как сверхновая типа II.

Хотя данные, полученные Хо и Яроном, дают представление о составе звезды-предшественницы непосредственно в момент ее смерти, они немного могут сказать о процессе взрыва сверхновой. Большая часть энергии, выделяемой при коллапсе, уносится нейтрино. Ярону надо было понять, можно ли передать достаточное количество этой энергии газу – веществу звезды и ее внешней оболочки, чтобы инициировать взрыв сверхновой.

Чтобы заглянуть внутрь сверхновой, астрономы изучают образовавшуюся туманность примерно через двести дней после взрыва. Они также наблюдают остаток сверхновой, образовавшийся спустя десятилетия, когда выброшенное газопылевое облако переместилось от места взрыва в космическое пространство, где его сравнительно просто наблюдать. В каком-то смысле взрыв выворачивает исходную звезду наизнанку. Именно в этих остатках звезд ученые обнаруживают тяжелые элементы, из которых образуются планеты, другие звезды и в конечном счете возникает жизнь.

Исследуя спектры на более поздних стадиях эволюции сверхновой, астрономы получают возможность оценить массу и относительное количество каждого из химических элементов, образовавшихся и выброшенных во время взрыва. Кроме того, они могут оценить полную массу звезды-предшественницы и ее состав.

Данные о “сигналах-предвозвестниках” очень ценны, но сейчас принципиально важно использовать подобные методы анализа чаще, при исследовании большого числа других сверхновых. Для этого нужна информация о спектрах на ранних стадиях эволюции, то есть до того, как облако газа, выброшенного при взрыве, перекроет околозвездный диск – скопление газа и пыли вокруг звезды – и “сотрет” всю необходимую информацию о том, как реально погибла звезда. И вот тут сверхновая AT2018cow, неофициально Корова, может помочь.

Сверхновые обычно наблюдают в радиочастотном диапазоне. Удаляясь от места взрыва, звездный материал несет энергию в виде волн с чрезвычайно короткими длинами, но очень быстро возникают все более и более длинные волны. Поэтому астрономы очень редко используют миллиметровые телескопы для изучения космических взрывов, ведь, чтобы увидеть его характерные признаки в диапазоне миллиметровых длин волн, следует делать это очень и очень быстро. “Поэтому, когда приступаешь к наблюдению взрыва, его следы уже сдвинулись в область радио- и сантиметровых длин волн”, – рассказывает Хо.

“Странность и необычность Коровы состояла в том, что ее спектр в оптическом диапазоне совсем не напоминает сверхновую”, – говорит Хо. Чтобы выяснить, действительно ли это был взрыв звезды, надо обратиться к другим свидетельствам. Группа Хо имела возможность исследовать газ и пыль в районе взрыва. Оказалось, что там характеристики среды очень сходны с последствиями такого взрыва: в частности, очень велика плотность газа и пыли. Такую плотность можно ожидать вблизи умирающей звезды, когда она очень быстро теряет вещество. Но, как предполагалось, именно это происходит с массивными звездами перед взрывом. Значит, вероятно, до того, как эта звезда умерла, она извергала и сбрасывала звездный материал. Сохраняющееся в течение месяцев излучение сверхкоротких длин волн также означает, что это не единичный выброс энергии при взрыве. Скорее наблюдался своего рода непрерывный процесс производства энергии, что-то наподобие работы центрального двигателя – аккрецирующей вещество быстро вращающейся, сильно намагниченной нейтронной звезды или новообразованной черной дыры.

Не только члены команды Хо считали, что они наблюдали процесс рождения нейтронной звезды. В другой группе под руководством Рафаэллы Маргутти, астрофизика из Северо-Западного университета в США, пришли к такому же выводу. Группа Маргутти изучала рентгеновское излучение Коровы с помощью аппаратов NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array, “ядерно-спектроскопическая телескопическая система”) космической обсерватории НАСА и INTEGRAL Европейского космического агентства. Кроме того, они исследовали спектр радиоволн, полученный с помощью телескопов VLA американской Национальной радиоастрономической обсерватории в Нью-Мексико. На основании этого был сделан вывод, что транзиент разогревается изнутри и, следовательно, что-то изнутри снабжает его энергией^17.

Однако, чтобы подтвердить, действительно ли внутри Коровы скрывается нейтронная звезда, астрономам надо ждать годы – пока остатки выброшенного при вспышке вещества (газ и пыль вокруг его центра) не рассеются в межзвездном пространстве. “Мы наблюдаем независимо звезды и взрывы, и отдельно нейтронные звезды. Но очень трудно связать эти разные стадии эволюции воедино, – говорит Хо. – Поэтому, если действительно удастся увидеть оставшуюся от Коровы нейтронную звезду, значит, это один из тех немногих случаев, когда удалось наблюдать породивший нейтронную звезду взрыв. Будет очень интересно, если окажется, что мы фактически стали свидетелями рождения нейтронной звезды”.

Если это подтвердится, дальнейшие наблюдения позволят нам сказать больше о том, из какого типа звезд образуются нейтронные звезды. В настоящий момент мы можем изучать нейтронные звезды, поскольку видим их в своей Галактике. Мы знаем – или думаем, что знаем, – что взрываются звезды определенной массы. Но что собой представляла звезда, ставшая затем нейтронной? Как она эволюционировала? Что происходило с ней за время ее существования? Какой была финальная стадия ее жизни? Теряла ли она массу, а если так, происходило ли это спокойно и постепенно или стремительно, в результате взрыва? Мы этого совершенно не представляем. Поэтому, если внутри Коровы есть нейтронная звезда, эта зомби-звезда может многое рассказать о живых звездах. Но сейчас нам остается только ждать, надеясь, что она там есть и как-то проявит себя.

Покидая ALMA, я знала, что когда-нибудь вернусь сюда. Завораживающее высокогорное плато Чахнантор, антенная система из кажущихся сверхъестественными тарелок и другие телескопы, разбросанные тут и там по бесконечной, каменистой и бесплодной, но почему-то удивительно прекрасной местности… Это искушение, перед которым мне не удастся устоять. До встречи, Атакама.

Чуть глубже: Всплеск пульсаров

За последние пятьдесят лет астрономы обнаружили в Млечном Пути около трех тысяч радиопульсаров и наблюдали несколько десятков остатков сверхновых. Но все еще не удается четко разграничить смерть звезды и рождение сверхновой. Например, мы знаем, что все звезды движутся – обращаются вокруг центров своих галактик. Обычно скорость такого движения составляет от 65 до 100 километров в секунду. Но мы не знаем, почему часто “новорожденная” нейтронная звезда выбрасывается с места взрыва сверхновой, движущегося со скоростью от 200 до 500 километров в секунду, в направлении, противоположном его движению. Причем скорость такого “снаряда” гораздо больше скорости, которая была у исходной звезды.

Ученые называют это “пульсарный кик (пинок)”. Ханс-Томас Янка, астроном из Института астрофизики Общества Макса Планка в Германии, считает, что кики, вероятно, объясняются тем, что взрыв сверхновой не идеально сферически симметричен. Такой асимметричный взрыв похож на спокойно поднимающийся сигаретный дым, в котором вдруг возникают вихревые потоки.

В марте 2019 года космический гамма-телескоп Fermi помог астрономам отследить пульсар, получивший название J0002+6126, который находится на расстоянии примерно 6500 световых лет от нас. Этот пульсар, выброшенный взрывом породившей его звезды, мчится сквозь пространство со скоростью около четырех миллионов километров в час. Его скорость почти вдвое больше средней скорости пульсара, и за собой он оставляет светящийся след длиной в тринадцать световых лет. Если бы космический корабль на такой скорости полетел на Луну, он оказался бы на месте всего за шесть минут (другой вопрос, удалось бы ему вовремя затормозить).

Если удастся разобраться с асимметрией взрыва сверхновой, это не только поможет определить направление и мощность кика, но и прольет свет на существенно большую загадку: каков в действительности механизм, обеспечивающий энергией взрыв сверхновой? Сейчас, согласно наиболее популярной теории, это нейтринный механизм: при коллапсе ядра образуется огромное количество нейтрино, которые затем вырываются из него асимметричным потоком. “Детальное компьютерное моделирование таких взрывов должно объяснить не только кики нейтронных звезд, но еще и многочисленные наблюдения, указывающие на сильную асимметрию распределения газа, выброшенного при взрыве сверхновой”, – говорит Янка. Трехмерные компьютерные модели сверхновых, такие как модель, точно воспроизводящая форму четырехсотлетнего остатка сверхновой Кассиопея А, согласуются с наблюдаемыми киками пульсаров. Это большой шаг вперед как для теоретиков-космологов, так и для астрономов. “Согласно современным 3D-моделям сверхновых, нейтронная звезда при кике приобретает скорость порядка нескольких сотен километров в секунду, а в предельных случаях – до тысячи километров в секунду, а возможно, и больше, – продолжает Янка. – Это согласуется с наблюдаемым движением молодых нейтронных звезд”.

Такие модели объясняют распределение вокруг сверхновой как железа, так и радиоактивного титана, которое недавно было промерено спутником NuSTAR – космическим телескопом рентгеновского диапазона, ведущим наблюдение в том числе и нейтронных звезд.

Тогда как кик нейтронной звезды обусловлен асимметрией взрыва сверхновой, считается, что вращение пульсаров определяется главным образом вращением звезды-предшественницы. Это связано с сохранением углового момента при коллапсе ядра, приводящего к образованию нейтронной звезды. Следовательно, если эти предположения верны, за скорость ее вращения и скорость движения через пространство ответственны разные механизмы. Чтобы измерить, с какой скоростью пульсар движется в пространстве, надо знать расстояние до него, которое не всегда легко определить. Если это расстояние известно, астрономы могут измерить скорость движения пульсара только относительно плоскости нашего неба, но радиальную компоненту скорости (по направлению к нам или от нас) измерить нельзя. Чтобы выполнить такие измерения, они сравнивают прямые наблюдения меняющихся небесных координат пульсара или измеряют его радиоизлучение.

Тем не менее некоторые пульсары, такие как пульсар в Крабовидной туманности и пульсар Вела, не покидают своей родной туманности. Янка говорит, что не у всех нейтронных звезд скорость кика достаточно велика. Вероятно, это зависит от энергии взрыва, а значит, от исходной массы материнской звезды. Согласно теории, чем больше масса звезды-предшественницы, тем мощнее взрыв и, следовательно, тем мощнее кик. “Скорость большого числа нейтронных звезд меньше двухсот километров в секунду, а согласно теории звездной эволюции, возможно, существует и отдельная популяция медленных нейтронных звезд, чья скорость составляет всего несколько десятков километров в секунду”. Именно этим может объясняться большое количество нейтронных звезд в шаровых скоплениях – крупных сферической формы скоплениях связанных между собой звезд. Чтобы покинуть скопление, скорость звезды должна быть невелика: примерно от 30 до 50 километров в секунду, а это значит, что уже при рождении скорость нейтронных звезд в скоплениях должна быть небольшой.

Есть еще одна причина, объясняющая, почему некоторые нейтронные звезды покидают туманность, оставшуюся после взрыва сверхновой, а другие нет. Считается, что это связано с возрастом остатка сверхновой. Как рассказывает Янка, по-видимому, вначале газ, из которого состоит остаток, расширяется в околозвездное пространство со скоростью несколько тысяч километров в секунду, то есть раз в десять большей, чем средняя скорость нейтронной звезды. Только примерно через десять тысяч лет, взаимодействуя с межзвездной средой – окружающим его газом и пылью, выброшенной при взрыве сверхновой, – газ остатка замедляется. Но не замедляются нейтронные звезды, которые продолжают двигаться с начальной скоростью. Так что в какой-то момент, возможно, через много тысяч лет после взрыва сверхновой, нейтронной звезде удастся покинуть свой газообразный остаток. По словам Янка, когда точно это произойдет, зависит от скорости нейтронной звезды и плотности межзвездной среды, с которой взаимодействует выброшенный при взрыве сверхновой газ.

Чуть глубже: Смерть массивной звезды

Звезды умирают по-разному, в зависимости от их массы. Одни уходят достаточно тихо, другие взрываются. Те звезды, масса которых менее примерно восьми масс нашего Солнца, живут от ста миллионов до миллиарда лет – тем дольше, чем меньше их масса. Затем такие звезды сбрасывают внешнюю оболочку, формируя планетарную туманность, тогда как их звездные ядра сжимаются и превращаются в белые карлики – компактный остаток звезды, остающийся навечно на бескрайних просторах космоса.

Однако другая судьба ждет красные и голубые сверхгиганты – более массивные звезды массой от восьми до ста масс Солнца. В момент смерти масса состоящих главным образом из железа ядер таких звезд превышает некое предельное значение, равное примерно 1,4 солнечной массы (на самом деле это число может быть от 1,з до 2 солнечных масс). У них достаточно ядерного горючего, чтобы процесс горения, сопровождающийся истечением вещества в межзвездное пространство, продолжался миллионы лет. Коллапс ядра сдерживает выделение тепла при ядерной реакции превращения более легких элементов в более тяжелые. При этом образуются все известные элементы от углерода и кислорода до железа, которые по очереди перегорают в звезде. Эти элементы по крайней мере на время удерживаются внутри звезды. Одновременно образуются почти безмассовые частицы – нейтрино.

В последние годы жизни звезды этот ядерный синтез и производство тяжелых элементов невероятно ускоряются, а температура и давление переходят опасную черту. Горение водорода в такой звезде может продолжаться много миллионов лет, а гелий исчерпывается примерно за миллион лет. После этого начинается ядерное горение углерода, продолжающееся всего около тысячи лет. Затем следует горение оставшегося кислорода, длящееся всего несколько недель. Похожая судьба ждет и более тяжелые элементы: после кислорода горит неон, затем магний и, наконец, на самой последней стадии, как раз перед тем, как ядро звезды станет железным, выгорает кремний, что, вероятно, занимает всего один день.

Именно тогда у звезды и начинаются истинные проблемы. В отличие от предыдущих элементов, ядерные превращения железа происходят не с выделением, а с поглощением энергии. Однако к этому моменту производство энергии звездой уже прекратилось, и ядро начинает сжиматься, поскольку гравитационная энергия остается единственным источником энергии. Когда масса ядра, состоящего теперь из железа, достигает порогового значения, равного примерно 1,4 массы Солнца, ядро неожиданно теряет способность сопротивляться сокрушительной силе гравитации. В доли секунды внешние слои ядра рушатся и устремляются внутрь со скоростью примерно семьдесят тысяч километров в секунду, что составляет около 23 % от скорости света. В результате коллапса при слиянии протонов и электронов образуются нейтроны, что, в свою очередь, приводит к образованию вырывающегося наружу из коллапсирующей звезды потока нейтрино. Падающее на центр вещество отбрасывается от железного ядра, плотность которого к этому времени становится невероятно высока – 400 миллионов миллионов грамм на кубический сантиметр. Так рождается нейтронная звезда (или черная дыра, если масса звезды очень велика).

В этот момент вокруг ядра образуется гидродинамическая ударная волна, которая разогревается за счет энергии разлетающихся во всех направлениях нейтрино. Они движутся вдоль прямолинейных траекторий и достигнут Земли раньше света сверхновой, поскольку фактически взрыва еще не было. При движении ударной волны от ядра к поверхности звезды, что может занять несколько часов, температура внешних оболочек звезды сильно увеличивается. Это делает возможным образование более тяжелых элементов из группы железа, например радиоактивного никеля-56, и элементов промежуточной массы между кремнием и группой железа, например радиоактивного титана-44 (считается, что существенно более тяжелые элементы, такие как золото, платина, серебро и уран, образуются при слиянии нейтронных звезд). Когда ударная волна достигает внешних или промежуточных слоев звезды, происходит сильнейший взрыв, сопровождающийся выбросом вещества со скоростью более пятидесяти миллионов километров в час. Именно этот последний взрыв оповещает о гибели звезды великолепной вспышкой сверхновой, которая способна затмить целую галактику.

Такие сверхновые называются “сверхновыми с коллапсирующим ядром”. Коллапс может проходить по-разному, но наиболее часто встречаются сверхновые типа Ib, типа Ic и типа II. Во всех трех случаях звезда-предшественница исходно имеет два слоя: внешний водородный и под ним гелиевый. Звезды, потерявшие за время жизни оба слоя, взрываются как сверхновые типа Ic; те, у которых гелиевый слой не выгорел, – как сверхновые типа Ib. Если при коллапсе все еще имеются оба слоя, ученые говорят о сверхновой типа II. Однако, несмотря на десятилетия наблюдений, изучения и моделирования, до сих пор точно неизвестно, как при таких сценариях коллапса ядра рождается нейтронная звезда.

В последнее время недоумение у ученых вызывает совсем другой тип сверхновых с коллапсирующим ядром – так называемые сверхъяркие сверхновые. Эти удивительно мощные, редкие транзиенты примерно в пятьдесят раз ярче своих коллапсирующих “родственников”. Хотя четкого объяснения их природы нет, как и представления о том, почему они такие яркие, но гипотез предостаточно. Согласно одной из них, такие сверхновые получают энергию от сильно намагниченных, быстро вращающихся нейтронных звезд, которые образуются при обычном коллапсе и передают энергию выброшенному при взрыве звездному материалу – остаткам звезд, разогревая их настолько, что они начинают светиться. В скором времени такие системы наблюдения, как Large Synoptic Survey Telescope (Большой обзорный телескоп), позволят обнаружить миллионы новых сверхновых. Анализ полученных результатов будет чрезвычайно полезен для понимания того, как и почему на самом деле взрываются гигантские звезды, и астрономы с нетерпением ждут этих многообещающих данных^18.

Глава 4

Зомби и звездотрясения

Чиа Мин Тан проводил каникулы дома, в Малайзии. 7 августа 2017 года был тихий летний день. После ланча мать и брат отправились смотреть телевизор, а Тан решил проглядеть данные со станции наблюдения пульсаров, с которыми он работал в Манчестерском университете перед отъездом домой. Тан стал магистрантом ровно год, десять месяцев, двенадцать дней и двадцать часов тому назад. Работу над диссертацией он стремился закончить как можно скорее. Это была первая остановка на длинной дороге к его мечте – он хотел стать профессором.

Тан анализировал данные, полученные при обзоре неба LOFAR Tied-Array All-Sky Survey (LOTAAS). LOFAR (Low Frequency Array, “низкочастотная антенная система”) – необычный, достаточно новый инструмент, представляющий собой сеть радиотелескопов, расположенных главным образом в Нидерландах^1. Это самый большой в мире и самый чувствительный телескоп, работающий в диапазоне частот 10-240 МГц, самых низких частот, которые можно зарегистрировать наземным телескопом. Сигналы, на которые Тан с удивлением смотрел, указывали на то, что в том месте, откуда они исходят, имеется несколько новых пульсаров с разными периодами – разными временами, за которые нейтронная звезда совершает один полный оборот вокруг своей оси. Все они располагались на одном и том же расстоянии от Земли и в одной и той же области неба. Заинтригованный, Тан продолжил анализировать данные. Стало понятно, что источник всех сигналов – один и тот же пульсар, но у него невероятно длинный период вращения, равный 23,5 секунды, и что сигналы регистрировались несколько раз за время оборота пульсара вокруг своей оси. Тан был ошарашен: это самый медленный из всех известных пульсаров. Тан немедленно сообщил о своем открытии коллегам из международной группы ученых LOTA AS. Сразу была запланирована встреча для обсуждения дальнейших действий, но Тану пообещали, что дождутся его возвращения.

Через несколько дней, в самолете, летящем назад в Манчестер, Тан думал только о своем открытии. Пульсар, теперь его называют PSR J0250 + 5854, вращался так медленно, что на диаграмме, обычно используемой астрономами для оценки популяции пульсаров в зависимости от скорости вращения звезды, он попадал ниже так называемой линии смерти. Эта теоретическая линия определяет границу, за которой пульсар считается умершим – он вращается так медленно, что прекращает испускать радиоволны, которые можно зарегистрировать. Когда такое происходит, обнаружить нейтронную звезду невозможно, если только она не “вернется к жизни” (что может произойти только в очень ограниченном числе специальных случаев). Пульсар Тана, однако, далеко отодвинул линию смерти от того места, где ученые ожидали ее обнаружить.

Сделанное открытие представлялось Тану невероятным: он никак не ожидал, что откроет такой важный новый пульсар, да еще во время работы над диссертацией. Однако то, что открытие было сделано дома, несколько притушило возбуждение: коллеги не могли порадоваться вместе с ним. Тан объяснил родным, что обнаружил нечто совсем необычное, но объяснить им, что это такое, оказалось невозможно. Он не мог дождаться того момента, когда снова окажется в Манчестере.

Рейс задерживался, и Тан уже начал паниковать. На встречу, где планировалось обсуждать новый пульсар, он примчался с чемоданом прямо из аэропорта. Коллеги дожидались его, и они вместе приступили к обсуждению значимости открытия и будущей научной публикации. Ученые пришли к выводу, что, вероятно, есть еще не открытые медленно вращающиеся пульсары. “Если мы их обнаружим, мы будем лучше себе представлять популяцию пульсаров и нейтронных звезд в галактике”, – говорит Тан. Кроме того, это поможет астрономам оценить, насколько быстро образовывались нейтронные звезды при эволюции Вселенной. У новооткрытого пульсара есть еще одна странность. Дело в том, что, хотя вращается он очень медленно, измерения скорости замедления вращения показывают, что в сравнении с другими пульсарами его магнитное поле велико.

После того как LOFAR обнаружил этот пульсар, его сигналы зарегистрировали и другие телескопы с рабочей частотой от 300 до 400 МГц. Как и многие астрономы сегодня, Тан еще ни разу не нанес визит радиотелескопу, на котором работает. Прямой необходимости в этом нет: все данные можно получить и проанализировать удаленно. Однако мне захотелось увидеть LOFAR – этот очень необычный телескоп, конструкция которого так не похожа на конструкцию других наземных инструментов, отслеживающих пульсары.

На поезде из Амстердама до города Хогевен на северо-востоке Нидерландов всего два часа езды. Начало мая. Прямо рядом со станцией, как на красивой открытке, нарядные голландские дома с разукрашенными окнами.

Фрэнк Нюйенс, улыбчивый представитель по связям с общественностью из Нидерландского института радиоастрономии (ASTRON), осуществляющего управление LOFAR, приглашает меня в свою машину. Через полчаса мы паркуемся в лесу недалеко от городка Двингело. Мы в головном офисе института радиоастрономии. Здесь же находится радиообсерватория Dwingeloo — телескоп с одним отражателем диаметром 25 метров. К моменту окончания строительства в 1956 году это был самый большой радиотелескоп в мире. Первенство не удалось удержать надолго: через год оно перешло к 76-метровому радиотелескопу Lovell в обсерватории Джодрелл-Бэнк. Сначала я направилась в аппаратную Dwingeloo. С 2000 года этот телескоп использовался астрономами-любителями и студентами. Одно из их наиболее необычных начинаний – проект информационного взаимодействия ЕМЕ (Earth – Moon – Earth), или “лунное эхо”. Когда астрономы посылают радиосигналы на Луну, те отражаются от лунной поверхности и попадают на антенну в другой точке Земли, устанавливая связь между людьми с помощью нашего естественного спутника^2.

Когда я поднималась по ступеням в диспетчерскую башню, она начала вращаться. В отличие от Parkes, башня которого неподвижна, а вращается только тарелка, здесь, чтобы направить радиотелескоп в другую область неба, Dwingeloo надо повернуть весь целиком. Это медленное вращение сбивает с толку. Сосны проплывают мимо крошечного окошка, и кажется, что ты на корабле в открытом море. Борясь с морской болезнью, я улыбаюсь Нюйенсу и оператору радиотелескопа, возбужденно указывающему на что-то на экране компьютера. “Вот он, смотрите, пульсар, на который сейчас направлен радиотелескоп”, – говорит оператор. Сигнал на экране движется вверх и вниз, видны регулярные пики, напоминающие сердцебиение человека. Оператор увеличивает громкость. Каждые несколько секунд звучит: “Бип… бип… бип… ” Я слышу пульсар в реальном времени. Пульсар, который находится где-то там, в глубине нашей Галактики, Млечного Пути. С ума можно сойти.

Минут через сорок мы наконец отправляемся к месту, которое и было целью моей поездки: мы едем к антенной системе LOFAR. Примерно час езды по нормальной дороге – и перед нами настоящая сельская местность. За окном мелькают редкие фермы. Неожиданно Нюйенс останавливает машину. Мы на проселочной дороге где-то между деревнями Эксла и Буенен. В обе стороны тянутся бесконечные поля. “Приехали”, – говорит Нюйенс, а я стараюсь разглядеть хоть что-то напоминающее телескоп. Поля заболочены, и ноги промокают за секунду; подозрительно глядя на нас, медленно пролетают гогочущие дикие гуси. Здесь нет заметной издалека грандиозной антенны, как у Parkes в Австралии; нет напоминающих скопление грибов тарелок меньшего размера, как у телескопа ALMA в чилийской пустыне Атакама или у телескопа MeerKAT в Южной Африке. Через несколько минут мы подходим к странной плоской конструкции, раскинувшейся среди заболоченной земли. Рядом, в ближайшем ручье, плавают десятки лебедей и уток. Сама эта конструкция напоминает солнечные панели, разложенные на земле. Рядом с ними торчат странные металлические столбы. Они пониже меня и напоминают антенны старого аналогового телевизора.

Это ядро LOFAR. Согласно соглашению между Нидерландским институтом радиоастрономии и местными властями, эти в прошлом сельскохозяйственные угодья стали охраняемой природной территорией площадью четыреста гектаров. Астрономы искали удаленное место, где радиопомехи были бы минимальны, а взамен пообещали создать приносящий прибыль заповедник. Работы по сооружению обсерватории начались в 2006 году. Ее основа – группа из двадцати четырех ядерных станций, размещенных на этой болотистой местности внутри круга диаметром 3,2 километра. Еще четырнадцать станций разбросаны по Нидерландам на площади диаметром около 96,5 километра; четырнадцать международных станций построены в Германии, Франции, Великобритании, Ирландии, Швеции, Польше и Латвии.

LOFAR уникален, поскольку дает возможность регистрировать очень низкие частоты радиоволн от 10 до 240 МГц, перекрывая FM-диапазон – полосу частот от 87,5 до 108 МГц. Прежде чем попасть на компьютеры таких исследователей, как Тан, сигналы LOFAR в реальном времени обрабатываются суперкомпьютером Нидерландского института радиоастрономии в Гронингенском университете. Данные, полученные этой обсерваторией, сильно отличаются от данных других радиотелескопов: обычно на приемное устройство направляются радиосигналы, собранные с определенного участка неба, тогда как LOFAR объединяет сигналы тысяч антенн, расположенных в разных странах, и использует так называемый интерферометрический метод. Это значит, что все антенны работают как один гигантский виртуальный телескоп, эквивалентная собирающая поверхность которого составляет около 300 тысяч квадратных метров. Именно так работает и антенная система из параболических отражателей, но у LOFAR нет подвижных частей. В любой момент каждая его антенна “видит” все небо, а чтобы “направить” LOFAR на определенный участок неба, суперкомпьютер вычисляет разницу во времени поступления радиосигнала, идущего с этого участка, на разные антенны. Затем все сигналы синхронизируются с учетом поправки на эту разницу во времени, что позволяет представить информацию в виде карты неба^3. “Возможность направить радиотелескоп сразу в сотни разных мест бывает очень полезна – можно наблюдать одновременно большой участок неба”, – рассказал мне Тан перед этой поездкой.

Очень низкие частоты, которые способен регистрировать LOFAR, долгое время оставались недоступны для обсерваторий с одним отражателем. Это объясняется тем, что радиоволны очень длинные, а чем частота ниже, тем длиннее волна: частота 10 МГц соответствует длине волны, равной тридцати метрам. Именно поэтому хорошо, если собирающая поверхность очень велика, – это позволяет добиться высокого разрешения. Радиоинтерферометр LOFAR существенно расширил возможность наблюдать источники излучения во всем диапазоне радиочастот. К настоящему времени этот радиотелескоп уже обнаружил около сотни новых пульсаров^4.

Оглянувшись, я увидела, что мы стоим на круглом “острове” примерно в триста двадцать метров в диаметре, а вокруг вьется ручей с утками и лебедями. Это Супертерп – сердцевина ядра LOFAR, где разместились шесть приемных станций. На местном голландском диалекте “терп” означает приподнятый участок, обеспечивающий защиту там, где часто бывают наводнения. Действительно, когда кругом вода, становится понятно, что такие участки необходимы. С высоты, на снимках, которые я потом рассматривала, Супертерп выглядит как отпечаток летающей тарелки пришельцев. Все станции внутри круга состоят из двух плоских конструкций, а каждая из конструкций – из двадцати четырех покрытых черным брезентом плиток площадью пять квадратных метров каждая. Фрэнк осторожно приподнимает брезент с угла одной из плиток, и я вижу белую рамку из пенополистирола. Брезент укрывает чувствительные антенны типа “галстук-бабочка”, образующие структуру, напоминающую пчелиные соты. Такая конфигурация позволяет каждой антенне “видеть” все небо сразу и направлять радиотелескоп в разные места одновременно. Еще один гусь пролетел мимо меня, начал накрапывать дождь. Мы осторожно накрываем антенну и идем обратно к машине. Я чувствую одновременно и благоговейный трепет, и разочарование: этот невзрачный радиотелескоп выглядит невероятно скучно, но именно он обнаружил самый медленный из всех известных пульсаров.

Пульсар, обнаруженный Чиа Мин Таном, не всегда был медленным. Образовавшийся после взрыва сверхновой пульсар сначала был молодым и энергичным и вращался гораздо быстрее. Дело в том, что коллапс ядра его материнской звезды, при котором происходит слияние протонов и электронов с образованием нейтронов, останавливается, только если давление нейтронов, невероятно сильно сжатых в крошечном объеме, уравновешивает грандиозную собственную силу тяжести ядра. Такая новорожденная нейтронная звезда, наследуя вращение от исходной звезды, крутится как сумасшедшая. Все звезды вращаются. Наше Солнце не исключение – каждые тридцать дней оно совершает оборот вокруг своей оси. Но когда массивная звезда на закате своих дней быстро сжимается во время гравитационного коллапса, скорость ее вращения резко увеличивается. Это похоже на увеличение скорости вращения фигуристки, которая внезапно прижимает к телу разведенные в стороны руки. Другими словами, звезда передает свой угловой момент сжимающемуся ядру, что обеспечивает ему огромный рост скорости вращения.

Излучение, которое эти вращающиеся остатки ядер звезд посылают в космическое пространство, позволяет нам их обнаруживать. До сих пор остается загадкой, какие именно механизмы ответственны за это излучение, но ученые рассматривают несколько сценариев. Хотя считается, что внутренняя структура всех нейтронных звезд одинакова, похоже, есть три разных источника наблюдаемого излучения. В одних случаях излучение нейтронной звезды может быть обязано только ее вращению, в других – перетягиванию вещества от звезды-компаньона. И наконец, некоторые нейтронные звезды столь сильно намагничены, что их закрученные магнитные поля могут привести к растрескиванию поверхности звезды. Происходит “звездотрясение”, сопровождающееся мощной, короткой и яркой вспышкой. Каждый из механизмов по-своему замечателен, и чем больше мы наблюдаем нейтронные звезды, тем лучше понимаем, как они устроены^5.

Радиопульсары: крутящиеся галактические колеса

Когда Джоселин Белл открыла четыре пульсара LGM, они казались маленькими зелеными человечками, разбросанными по небу, которые вращаются в космическом одиночестве. Эти радиопульсары расходуют на излучение собственную энергию вращения. С тех пор обнаружено более 2700[14] радиопульсаров, главным образом в Млечном Пути. Излучение таких пульсаров достаточно слабое, и наши радиотелескопы не могут обнаружить те из них, что находятся гораздо дальше. Сверхмедленный пульсар Тана – тоже один из таких радиопульсаров. Источником излучения вращающегося пульсара служат частицы, уносимые с ускорением вдоль линии, соединяющей его магнитные полюса. Когда такой поток частиц пересекает луч зрения телескопа, мы регистрируем всплеск^6.

Радиопульсары бывают либо одиночными, либо они являются компонентами двойных звезд, то есть систем из двух звезд, связанных друг с другом гравитационным взаимодействием и обращающихся вокруг общего центра масс. Излучая, пульсары теряют энергию, все больше и больше “устают” и потому вращаются все медленнее и медленнее. Как и самый медленный пульсар Тана, их излучение обычно соответствует радиодиапазону, хотя некоторые из пульсаров бывают источниками рентгеновского и гамма-излучения. Редко встречаются “чудища” (их называют слабыми рентгеновскими одиночными нейтронными звездами – сокращенно X – DIN или XINS, X-ray Dim Isolated Neutron Stars), которые излучают только в рентгеновском диапазоне, что необычно для одиночных пульсаров. Таких обнаружено пока только семь, их прозвали “Великолепная семерка”. Что это на самом деле – загадка. Может, мы просто не видим исходящие от них радиоволны, поскольку эти потоки радиоизлучения не направлены на нас. Или, возможно, они чрезвычайно узкие, так что вероятность их пересечения с лучом зрения телескопа очень мала. Представьте, что кто-то рядом с вами размахивает лазерной указкой. Вероятность, что ее узконаправленный луч будет светить вам прямо в глаза, очень мала.

Еще до открытия первого пульсара итальянский астроном Франко Пачини предположил, что быстро вращающиеся нейтронные звезды могут испускать радиоволны. Однако это должно сопровождаться множеством различных физических процессов. Начинается все с того, что материнская звезда передает своему потомку не только вращение, но и магнитный поток (составляющая магнитного поля, перпендикулярная заданной поверхности). Так нейтронная звезда обзаводится магнитным полем. Хотя у пульсара, как и у намагниченного бруска, который показывают на уроке физики в школе, есть два магнитных полюса, магнитные линии пульсара ведут себя совсем не так. Магнитные линии бруска выходят из южного полюса и идут к северному, откуда они выходят опять, образуя непрерывные, бесконечные замкнутые контуры.

Когда нейтронная звезда вращается, силовые линии магнитного поля тоже вращаются одновременно с ней – они привязаны к поверхности, как бороздки на вращающейся граммофонной пластинке. И, как ребенок на карусели, чем дальше от звезды, тем быстрее они вращаются. Но бесконечно скорость вращения увеличиваться не может: при каком-то радиусе она становится больше скорости света. В этот момент совместное вращение силовых линий и звезды заканчивается – в противном случае силовые линии поля будут двигаться быстрее скорости света, что невозможно.

Эта виртуальная граница, за которой совместное вращение невозможно, называется световым цилиндром. Любая магнитная силовая линия, не умещающаяся под световым цилиндром, остается незамкнутой. Излучение расходится внутри конуса, ограниченного последними замкнутыми силовыми линиями, заканчивающимися на световом цилиндре. Световой цилиндр имеет каждый вращающийся магнит, включая Землю. Но магнитное поле Земли достаточно слабое – на поверхности оно меняется от 0,25 до 0,65 гаусса, и концы цилиндра так далеко, что никакой роли он не играет. Однако магнитное поле нейтронной звезды настолько мощное, что это действительно важно.

Эти открытые силовые линии могут ускорять частицы, как мотор. Вблизи двух магнитных полюсов они срывают с поверхности нейтронной звезды лавину частиц. Эти частицы, главным образом электроны, обладающие большой энергией, несутся вдоль открытых силовых линий внутри узких конусообразных пучков, не обязательно направленных вдоль оси вращения пульсара. Взаимодействуя с магнитными силовыми линиями, частицы ускоряются и испускают радиоволны, распространяющиеся в космосе в том же направлении, что и движущиеся частицы. Пульсар можно заметить, если один из несущихся через пространство потоков направлен в сторону Земли. Как уже говорилось раньше, пульсар, наподобие морского маяка, испускает лучи непрерывно, но он вращается вокруг своей оси, и поэтому мы видим повторяющиеся вспышки света.

Со временем, по мере того как все больше и больше частиц уносится с поверхности нейтронной звезды, пульсар замедляется. В какой-то момент лишенный энергии пульсар начинает вращаться слишком медленно, магнитные силовые линии уже не могут срывать электроны с поверхности нейтронной звезды, и излучение должно будет прекратиться. Считается, что примерно 965 лет назад, когда пульсар в Крабовидной туманности был молод, его период вращения составлял шестнадцать миллисекунд. Сегодня он равен тридцати трем миллисекундам, и пульсар продолжает замедляться, а его период увеличивается примерно на 1,3 миллисекунды в столетие. Чем сильнее начальное магнитное поле, тем быстрее замедляется пульсар. Магнитное поле молодых пульсаров порядка 10^12-10^13 гауссов. (Для сравнения: магнитное поле магнитика, который вешают на холодильник, порядка ста гауссов.) Такой пульсар остается активным от десяти до ста миллионов лет. Это значит, что из всех нейтронных звезд, рожденных за 13,7 миллиарда лет существования Вселенной, около 99 % не излучают в радиодиапазоне: даже если они продолжают медленно вращаться, свет их маяков погас. Они пересекли линию смерти и растворились в небытии космоса, перебравшись на кладбище нейтронных звезд.

Аккрецирующие пульсары: голодные зомби

Не все радиопульсары так и остаются мертвыми. У некоторых есть звезды-компаньоны, связанные с ними гравитационными силами; перетягивая на себя вещество компаньона, радиопульсары могут “восстать из могилы”. Ученые называют их раскрученными миллисекундными пульсарами.

Для Нидерландов 29 декабря 2016 года выдалось необычно снежным и холодным. Оставалось еще несколько месяцев до того, как на суперкомпьютер Гронингенского университета поступят данные от самого медленного пульсара, но LOFAR все же удалось преподнести астрономам запоздалый рождественский подарок. Кес Басса, сотрудник Нидерландского института радиоастрономии, решил проверить последние показания LOFAR: в конце концов, телескоп не ушел на каникулы, так что поиск пульсаров продолжался. Сидя в спальне и привычно просматривая свежие данные, Басса неожиданно заметил на сигнале пик – возможно, пульсар, который, в отличие от других пульсаров, вращается с невероятно большой скоростью. Это было очень интересно, и, несмотря на выходные дни, Басса отправил электронное письмо своему коллеге Джейсону Хесселсу из Амстердамского университета. Тема письма звучала интригующе: “Поздоровайся с…” Когда Хесселс открыл письмо и увидел данные, каникулы закончились уже у двоих.

Среди всех обнаруженных пульсаров новый пульсар, теперь его называют PSR J0952-0607, занимает второе место по скорости вращения. Он почти догнал “рекордсмена”, обнаруженного Хесселсом двенадцатью годами ранее, в 2004-м (подробнее об этом открытии будет рассказано в главе 5). Периоды вращения обоих пульсаров измеряются миллисекундами: представьте себе пульсар Басса в виде шара размером с Вашингтон, вращающегося со скоростью 707 оборотов в секунду. Хесселс рассказывает: “Когда я прочел письмо Басса, то еще даже до всяких проверок понял: все правильно. Я был чрезвычайно возбужден, ведь последние пятнадцать лет это один из самых интересных для меня вопросов. Поэтому, хоть я и был в отпуске, но, услышав о таком невероятном событии, немедленно все бросил. Ни о чем другом думать не мог – это один из самых захватывающих этапов работы”. Торжествовал Хесселс не один: потрясающей новостью он поделился с женой и семилетней дочкой Димфи. Хесселс рассказывает: “Я сказал Димфи, что вот есть такая новая звезда и она совершенно особенная, поскольку вращается так быстро, что голова может очень, очень сильно закружиться”. Димфи в восторге начала кружиться: “Вот так, папочка? Я нейтронная звезда?”

Вращающиеся так быстро пульсары называются миллисекундными. Первый такой пульсар открыл американский астрофизик Дональд Чарльз Баккер в 1982 году, после того как его магистрант Шри Кулкарни обработал данные телескопа Arecibo. Этот пульсар, получивший название PSR В 1937+21, вращается необыкновенно быстро – в двадцать раз быстрее пульсара в Крабовидной туманности. Совершая 642 оборота в секунду, он удерживал рекорд скорости более двух десятилетий.

К настоящему времени астрономы обнаружили более трехсот[15] миллисекундных пульсаров, большинство из которых находится в галактическом диске Млечного Пути. Их плотность максимальна внутри шаровых звездных скоплений, содержащих большое число тесно связанных гравитацией старых звезд. В таких скоплениях могут быть сотни тысяч, иногда даже миллионы звезд, но и тогда только около 5 % из них миллисекундные пульсары.

В отличие от радиопульсаров, совершающих в одиночестве несколько оборотов в секунду, миллисекундные пульсары обычно обнаруживают в паре с другой звездой, чаще всего с белым карликом. Однако не всегда звездная пара существовала в таком виде. Подобные двойные системы исходно состоят из пары обычных звезд, безмятежно обращающихся друг относительно друга. В какой-то момент более массивная звезда расходует все свое ядерное топливо. Она вспыхивает сверхновой, оставляя вместо себя нейтронную звезду. Если система “выживает” при взрыве сверхновой, то есть ни нейтронная звезда, ни ее компаньон не выбывают из системы, они будут продолжать обращаться вокруг общего центра масс, причем пульсар излучает энергию в виде радиоволн (иногда еще и рентгеновское и гамма-излучение) и вращается все медленнее. За время своей жизни этот пульсар может замедлиться настолько, что замолчит – умрет, и наши телескопы больше не смогут его видеть.

Миллиарды лет спустя истечет срок жизни и компаньона пульсара – обычной звезды меньшей массы. Звезда начнет раздуваться и превратится в красный гигант. Вот тут-то становится действительно интересно. Раздуваясь, звезда приближается к своему компаньону – замолкшему пульсару. В какой-то момент она приблизится настолько, что излучение пульсара начнет разогревать поверхность красного гиганта – и вещество с нее будет улетучиваться. Когда такое происходит, из материала спутника пульсара формируется струя, направленная на мертвого друга, благодаря чему вокруг нейтронной звезды образуется диск из захваченного вещества. Этот процесс называется “аккреция”. Его можно описать так. Аккреционный диск напоминает горячий пончик. Разбухшее тесто – вещество, из которого он состоит, – стекает через отверстие, напоминающее слив ванной, и закручивается вокруг нейтронной звезды, постепенно оседая на ее поверхности. Перетекание вещества на нейтронную звезду до какой-то степени уменьшает ее магнитное поле, хотя до конца этот процесс не понимает никто.

В результате аккреции нейтронной звезде передается угловой момент, что заставляет ее вращаться быстрее. Можно сказать, что компаньон нейтронной звезды вдыхает в нее новую жизнь. Падающее на нейтронную звезду вещество взаимодействует с ее магнитным полем. Если магнитное поле достаточно велико, чтобы преодолеть силу гравитации, горячая газовая плазма удерживается вдоль магнитных силовых линий и впоследствии начинает стекать к магнитным полюсам нейтронной звезды. Тогда нейтронная звезда формирует горячие аккреционные пятна (обычно их называют просто “горячие пятна”) непосредственно в области магнитных полюсов – что-то вроде горба или горы поверх полюсов. Горячие пятна начинают излучать в рентгеновском диапазоне, и с этого момента пульсар опять можно обнаружить, при условии, что горячее пятно оказывается в поле зрения наших рентгеновских телескопов. Такая система называется маломассивной рентгеновской двойной системой, или LMXB (Low Mass X-ray Binary), поскольку компаньон, передающий вещество на нейтронную звезду, изначально был звездой малой массы наподобие Солнца, а пульсар излучает рентгеновские лучи^7.

С тех пор в Млечном Пути обнаружили около двух сотен LMXB, тринадцать из них в шаровых звездных скоплениях. Их можно наблюдать с помощью космических рентгеновских телескопов, таких как Chandra и XMM. Но открытие этих систем началось с пуска ракеты.

Шел 1949 год. Детектор рентгеновских лучей установили на переделанной ракете “Фау-2”, запущенной с ракетного полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико. Вынесенный за пределы атмосферы ракетой, детектор был предназначен для регистрации рентгеновского излучения Солнца. Астрономы подозревали, что и наша собственная звезда является источником рентгеновского излучения. Они знали, что рентгеновское излучение должно поглощаться атмосферой, но ожидали, что звезды и другие космические тела вроде нашего Солнца, содержащие очень горячие газы при температурах от миллиона до ста миллионов кельвинов, испускают рентгеновские лучи. Считалось, что рентгеновское излучение Солнца должно быть существенно слабее видимого света, исходящего от нашей звезды, и, по мнению астрономов, именно поэтому им никак не удастся обнаружить рентгеновское излучение более далеких звезд.

В 1962 году они поняли, что это предположение было неверным. Итальянский астрофизик Риккардо Джаккони установил детектор рентгеновского излучения на ракете Aerohee 150. Она стартовала 12 июня 1962 года, и тогда впервые удалось наблюдать космическое рентгеновское излучение источника, который, без сомнения, находился вне Солнечной системы. Сейчас этот источник известен как Скорпион X-1. Хотя он расположен гораздо дальше Солнца, его излучение в сто тысяч раз интенсивнее полного излучения Солнца во всем диапазоне длин волн. Стало очевидно, что Скорпион X-1 – не звезда. Кроме того, детектор Джаккони показал, что рентгеновское излучение заполняет всю Вселенную. Началась эра рентгеновской астрономии.

Точно так же как в середине шестидесятых Джоселин Белл терпеливо вбивала столбы в грязь Кембриджшира, советский астроном Иосиф Шкловский упорно анализировал рентгеновские и оптические данные Скорпиона X-1. Согласно его гипотезе, источником излучения была нейтронная звезда, аккрецирующая вещество своей звезды-компаньона. В то время нейтронные звезды существовали только в теории, но позже Белл обнаружила первый пульсар LGM-1 и трех его “кузенов”. Вскоре подтвердилось, что Скорпион X-1 – двойная рентгеновская звезда, а конкретнее – LMXB. До сих пор это все еще самый яркий из известных источников рентгеновского излучения на небе.

В 1970 году группа Джаккони запустила спутник Uhuru – первую орбитальную рентгеновскую обсерваторию. Позже эта обсерватория обнаружила первого кандидата на роль черной дыры. На самом деле Uhuru — неофициальное название космического телескопа SAS-1 (Small Astronomy Satellite— 1, “маленький астрономический спутник – 1”). Но название Uhuru прижилось: на суахили это слово означает “свобода”, а запустили спутник с итальянского космодрома Сан-Марко в Кении в день независимости страны. Позднее Джаккони работал с Einstein X-ray Observatory (Рентгеновская обсерватория имени Эйнштейна) – первым рентгеновским телескопом, позволявшим получать изображение источника, запущенным в 1978 году, а затем и с его преемником телескопом Chandra — космической рентгеновской обсерваторией, запущенной в 1999 году^8. “В то время оборудование было совсем не таким фантастическим, как сейчас, так что получить от Chandra или XMM столь же качественные рентгеновские изображения, как сегодня, не удавалось, – рассказывает Дэвид Бакли из Южноафриканской астрономической обсерватории в Кейптауне. – Мы знали только, что в некоторой области неба есть рентгеновские источники и отыскать их оптические аналоги совсем непросто. Некоторые даже использовали старомодные фотографические пластинки, когда искали на небе голубые и переменные объекты”.

Одним из первых источников рентгеновского излучения, идентифицированных как двойная система, стал Лебедь X-1. Свое название он получил в соответствии с принятым тогда общим правилом: открытые источники рентгеновского излучения астрономы называли по имени созвездия, где источник был обнаружен, и добавляли букву X, указывающую на то, что это рентгеновский источник. Постепенно от этого правила отказались, поскольку обнаруженные источники исчислялись миллионами. Сегодня неожиданные вспышки рентгеновского излучения ищут такие современные детекторы, как INTEGRAL, Swift, NICER и Maxi (прибор для мониторинга рентгеновского изображения всего неба, разработанный японскими учеными и установленный на Международной космической станции).

Помимо LMXB бывают и нейтронные звезды другого типа, излучающие в рентгеновском диапазоне. Если в двойной системе компаньон нейтронной звезды имеет промежуточную массу, систему называют рентгеновской двойной системой промежуточной массы, или IMXB (Intermediate Mass X-ray Binary). Если масса звезды-компаньона превосходит массу Солнца более чем в десять раз, мы имеем дело с рентгеновской двойной массивной системой, или HMXB (High Mass X-ray Binary). В последнем случае одна из звезд взрывается сверхновой и становится нейтронной звездой. Хотя ее компаньон – чрезвычайно яркая звезда, испускающая звездный ветер благодаря давлению излучения, вещество, захваченное нейтронной звездой, не образует аккреционный диск, а прямо оседает на ее поверхности. В рентгеновское излучение преобразуется энергия ветра. HMXB можно увидеть и в оптическом диапазоне, где доминирует излучение массивной звезды. Однако не все HMXB содержат нейтронную звезду: иногда на ее месте может быть черная дыра.

Однако системы LMXB, пожалуй, самые необычные, поскольку считается, что именно они были прародителями сверхбыстрых и очень, очень старых пульсаров^9.

По мере нарастания аккреции вещество звезды-компаньона, перетекающее на нейтронную звезду, приводит к ослабеванию ее магнитного поля. Когда оно уменьшается до 10^8 гауссов, аккрецируемое вещество оказывается так близко к поверхности, что, передавая угловой момент пульсару, может ускорить его вращение настолько, что оно станет миллисекундным. По окончании аккреции рентгеновское излучение, источником которого был аккреционный диск, прекращается: теперь это опять миллисекундный радиопульсар в стадии так называемого раскручивания. Комбинация ослабленного магнитного поля и ускоренного вращения приводит к увеличению времени жизни пульсара. Видимый пульсар существует от десяти до ста миллионов лет, а возраст такой нейтронной звезды – более миллиарда лет, сопоставимо с возрастом Вселенной. Привет тебе, дважды умерший – “зомби в квадрате” – остаток ядра некогда массивной звезды, превратившийся в очень старый радиопульсар.

Тем временем компаньон миллисекундного пульсара превращается в белый карлик. Либо он остается белым карликом, либо сильный ветер высокоэнергетических частиц пульсара уносит прочь вещество соседней звезды. Такое происходит, если пульсар нагревает своего компаньона до температуры, вдвое превышающей температуру поверхности Солнца, и постепенно разрушает его. Именно поэтому некоторые пульсары не входят в двойные системы, а существуют “в гордом одиночестве”. Их называют “черными вдовами” по аналогии с самками одноименных пауков, пожирающими своих супругов. К таким пульсарам относится, например, первый миллисекундный пульсар, открытый Баккером. На данный момент обнаружено восемнадцать таких пульсаров в Млечном Пути и еще несколько в шаровых звездных скоплениях, принадлежащих нашей Галактике[16]. У некоторых из них компаньонов нет, тогда как спутниками других являются звезды чрезвычайно малой массы. Именно такого типа систему обнаружил Басса: масса белого карлика, компаньона пульсара, составляла всего 2 % от массы Солнца. Очевидно, что большую часть массы он потерял из-за соседства с очень “голодным” пульсаром. Когда спутник пульсара имеет чуть большую массу, но все еще явно сражается за свое выживание, пульсар, опять используя аналогию с пауками, называют “австралийской вдовой”10.

Тогда как миллисекундные пульсары обычно излучают радиоволны, некоторые из них не могут решиться на что-то определенное и периодически излучают то в радио-, то в рентгеновском диапазоне. Такие странные создания получили название “переходные миллисекундные пульсары”. В 2008 году группа из Амстердамского университета под руководством Энн Арчибальд с помощью телескопа Green Bank в Западной Вирджинии открыла новый радиопульсар, известный сейчас как PSR J1023 + 0038. Когда Энн и ее коллеги обратились к архивным данным, стало ясно, что за восемь лет до того ровно в этом же месте видели в оптическом диапазоне нейтронную звезду, окруженную аккреционным диском. Они начали непрерывное наблюдение нового пульсара с помощью телескопов Lovell, Arecibo, Green Bank и Westerbork. Пульсар был виден до июня 2013 года, а затем внезапно исчез. Через несколько недель снова появился аккреционный диск и звезда опять стала видна в оптическом диапазоне. Благодаря аккреционному диску она была очень яркой. Позднее наблюдения, выполненные в обоих участках спектра с помощью космических рентгеновских обсерваторий и оптических телескопов на Земле, показали, что система попеременно переключается с “радиовещания” на другие частоты, излучая в рентгеновском диапазоне, когда происходит аккреция вещества и пульсар становится виден в участке спектра, доступном невооруженному глазу^11.

Очень редко такие двойные системы состоят из двух пульсирующих нейтронных звезд. К настоящему моменту известна только одна такая система – двойной пульсар (PSR J0737–3039A/B). Хотя всплески более медленного пульсара, так называемого пульсара В, не фиксировались с 2008 года, его миллисекундный партнер А все еще благополучно излучает радиоволны^12.

Магнетары – самые сильные магниты во Вселенной

Другой механизм, приводящий даже к еще более мощному излучению, связан с магнитным полем некоторых нейтронных звезд. Напряженность их магнитного поля столь велика, что они, по-видимому, являются самыми сильными магнитами во всей Вселенной. По мере затухания магнитного поля эти нейтронные звезды излучают рентгеновские и гамма-лучи, которые можно наблюдать. Такие нейтронные звезды называют магнетарами, и до сих пор ученым удалось обнаружить только около тридцати магнетаров.

“Магнетары были открыты благодаря счастливому стечению обстоятельств”, – рассказывает Хриса Кувелиоту, профессор астрофизики физического факультета Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия. Ее исследования магнетаров начались еще в 1979 году, хотя тогда она сама, магистрантка из Греции в Институте физики Общества Макса Планка в Мюнхене, об этом и не подозревала. В то время Кувелиоту занимала загадка так называемых гамма-всплесков.

Кувелиоту решила, что ее диссертация будет посвящена очень мощным вспышкам гамма-излучения, идущим из глубин космоса. Впервые такие вспышки наблюдались в июле 1967 года. Два американских разведывательных спутника Vela предназначались для регистрации гамма-излучения при взрыве атомных бомб. Находясь на земной орбите, они должны гарантировать, что никто не нарушает соглашение о запрете испытаний ядерного оружия в космосе. Неожиданно спутники зафиксировали короткую, длительностью всего две десятых секунды, вспышку гамма-излучения. Сигналы разительно отличались от возможных сигналов изготовленного на Земле ядерного оружия. Через три минуты вспышки прекратились. Затем, через четырнадцать с половиной часов, был отмечен более слабый пучок рентгеновского излучения, исходящий из того же места в далеком космосе. Благодаря атмосфере Земли никто, кроме ученых, работающих на космическую программу правительства Соединенных Штатов, не заметил этих всплесков. Откуда они взялись? Американские военные встревожились.

Позднее сходные всплески зафиксировали и другие детекторы. Всего обнаружили и изучили шестнадцать всплесков – сначала строго секретно в Лос-Аламосской национальной лаборатории министерства энергетики США, организованной во время Второй мировой войны для разработки ядерного оружия. Наконец в 1973 году ученые из Лос-Аламоса опубликовали результаты своих исследований. Они утверждали, что это внегалактические сигналы, не имеющие явно никакого отношения к земному ядерному оружию. Хотя все еще никто не понимал, что является источником этих вспышек, Кувелиоту в своей диссертации высказалась в пользу самой популярной в то время теории: вспышки возникают на финальной стадии эволюции сверхмассивной, быстро вращающейся звезды при ее коллапсе в черную дыру. Эта теория по-прежнему согласуется с современными представлениями, когда речь идет о длинных, длящихся более двух секунд, гамма-всплесках. Однако, как было показано в 2017 году, гораздо более кратковременные гамма-всплески, так называемые короткие, вызваны слиянием двух нейтронных звезд.

Из-за чрезвычайной яркости гамма-всплесков многие ученые вначале полагали, что их источник находится где-то недалеко, в пределах нашей Галактики. Это значило, что наблюдаемая мощность гамма- и рентгеновского излучения должна быть чуть ниже предела Эддингтона, определяющего максимальную светимость очень горячих и ярких звезд, которая достигается при равновесии направленных внутрь гравитационных сил и направленного наружу давления излучения.

А затем произошло нечто удивительное. 5 марта 1979 года мощная волна гамма-излучения накрыла на околосолнечной орбите две советские автоматические межпланетные станции “Венера-11” и “Венера-12”. За несколько месяцев до этого от обеих станций отделились спускаемые аппараты, вошедшие в кислотную, токсичную атмосферу нашей ближайшей планеты-соседки Венеры, после чего станции продолжили движение вокруг Солнца. Русские астрономы видели, что показания приборов, регистрирующих галактическое излучение, вполне обычные – около ста всплесков в секунду. Но, когда ранним вечером по московскому времени волна гамма-излучения накрыла станции, уровень радиации подскочил невероятно: приборы, регистрировавшие свыше двухсот тысяч импульсов в секунду, зашкаливало.

Волна на этом не остановилась. Через одиннадцать секунд она достигла Helios 2, аппарата НАСА, тоже двигавшегося по орбите вокруг Солнца. Затем, перекатившись через Венеру, накрыла американский зонд Pioneer Venus Orbiter. Следующей была Земля. Поток излучения достиг детекторов на трех спутниках Vela министерства обороны США, X-ray Einstein Observatory, первого рентгеновского телескопа, позволявшего получать изображение источника, и советского спутника “Прогноз-7”. Наконец, двигаясь дальше по Солнечной системе, он достиг зонда International Sun-Earth Explorer (ISEE-3), предназначенного для изучения магнитных полей вокруг Земли. К счастью, годом ранее, незадолго до запуска ISEE-3, ученые, изучающие гамма-всплески, попросили добавить туда пару детекторов гамма-излучения – эта область исследований была еще совсем новой, и такие детекторы на данном зонде не предполагались. Их запрос удовлетворили^13.

Когда начали поступать данные с ISEE-3, Кувелиоту работала у себя за столом в Институте внеземной физики имени Макса Планка. До защиты диссертации у нее оставалось около года. Сначала, вспоминает Кувелиоту, все думали, что этот невероятный пик связан с инструментальной ошибкой, но, когда появились данные других спутников, стало ясно, что ошибки нет.

Вспышка длилась долю секунды, однако волна гамма-излучения, прокатившаяся по Солнечной системе, оказалась в сто раз мощнее зарегистрированной спутниками Vela в 1967 году. Кувелиоту и ее коллеги были потрясены. Все обнаруженные до этого гамма-всплески считались результатом единовременного катастрофического события – взрыва, при котором их источник исчезает. Но теперь, 5 марта 1979 года, после первого пика периодические пульсации наблюдались еще секунд сто. Периодичность этого “хвоста” была особенно удивительна. “Периодичность означала, что у компактного объекта есть поверхность. Проще говоря, что это нейтронная звезда”, – рассказывает Кувелиоту. Вскоре были зарегистрированы еще и другие, хотя и менее интенсивные, всплески. Но направление сигналов явно указывало на одно и то же место на небе, а их описание не укладывалось ни в одну из известных теорий происхождения гамма-всплесков. Кувелиоту вспоминает: “Все казалось настолько загадочным, что мы попросту растерялись”. Некоторые ученые даже предположили, что первый всплеск вызван столкновением кометы с нейтронной звездой.

Вскоре после этого удалось локализовать источник события, произошедшего 5 марта. Он находился в Большом Магеллановом Облаке и был связан с молодым остатком сверхновой N49, возраст которого составлял около пяти тысяч лет. Это значило, что источник оказался примерно в тысячу раз дальше, чем исходно предполагалось на основании его блеска, а светимость этого источника по крайней мере в миллион раз превосходила предел Эддингтона. Из-за периодичности импульсов “хвоста” черная дыра таким источником быть не могла. Но был остаток сверхновой. Могла ли являться источником нейтронная звезда? В то время было только известно, что пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие радиоволны. Однако наблюдавшийся на Земле всплеск рентгеновского излучения был слишком мощным, чтобы его можно было соотнести с радиопульсаром. Кроме того, получалось, что нейтронная звезда, если это действительно она, должна находиться не в центре остатка сверхновой, а где-то с краю. Это указывало на то, что при рождении ее выбросило из места расположения звезды-предшественницы со скоростью порядка тысячи километров в секунду – гораздо быстрее, чем любой из известных тогда пульсаров.

В течение следующих четырех лет советские ученые из Физико-технического института в Ленинграде (сейчас это Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге) зарегистрировали еще шестнадцать всплесков, идущих из того же места, – одни сильнее, другие слабее, но все менее заметные и более короткие, чем вспышка 5 марта. Еще несколько подобных событий, которые следовали группами из трех разных мест на небе, зарегистрировали позднее. Никто толком не знал, что это такое.

Кувелиоту закончила аспирантуру в 1981 году. Год она преподавала в Афинском университете, а затем получила работу в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, находящегося в ведении НАСА. Однако гамма-всплески и таинственная вспышка 1979 года не выходили у нее из головы. В 1986-м на астрономической конференции в Тулузе зашел разговор о событиях 1979 года, и она тоже решила высказаться. Тогда большинство ученых считало, что это что-то вроде гамма-всплесков, но Кувелиоту думала иначе. Гамма-всплески были темой ее диссертации, и она не сомневалась, что это не они.

Единого мнения не было, но на конференции “виновников” решили назвать источниками мягких повторяющихся гамма-всплесков (SGR, Soft Gamma Repeater). Дело в том, что энергия этих всплесков оказалась не столь велика, как у обычных гамма-всплесков, и поскольку эти события повторялись, они явно не были связаны с какими-то катастрофическими явлениями. Все больше ученых соглашались с тем, что гамма-всплески гораздо мощнее и берут начало где-то в глубоком космосе, за пределами нашей Галактики, a SGR находятся гораздо ближе, в плоскости Млечного Пути.

Время от времени продолжали происходить выбросы энергии из источника, наблюдавшегося впервые 5 марта 1979 года. Похоже, что последний такой выброс замечен в мае 1983 года. Кувелиоту намеревалась раскрыть эту загадку, но проблема заключалась в том, что еще не существовало инструментов для зондирования этих таинственных всплесков и не было аппаратуры высокого разрешения, позволяющей определить место, откуда они исходят. Больше десяти лет Кувелиоту не оставалось ничего другого, как ждать. Она не знала, что два физика-теоретика приближаются к раскрытию этой тайны с другой стороны. Скоро их пути пересекутся.

В 1979 году, когда волна гамма-излучения накрыла Землю, Крис Томпсон был еще школьником и, в отличие от Кувелиоту, даже не подозревал о существовании гамма-всплесков. Но в 1986 году Томпсон вместе с Робом Дунканом заинтересовался магнитными полями радиопульсаров. Тогда он был магистрантом Принстонского университета, а Дункан недавно защитил там же диссертацию. Молодые люди хотели выяснить, каким образом магнитные поля замедляют вращение пульсаров и почему некоторые пульсары намагничены сильнее, чем другие.

Важная подсказка содержалась в работе о новообразованных нейтронных звездах, незадолго до этого опубликованной Адамом Берроузом из Университета Аризоны и Джеймсом Латтимером из Университета Стоуни-Брук штата Нью-Йорк. Они разработали компьютерную модель, показывавшую, что плотная жидкость внутри еще горячей нейтронной звезды циркулирует благодаря конвекции в течение нескольких секунд, прежде чем начинает остывать. Все звезды обладают слабыми магнитными полями и передают нейтронной звезде лишь некоторое остаточное магнитное поле. Однако, как предположили Дункан и Томпсон, иногда оно может стать гораздо сильнее. Это произойдет не с каждым пульсаром, а только с теми, что чрезвычайно быстро вращались при рождении – запуская так называемый динамо-эффект. Этот эффект проявляется и у нашей Земли, и у большинства звезд. Он запускается, когда электропроводящая жидкость или газ движется циклично: горячие области поднимаются наверх, затем остывают и опускаются снова вниз, совсем как в закипающей в кастрюле воде. Магнитное поле зависит от заряженных частиц в жидкости, поэтому оно вытягивается и усиливается при ее движении.

На этой стадии внутри нейтронной звезды все еще обычная, а не сверхтекучая жидкость, которая образуется только тогда, когда звезда существенно остывает. Эта горячая нейтронная жидкость мечется вверх и вниз со скоростью несколько тысяч километров в секунду. Если, утверждали Дункан и Томпсон, начальное магнитное поле новорожденной нейтронной звезды достаточно сильное и вращается она достаточно быстро, совершая более двухсот оборотов в секунду, постепенно запускается динамо-эффект. Хотя все разворачивается в течение нескольких секунд, этого оказывается достаточно, чтобы увеличить магнитное поле, которое становится больше 10^15 гауссов. Это в тысячу раз больше магнитного поля типичной нейтронной звезды, вращающейся слишком медленно для того, чтобы началась конвекция и запустился динамо-эффект. Напомню, что магнитное поле Земли всего примерно полгаусса, а магнитика на холодильнике – около ста гауссов. Магнитное поле пятен на Солнце – самых намагниченных его мест – порядка трех тысяч гауссов. Чем сильнее начальное магнитное поле, тем быстрее умирает нейтронная звезда: со временем она начинает вращаться слишком медленно, чтобы излучать радиоволны. Угасание пульсара занимает от десяти до ста миллионов лет.

Томпсон и Дункан решили дополнительно исследовать, как проходит процесс увеличения магнитного поля. “Мы задумались о том, как такие поля должны проявляться, можем ли мы обнаружить их «визитную карточку»”, – рассказывает Томпсон. В 1992 году они опубликовали произведшую эффект разорвавшейся бомбы статью, где, чтобы описать эти странные объекты, ввели термин “магнетар”, или “намагниченная звезда”. Магнетары – нейтронные звезды, магнитное поле которых сильнее, чем у любого другого объекта во Вселенной. Томпсон и Дункан вычислили, что верхний предел магнитного поля, которое подобные звезды могут создавать и удерживать, – порядка 10^17 гауссов. Когда этот предел превзойден, ядерная жидкость внутри звезды начинает перемешиваться и поле слабеет.

Кроме того, теоретики исследовали влияние сверхсильного магнитного поля на вращение нейтронной звезды. Вскоре стало понятно, что это поле быстро и очень существенно замедляет вращение магнетара: в конечном итоге практически вся энергия вращения переходит в энергию магнитного поля. Хотя при рождении магнетар должен вращаться быстрее обычного пульсара, скорость его вращения стремительно падает. При поле в 10^15 гауссов период магнитных волн, забирающих на себя энергию вращения, примерно через пять тысяч лет становится равен восьми секундам. Более того, скорость вращения магнетаров не постоянна. Сначала они очень быстро замедляются – их период вращения удваивается за время от нескольких минут до нескольких часов, – а затем скорость замедления постепенно падает. Если нейтронные звезды, особенно миллисекундные пульсары, известны как устойчивые часы, то магнетары – часы ужасные: скорость, с которой они вращаются, постоянно колеблется и может возрастать или уменьшаться даже в десять раз.

Выяснилось, что периодичность события 5 марта 1979 года составляла именно восемь секунд. Это указывало на связь между источниками мягких повторяющихся гамма-всплесков и сверхсильными магнитными полями из теории магнитного динамо Томпсона и Дункана. Для теоретиков всплеск 1979 года оказался крайне полезен еще и по причине его чрезвычайно большой энергии и яркости. Стало понятно, что сверхсильные магнитные поля могут объяснить как очень высокую яркость (на пике гигантская вспышка магнетара, такая как событие 1979 года, от тысячи до десяти тысяч раз ярче повторяющихся всплесков SGR), так и длинный хвост регулярных импульсов, зарегистрированный вслед за ярким пиком гамма-излучения. Поскольку магнитные поля и то, что было выброшено при вспышке, увлекаются быстро вращающейся нейтронной звездой, астрономы регистрируют всплеск каждый раз, когда звезда “смотрит” прямо на Землю.

Томпсон и Дункан утверждали, что напряженность магнитного поля такой нейтронной звезды можно рассчитать двумя разными способами. В первом, согласно их нумерации, использовалась комбинация наблюдаемого периода вращения и возраста остатка сверхновой N49. Но для того, чтобы именно магнитное поле было ответственно за огромную энергию всплеска 1979 года, оно должно было превышать 10^14 гауссов. Вернувшись на шаг назад, теоретики пришли к выводу, что, когда такое чрезвычайно сильное магнитное поле проходит через твердую, обычно стабильную кору звезды, в ней постепенно накапливаются столь большие напряжения, что кора разламывается и происходит “звездотрясение”. Это приводит к тому, что магнитное поле вне звезды закручивается и, передавая энергию облакам электронов и позитронов, вызывает огромный выброс магнитной энергии в форме жесткого (высокоэнергетического) гамма-излучения, сходного с излучением вспышки на Солнце, но гораздо более интенсивного.

Тогда получается, что пульсирующий хвост “питается” от остатка постепенно рассеивающегося, уменьшающегося в размере огненного шара – горячего облака электрон-позитронных пар, захваченных магнитным полем вблизи быстро вращающейся нейтронной звезды. Этот остаток облака охлаждается в процессе рентгеновского излучения с его съеживающейся поверхности. “Вероятно, выделение энергии вне нейтронной звезды связано с процессом, который называют магнитным пересоединением”, – говорит Томпсон. Например, взрыв на Солнце, или, иначе, солнечная вспышка, – это магнитное пересоединение, при котором магнитные силовые линии вблизи поверхности быстро перестраиваются. Такой процесс приводит к высвобождению энергии магнитного поля, которая часто излучается в виде гамма-лучей. “Однако детали подобного процесса в магнетаре сейчас активно изучаются”, – добавляет Томпсон.

В магнитных полях такой мощности проявляются всевозможные необычные новые явления. Рентгеновские фотоны объединяются и делятся надвое; считается, что атомы полностью деформируются – становятся длинными и тонкими, как спагетти. Вблизи нейтронной звезды самое жесткое (обладающее самой большой энергией) рентгеновское излучение не может распространяться обычным образом. Сильно намагниченный вакуум вокруг нейтронной звезды должен вести себя как поляризационный фильтр, который, как и солнечные очки, пропускает излучение только линейно поляризованное. В 2016 году этот эффект был подтвержден прямым наблюдением. Томпсон и Дункан также вычислили, как замедление вращения магнетара зависит от магнитной активности звезды. В 1995 году они вместе опубликовали еще одну, дополняющую их теорию статью, где предложили семь различных способов для расчета магнитного поля всплеска, имевшего место 5 марта. И все семь способов дали один и тот же результат: магнитное поле превышало 10^14 гауссов.

Многие астрономы отнеслись к смелым заявлениям Томпсона и Дункана скептически, но Кувелиоту не входила в их число. Все эти годы она ждала появления подходящего инструментария, который позволил бы ей добиться успеха. Было ли событие 1979 года действительно коротким всплеском гамма-излучения? И что такие всплески собой представляют на самом деле? Прочитав статью, где предполагалась возможность существования магнетаров, Кувелиоту вместе с небольшой группой коллег твердо решила проверить это утверждение.

13 декабря 1995 года в НАСА готовились запустить в космос ракету-носитель со спутником RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer, “исследователь рентгеновских временных характеристик имени Росси”) на борту. У этого зонда имелась вполне определенная цель: отслеживать изменения во времени различных источников рентгеновского излучения, уделяя особое внимание черным дырам и нейтронным звездам. Кувелиоту представила проект, предполагавший наблюдение источников мягких повторяющихся гамма-всплесков, которые, как она надеялась, проявятся за время работы RXTE. Проект утвердили. Кувелиоту повезло: вскоре после того, как спутник вышел на заданную околоземную орбиту, он действительно зарегистрировал всплеск, идущий от одного из источников события 1979 года.

Двумя годами ранее японский спутник AS С А уже наблюдал этот SGR, определил его точное положение, но не установил период вращения звезды. А теперь группе Кувелиоту удалось показать, что импульсы рентгеновского излучения появляются каждые 7,5 секунды. При вращении нейтронной звезды вращаются и горячие пятна ее магнитосферы: они то видны, то не видны. Следовательно, период вращения звезды составляет 7,5 секунды, что очень близко к 8 секундам – периоду пульсаций, наблюдавшихся в марте 1979 года.

Кувелиоту начала наблюдение этого объекта. Она хотела вычислить период его вращения и скорость, с которой вращение замедляется. Так можно было бы выяснить, верен ли вывод Томпсона и Дункана, утверждавших, что чрезвычайно сильное магнитное поле приводит к очень быстрому замедлению магнетара. Фактически Кувелиоту начала “хронометрировать” этот объект. Хронометрирование – широко используемый метод наблюдения пульсаров, сводящийся к тому, что в течение нескольких лет максимально точно определяют моменты прихода одного или нескольких импульсов. Ученые надеются заметить изменения во времени прихода импульсов, поскольку это может быть проявлением возмущения ткани пространства, например, при обращении нейтронной звезды и ее компаньона в двойной системе вокруг общего центра масс. (Более подробно о методе хронометрирования см. в разделе “Чуть глубже: Хронометрирование пульсаров”.)

Исходные данные Кувелиоту были еле заметны и зашумлены, и поэтому ее техника хронометрирования слегка отличалась от обычно используемой радиоастрономами в случае пульсаров. Данные наблюдения радиопульсаров необычайно точны, что позволяет связать между собой периоды вращения в разное время. Например, предположим, что при каждом вращении радиояркость демонстрирует два пика – большой и маленький. Тогда период вращения можно измерить столь аккуратно, что возможно будет очень точно предсказать время появления большого пика в будущем, учитывая, что при следующем измерении – через несколько дней или месяцев – время его появления из-за замедления вращения звезды слегка сдвигается. Метод, использованный Кувелиоту, был несколько проще. Он основывался на приеме, используемом астрономами при хронометрировании аккрецирующих рентгеновских пульсаров. Периодичность рентгеновского сигнала измеряется в пределах нескольких часов. Затем, через какое-то время, то же самое измерение повторяется. Но, поскольку точность измерения ниже, чем для радиопульсаров, связать периоды вращения для этих двух интервалов труднее.

Как и следовало ожидать, после пяти лет хронометрирования стало ясно, что период вращения SGR уменьшился на две тысячные, что означало его уменьшение на одну секунду каждые триста лет, то есть быстрее, чем у любого известного радиопульсара. Кувелиоту выполнила расчет и обнаружила, что, если звезда замедляется с такой скоростью, отдавая энергию и угловой момент магнитному полю, его напряженность должна быть 8×10^14 гауссов. Это значение, очень близкое к оценке Дункана и Томпсона, превышало магнитное поле любого известного пульсара или другого объекта во Вселенной. “Точности измерений Хрисы хватало, чтобы показать, какое большое значение имеет скорость замедления вращения SGR, – рассказывает Томпсон. – Этого было достаточно”.

Результат воодушевил Кувелиоту, но для полной уверенности она направила свои данные для проверки двум другим группам, не сообщив им заранее, какой период получился у нее. Совпали и период, и скорость его изменения. Теперь она осознала важность сделанного открытия. Из Центра космических полетов имени Джорджа Маршалла в городе Хантсвилл, Алабама, она связалась с Дунканом и Томпсоном. “Теперь мы были абсолютно уверены, что все это реальность. Мы чуть не прыгали от радости, – рассказывает Кувелиоту, – и начали готовить статью для Nature. Вот как все было. А еще мы начали использовать название «магнетар», поскольку это был первый пример магнетара”.

Статья в Nature вышла 21 мая 1998 года и вызвала большой интерес среди астрономов. “Для меня это грандиозное событие. Невероятное ощущение – первой обнаружить источник этих мягких повторяющихся гамма-всплесков, – рассказывает Кувелиоту. – Ведь я всегда говорила, что это что-то новое, и продолжала это утверждать, пока наконец не измерила магнитное поле. Я оказалась права – это действительно новый источник, поскольку его магнитное поле столь велико”.

Это было только начало. Через несколько недель SGR 1900 + 14 “сработал” более пятидесяти раз, а в июне 1998 года астрономы обнаружили четвертый источник, SGR 1627-41, который за два следующих месяца выдал около ста мощных вспышек. Утром 27 августа 1998 года невероятно мощная волна гамма- и рентгеновского излучения накрыла Землю. Эта вспышка, отмеченная семью спутниками, разбросанными по всей Солнечной системе, была сильнее, чем 5 марта 1979 года. Она даже стала причиной внезапного изменения, произошедшего с ионосферой – верхней частью атмосферы Земли, что повлияло на радиосвязь. В 3:22 по североамериканскому тихоокеанскому летнему времени нижняя граница ионосферы внезапно на пять минут опустилась с 85 до 60 километров, туда, где ей обычно полагалось быть в дневное время, когда высокоэнергетические фотоны, идущие от Солнца, поддерживают более высокий уровень ионизации воздуха. Причиной тому была вторая гигантская вспышка гамма-излучения, зарегистрированная от магнетара SGR 1900 + 14, вызвавшего событие 1979 года. Следует отметить, что группа Кувелиоту опять обнаружила быстрое замедление вращения этого SGR. Это подразумевало, что величина магнитного поля была того же порядка, как и при первом измерении. Особенно важно, считал Томпсон, что измерения подтвердили теорию. “Как теоретик я очень рад, что наша работа оказалась полезной при планировании серии наблюдений. В астрономии мы, теоретики, обычно занимаемся «расчисткой» – пытаемся постфактум что-то систематизировать и объяснить. Гораздо реже наша работа оказывается важна для обоснования новых экспериментов, которые иначе не были бы выполнены”.

В то время как шел поиск научного объяснения природы мягких повторяющихся гамма-всплесков, астрономы, работающие в рентгеновском диапазоне, были озадачены другим явлением. За год до того, как 5 марта 1979 года вспышка достигла Земли, НАСА запустило Einstein X-ray Observatory – первую орбитальную обсерваторию, способную фокусировать рентгеновские лучи, идущие от далеких объектов. Наряду со многими другими зондами, волна гамма-излучения накрыла и ее, но серьезных повреждений не причинила.

Однако в том же году Einstein X-ray Observatory обнаружила еще нечто новое. Астрономы уже знали целый ряд рентгеновских пульсаров и считали, что все они существуют парами, а их излучение обязано аккреции вещества звезды-компаньона. В декабре 1979 года Филипп Грегори и Грег Фалман из Университета Британской Колумбии в Канаде, использовавшие эту обсерваторию для изучения некоторых радиопульсаров, заметили ярко сияющий точечный источник рентгеновского излучения в созвездии Кассиопея на расстоянии примерно десяти тысяч световых лет от Земли. Этот источник, чем-то напоминавший газовое облако, Грегори и Фалман назвали 1E 2259 + 586 и предположили, что этот объект представляет собой нейтронную звезду внутри своего “дома” – остатка сверхновой. В рентгеновском диапазоне светимость обнаруженного объекта в сотни раз превосходила светимость Солнца.

Несмотря на длительные поиски, астрономы так и не обнаружили компаньона звезды в созвездии Кассиопея, а значит, источником ее энергии не могла быть аккреция. Излучение нельзя было объяснить и вращением: радиоволн они не зафиксировали, а поскольку период вращения звезды составлял семь секунд, скорость потери энергии и замедление вращения звезды слишком малы, чтобы объяснить подобную яркость в рентгеновском диапазоне. Механизм излучения нового пульсара оставался загадкой. Используя усовершенствованную аппаратуру, астрономы продолжали искать звезду-компаньона, но безрезультатно. Ее не удавалось обнаружить ни с помощью глубоких оптических наблюдений, ни при попытках применить хронометрирование, чтобы обнаружить так называемый доплеровский сдвиг частоты, обязанный движению двух тел друг относительно друга.

Вместо этого астрономы обнаружили еще три одиночных, очень ярких рентгеновских источника с периодом испускания импульсов, близким к шести секундам. (Сильно намагниченные нейтронные звезды, излучающие в рентгеновском диапазоне за счет аккреции вещества звезды-соседа, вращаются гораздо быстрее.) Теперь, когда пришлось иметь дело с четырьмя новыми странными “чудищами”, стало ясно: пришло время признать, что это новый класс нейтронных звезд. В марте 1995 года на конференции в Ла-Хойя, Калифорния, Томпсон и Дункан высказали предположение, что такие пульсары тоже могут быть магнетарами. Они назвали их аномальными рентгеновскими пульсарами (AXP, Anomalous X-ray Pulsar).

Томпсон и Дункан пояснили: наподобие переходного маховика молодые магнетары, вращаясь и быстро замедляясь, должны излучать радиоволны. Электрические токи, обуславливающие их огромные магнитные поля, медленно затухают на протяжении тысяч лет, что делает молодые магнетары яркими и непрерывно действующими источниками рентгеновского излучения. Годами эта модель оставалась лишь одной из нескольких приемлемых теорий. Но Томпсон и Дункан показали, что, если AXP – на самом деле магнетары, такие же как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков, они время от времени должны демонстрировать яркие вспышки, которые астрономы должны иметь возможность обнаружить. Однако для наблюдения этого явления исследователям нужен был какой-то новый метод. Идея пришла в голову Виктории Каспи, астрофизику из Университета Макгилла в Монреале.

В ожидании “глитча”[17]

Я встретилась с Каспи дождливым октябрьским днем. Клены за окном ее кабинета соревновались в выборе самых ярких осенних оттенков желтого и красного. Каспи – хрупкая, невысокая женщина с копной красиво вьющихся волос и, кажется, неизменной улыбкой. У нее огромный опыт исследования радиопульсаров. В аспирантуре Каспи много занималась хронометрированием пульсаров и, в частности, миллисекундных пульсаров на основании данных обсерватории Аресибо. Это было только самое начало мониторинга временной динамики пульсаров — очень точной регистрации времени прихода импульсов для определенного числа разбросанных по небу пульсаров. Каспи точно знала, как “сохранять период” – отслеживать каждое вращение нейтронной звезды в течение длительного времени. “Я знала, что главное – иметь результаты двух наблюдений, разделенных небольшим временным интервалом, часом или двумя, затем третьего измерения, выполненного несколькими часами позже, а затем надо увеличивать интервалы до тех пор, пока не будет достаточно наблюдать их только раз в месяц”, – рассказывает Каспи.

Но это были радиопульсары. Однажды, в 1995 году, когда Каспи после защиты диссертации работала в Калифорнийском технологическом институте, она услышала доклад физика Тома Принса об аномальных рентгеновских пульсарах. Эти системы ее заинтриговали. Как раз в то время Дункан и Томпсон выдвинули предположение, что это могут быть магнетары, и Каспи хотела помочь разгадать загадку. За несколько месяцев до этого приступила к работе орбитальная рентгеновская обсерватория RXTE, и она подумала, что было бы интересно проверить, применим ли к AXP метод отслеживания периода, использованный ею при исследовании радиопульсаров. Каспи не слишком много знала о RXTE, но ее друг и коллега из Массачусетского технологического института Дипто Чакрабарти знал достаточно, и поэтому план исследования они составили вместе. “Этот проект требовал очень больших ресурсов телескопов, но был одобрен”, – говорит Каспи. Метод хронометрирования сработал, что стало понятно сразу же после получения первого пакета данных RXTE. Выяснилось, что, в отличие от достаточно нестабильных аккрецирующих рентгеновских пульсаров, аномальные рентгеновские пульсары вращаются вполне стабильно.

Для Каспи это служило доказательством того, что AXP излучают не за счет аккреции вещества звезды-компаньона в двойной системе. Но это еще не доказывало, что это магнетары, и поэтому она продолжила систематические наблюдения. Метод хронометрирования, главное в котором – сохранение согласованности периодов, дает возможность обнаруживать внезапные, очень малые изменения периода вращения подобных объектов, и однажды они с Чакрабарти такое изменение зарегистрировали. Это было первое наблюдение так называемого глитча аномальных рентгеновских пульсаров. Хотя обычно радиопульсар представляет собой очень точные астрономические часы, при глитче период вращения пульсара внезапно становится короче – нейтронная звезда начинает вращаться быстрее, а затем ее скорость вращения постепенно восстанавливается до прежнего значения (подробнее о глитче см. главу 5). “Это важно, поскольку до того глитч наблюдался только у радиопульсаров. И это стало еще одним убедительным свидетельством в пользу того, что AXP имеют больше общего с одиночными радиопульсарами, чем с аккрецирующими пульсарами”, – рассказывает Каспи. Как следовало из измеренных Каспи и Чакрабарти скоростей замедления вращения AXP, их магнитные поля тоже существенно больше, чем у одиночных радиопульсаров.

Каспи и Чакрабарти продолжали в среднем каждые две-три недели проверять пять аномальных рентгеновских пульсаров, что позволило им собрать достаточно большую базу данных. Они увидели глитч еще одного такого объекта, но в целом картина выглядела стабильной. Каспи говорит: “… Для меня, но не для всех, этого доказательства было достаточно”. В 2001 году на конференции в Бостоне коллега Каспи астроном Пит Вудс предложил поискать среди их данных вспышки, аналогичные вспышкам источников мягких повторяющихся гамма-всплесков. Каспи, в то время профессор Университета Макгилла, попросила сделать это одного из своих аспирантов, Фотиса Гавриила. Его старания были вознаграждены. В сентябре 2002 года Гавриил показал Каспи сигнал, похожий на тот, который они искали. Источник этой яркой рентгеновской вспышки находился в направлении известного аномального рентгеновского пульсара 1E 1048.1-5937. После тщательного анализа и долгих обсуждений группа Каспи пришла к выводу: наиболее вероятно, что это SGR-подобный всплеск. Он не такой яркий, как при мягких повторяющихся гамма-всплесках, но все же гораздо ярче, чем в случае обычных рентгеновских пульсаров. Они опубликовали статью в Nature^14. И все же Каспи беспокоилась, что их анализ может оказаться неправильным: ведь, хотя и наблюдалось две вспышки с интервалом в шестнадцать дней, источник был всего один.

Как оказалось, они попали в точку. Через несколько месяцев, 22 июня 2002 года, зазвонил мобильный телефон Каспи. Это была Джин Суонк – научный руководитель RXTE. Она была взволнована. “Вспыхнул один из ваших аномальных рентгеновских пульсаров – сработала сигнализация. Что ты хочешь, чтобы мы сделали?” – выпалила она. Источник 1E 2259 + 586 расположен в совсем другом направлении, чем та вспышка, о которой шла речь в статье в Nature. Ответ последовал немедленно: “Продолжайте наблюдения!” Что они и сделали. Так зарегистрировали первую очень сильную, более яркую, чем предыдущая, вспышку аномального рентгеновского пульсара. Всего зафиксировали более восьмидесяти коротких всплесков и одновременно сбои вращения – глитчи. Типичные рентгеновские пульсары так себя не ведут. “Эти вспышки были столь похожи на вспышки SGR, что астрономам не требовалось новых доказательств. Ясно, что аномальные рентгеновские пульсары – это магнетары”, – говорит Каспи. Даже в названии статьи ученые указали, что эти данные получены в результате наблюдений “больше не аномального рентгеновского пульсара 1E 2259 + 586”15. “Сейчас понятно, – говорит Каспи, – что исследователи поступили смело, утверждая, что первый всплеск был магнетароподобным, но со вторым все стало совсем просто”.

И, немного помолчав, добавляет: “К слову сказать, когда произошла эта вспышка, я была на девятом месяце беременности, так что слово «всплеск»[18] имело для меня совсем другое значение!” Каспи родила дочку через неделю после регистрации всплесков, но до самой последней минуты координировала наблюдения за ними на нескольких телескопах. Одна из коллег даже предложила назвать девочку 1E 2259 + 586, но Каспи решила назвать ее Джулией.

Вики Каспи перенесла свой опыт хронометрирования согласованности периодов радиопульсаров в мир рентгеновского излучения. Хронометрирование показало, что вращение AXP, как и вращение радиопульсаров, очень стабильно, но, как у SGR, у них бывают мощные вспышки и кратковременные сбои периодичности вращения – глитчи. С тех пор астрономы фиксировали множество вспышек аномальных рентгеновских пульсаров. Граница между ними и SGR настолько размыта, что теперь и те и другие источники многие называют магнетарами.

Томпсон, однако, предпочитает сохранить два названия. Он говорит, что AXP обнаруживают главным образом при поиске постоянных источников рентгеновского излучения и что ни один из известных аномальных рентгеновских пульсаров никогда не вспыхивал так же ярко, как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Чаще всего всплески излучения AXP имеют промежуточную яркость, а обнаруживают их, если кто-то случайно направит на эти источники рентгеновский телескоп именно тогда, когда происходит вспышка. В другое время эти источники слишком тусклые, так что заметить их нашими широкоугольными детекторами гамма-излучения, предназначенными для поиска действительно ярких всплесков, не удается.

В настоящий момент известно лишь небольшое число аномальных рентгеновских пульсаров. Один из них, обнаруженный тоже в созвездии Кассиопея, излучает даже в видимой части спектра. Вращаясь, этот очень тусклый пульсар то вспыхивает, то исчезает.

До 2004 года все известные магнетары (их насчитывалось около десятка) обнаруживались только благодаря их рентгеновскому или гамма-излучению. Все они вращались медленно и находились относительно близко – большинство в нашей Галактике. Это привлекло внимание некоторых радиоастрономов. Направив радиотелескопы на эти магнетары, они решили выяснить, излучают ли те еще и радиоволны, но ничего не увидели. Начиная с 2005 года стали появляться публикации, где физики пытались объяснить, почему магнетары не излучают радиоволны. “Считалось, что в сравнении с обычными пульсарами их магнитные поля настолько сильны, что должны проявиться некие препятствующие излучению квантово-механические эффекты”, – говорит астроном Фернандо Камило, руководитель научных исследований Южноафриканской радиоастрономической обсерватории, которая контролирует работу всех радиоастрономических центров в Южной Африке. Я встретилась с ним в этой обсерватории в Кейптауне.

В то время Камило работал в Колумбийском университете, а в том же офисе напротив него сидел астрофизик Юлиус Гальперн. В 2005 году Гальперн вместе с несколькими сотрудниками анализировал данные наблюдений галактической плоскости, полученные телескопами VLA в Нью-Мексико. Однажды они обнаружили точечный радиоисточник без пульсаций, находившийся в том же месте, что и рентгеновский магнетар XTE J1810-197, обнаруженный RXTE в 2003 году. Гальперн написал статью, где доказывал, что это не может быть радиопульсар. Он предположил, что источник связан с каким-то другим явлением, скажем с ударной волной, вызванной взрывом магнетара и распространяющейся по межзвездной среде. С этим выводом Камило согласился.

Но, и отправив статью, Гальперн не переставал думать об этом источнике: он не давал ему покоя. Итак, через несколько недель Гальперн обратился к Камило, который в отличие от него работал радиоастрономом, и попросил направить в это место телескоп Parkes. Камило это не слишком заинтересовало: если уж на то пошло, в конце девяностых вместе с Эндрю Лайном он участвовал в программе наблюдения пульсаров в галактической плоскости обсерватории Parkes, и никаких пульсаров в этом направлении обнаружено не было. Однако Гальперн не сдавался. Он все уговаривал и уговаривал Камило заняться этим вопросом. Наконец, в марте 2006 года, отчасти чтобы отделаться от Гальперна, но также, как смеясь заметил Камило, из-за того, что “Юлиус часто оказывается прав”, он попросил Джона Саркисяна, специалиста, управляющего работой Parkes, ввести заданные координаты. И на десять часов огромную тарелку Parkes повернули в направлении рентгеновского магнетара. “Я помню, что это было в выходные. Я занимался анализом данных. Юлиус сидел дома: в выходные он на работу не приходит, а я часто там бываю. Итак, я проглядывал данные – и бац! Это самый яркий пульсар, который я когда-либо видел”, – говорит Камило, который и сейчас в офисе.

Пульсации нейтронной звезды повторялись каждые 5,5 секунды, что соответствует периоду вращения магнетара.

Камило вспоминает, что вспышки оказались невероятно яркими – настолько яркими, что автоматически были помечены как радиочастотные помехи. Увидев этот временной интервал между пиками, Камило сразу понял, что перед ним. Он немедленно связался с Гальперном. “Я был так потрясен, что позвонил ему домой. Я сказал: «Боже! Ты не поверишь, что я обнаружил». Он охнул: «Боже, ты нашел магнетар!»” Этот первый из известных излучающих в радиодиапазоне магнетаров стал совершенно неожиданной находкой для тех, кто занимался пульсарами.

Впоследствии эти два физика задумались над тем, почему раньше этот источник не был виден в радиодиапазоне. Оказалось, что до 2002 года нейтронная звезда испускала очень слабое рентгеновское излучение, но внезапно оно стало в тысячу раз ярче. Камило считает, что нечто похожее произошло и с радиоизлучением. Так что это все-таки не просто точечный источник, а пульсирующий магнетар. Астрономическое сообщество было потрясено: ведь должны быть и другие излучающие радиоволны магнетары, хотя, очевидно, в данный момент они “не работают”.

Однако эмиссия радиоволн магнетаром отличается от излучения обычных радиопульсаров. Магнитное поле типичного пульсара устойчиво и структурировано наподобие поля диполя. Так же как в случае обычного стержневого магнита с северным и южным полюсом, источниками излучения пульсара являются области вблизи его магнитных полюсов, а радиоволны распространяются вдоль искривленных магнитных силовых линий. При этом яркость излучения (ее называют “плотность потока”) фактически обратно пропорциональна квадрату частоты, хотя для разных пульсаров эти зависимости слегка отличаются. Если радиочастоту, на которой ведется наблюдение, увеличить в десять раз, яркость обычно падает примерно в сто раз. Если же частоту увеличить в сто раз (скажем, от 1 до 100 ГГц), поток уменьшится в 100^2, или 10 000, раз. Но плотность потока радиоизлучения магнетаров практически не зависит от частоты. “Мы сначала увеличили частоту до нескольких гигагерц, затем до сорока гигагерц, затем довели длину волны примерно до одного миллиметра, что граничит с безумием – ни с одним пульсаром мы такого не делали, – рассказывает Камило. – И по-прежнему отдельные импульсы, исходящие от этого магнетара, были видны очень четко”. К тому же спектр был совсем-совсем плоским, а это значит, что при всех частотах поток радиоизлучения оставался более или менее одинаковым. И максимум энергии излучения приходился на большие частоты (порядка 100 ГГц), а не на низкие (меньше 1 ГГц), как в случае обычных радиопульсаров.

В случае обычного одиночного пульсара излучение в радиочастотном диапазоне связано с вращением нейтронной звезды, тогда как рентгеновское и гамма-излучение магнетара обязано затуханию магнитного поля. Хотя механизм излучения магнетарами радиоволн еще не установлен окончательно, считается, что светимость в радиодиапазоне связана с вращением магнетара. Тем не менее должна быть какая-то связь между активностью коры магнетара, изменением магнитного поля и сбоями вращения звезды, которые проявляются в изменении радиоизлучения. Например, радиоволны, исходящие от первого магнетара, не удавалось обнаружить вплоть до 2003 года, но они появились примерно в то же время, что и рентгеновская вспышка. “Ясно одно: что бы ни произошло на поверхности и внутри звезды, что стало причиной рентгеновской вспышки, так или иначе оно же обусловило и радиоизлучение”, – говорит Камило. Но почему? Он продолжает: “На самом деле мы не знаем детали этого процесса. Привела ли вспышка к рентгеновскому излучению, став причиной образования множества заряженных частиц вблизи звезды, которые движутся вокруг нее вдоль силовых линий ранее существовавшего магнитного поля, или само магнитное поле перестраивается и сжимается – и каким-то образом сильнее ускоряет все имеющиеся заряженные частицы?”

Камило продолжал наблюдение этого магнетара в течение следующих двух лет, после чего вдруг обнаружил, что его радиоизлучение становится все слабее и слабее. “Жаль, что я не наблюдал этот магнетар раньше, в 2002 или в 2003, и в 2004, и в 2005 году. Неизвестно, что нам тогда удалось бы обнаружить. Может, он был еще ярче и еще интереснее, – говорит Камило. – Мы зарегистрировали пульсации только в 2006-м, когда прошло уже три или четыре года после рентгеновской вспышки”. Все это время рентгеновское излучение становилось все слабее, и когда Камило это понял, он заметил, что средний поток радиоизлучения тоже уменьшается.

Этот магнетар “умер” в 2008 году. Камило страшно расстроился, но надежду терять не хотелось: а что, если он внезапно вернется к жизни? Оставалось только ждать и прочесывать космос в поисках других излучающих радиоволны магнетаров. В июне 2007 года Камило обнаружил еще один магнетар, излучающий радиоволны вот уже более десяти лет. Еще два были затем открыты другой группой. В 2009 году при обзоре Млечного Пути с помощью телескопа Parkes обнаружили третий магнетар, находящийся достаточно близко к Земле – всего на расстоянии тридцати тысяч световых лет. Астрономы называют его PSR J1622-4950. Сначала считалось, что это простой пульсар, но затем стало понятно, что это медленный, продолжающий замедляться пульсар с периодом вращения, равным четырем секундам, а значит, как и магнетар, он обладает большим магнитным полем. Ученые пришли к выводу, что с ним связан подобный магнетару точечный источник рентгеновского излучения. В течение следующих нескольких лет этот источник наблюдали с помощью рентгеновского телескопа Chandra и действительно видели его в рентгеновском диапазоне. А затем, в 2014 году, он тоже умер… на три года.

Камило продолжал следить за первым радиомагнетаром еще несколько лет, проверяя его по нескольку минут примерно раз в месяц, но тот оставался мертвым. 26 апреля 2017 года Камило был уже в Южной Африке и работал на строящейся обсерватории MeerKAT. В то время обсерватория насчитывала всего шестнадцать отражателей, а по завершении строительства их стало шестьдесят четыре. Сообщение пришло на почту, когда Камило уже собирался уходить из своего кабинета, чтобы поехать в аэропорт Кейптауна, откуда он должен был лететь в Австралию. В сообщении содержался краткий отчет о результатах наблюдений магнетаров, которые по просьбе Камило вел его коллега с помощью телескопа Parkes. Он писал: “Да, Фернандо, первый магнетар все еще мертв. Второй магнетар делает свое дело – он по-прежнему яркий. И третий магнетар тоже светится очень ярко”. Камило подумал тогда: “Как же он может светиться, если он уже мертв!” Сначала Камило решил, что это ошибка, но понял: если это не так, значит, магнетар внезапно снова “включился”. Впопыхах, боясь пропустить свой рейс, он отправил коллеге ответ и попросил его продолжать следить за магнетаром. Однако тот ответил, что вскоре телескоп Parkes будет отключен на месяц, поскольку требуется замена части его электронной системы.

“И во время полета я не переставал думать об этом. Ну что за несчастье! – вспоминает Камило. – Источник в южной полусфере неба, и Parkes — единственный радиотелескоп в мире, который может справиться с такой задачей”. И вдруг его осенило: ведь он научный руководитель принципиально нового телескопа. Телескоп еще не полностью готов, но что с того? “Добравшись до Австралии, я отправил электронные письма некоторым моим коллегам в Южной Африке”, – говорит Камило. Они “как одержимые” с помощью четырех рентгеновских телескопов XMM, Chandra, Swift и NuSTAR проводили наблюдения этого магнетара по нескольку минут каждый день не только в радио-, но и в рентгеновском диапазоне. Теперь он светил несколько иначе, поскольку за время длительного бездействия его магнитное поле перестроилось. Но, по словам Камило, то, что этот магнетар вернулся, было поразительно.

Еще один магнетар, PSR J1745-2900, открыли в 2013 году. Он знаменит своим специфическим местоположением вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Открытие это шокировало: астрономы думали, что столь близко к галактическому центру на сравнительно низких радиочастотах они не смогут обнаружить даже пульсары. И не из-за того, что не слишком старались, – радиотелескопы более десяти лет обследовали эту область, но безрезультатно. Их главной целью всегда был поиск миллисекундных пульсаров, которые затем можно использовать как невероятно точные часы, двигающиеся по быстрым орбитам вокруг галактического центра, для проверки общей теории относительности. (Более подробно об их усилиях будет рассказано в главе 8.) Магнетар к миллисекундным пульсарам не относится: его период вращения составляет 3,76 секунды, а магнитное поле достигает 10^14 гауссов.

Поскольку магнетары – большая редкость, они невероятно загадочны. Астрономы знают, что в течение нескольких тысяч лет эти источники рентгеновских лучей постепенно гаснут, но неясно, как после исчезновения рентгеновского излучения затухает магнитное поле. Возможно, существенное магнитное поле остается “вмороженным” в звезду и затухает мало. Вероятно, обнаружить радиоизлучение магнетаров, и без того нерегулярное, становится еще труднее. Поэтому до тех пор, пока магнетар не вернется к жизни, найти его очень сложно, если вообще возможно. “Поиск спорадического радиоизлучения – многообещающий способ найти дремлющие магнетары”, – говорит Томпсон. Поскольку в сравнении с рентгеновским излучением энергия радиоизлучения, которую можно обнаружить, очень мала, их открытие будет делом новых, более чувствительных радиотелескопов, таких как Square Kilometer Array (“антенная система площадью в квадратный километр”). Дремлющие магнетар ы определенно есть. Астрономы считают, что в такой галактике, как Млечный Путь, каждые тысячу лет рождается один магнетар. А поскольку в нашей Вселенной порядка двух триллионов галактик, в космосе “притаились” 2×10^21 дремлющих магнетаров, дожидающихся того дня, когда они проснутся и будут замечены теми, кто наблюдает небо.

Чуть глубже: Многолучевой приемник

Более тысячи из известных пульсаров были открыты при самом большом на сегодняшний день многолучевом обзоре галактической плоскости радиотелескопом Parkes, где все еще на посту “старослужащая” – австралийская тарелка. Когда в 1997 году Parkes начал сканирование галактической плоскости, были известны только чуть больше семисот пульсаров, а всего год спустя, 5 ноября 1998 года, в копилку астрономов добавился тысячный пульсар. Это известие попало на первые страницы многих мировых газет. Обзор продолжался до марта 2000 года и возобновился в декабре 2001-го. Невероятный успех проекту обеспечил достаточно специальный прибор – многолучевой приемник, установленный в фокальной области тарелки Parkes в 1996 году. Этот приемник использовался и при обзоре промежуточных галактических широт, выполненном для Технологического университета Суинберна, и во многих других случаях. В общей сложности на счету Parkes более половины всех известных пульсаров, включая знаменитый и до сих пор уникальный двойной пульсар – единственную известную двойную систему из двух радиопульсаров, о которой упоминалось в главе 2. Многолучевой приемник нашел и самый первый быстрый радиовсплеск, или FRB (FastRadio Burst), так называемый “всплеск Лоримера”. Он входит в новый класс чрезвычайно мощных и коротких вспышек в глубоком космосе, происхождение которых до сих пор неизвестно (более подробно о FRB будет рассказано в главе 9).

Первоначально многолучевой приемник разрабатывался для поиска тусклых галактик, идентифицируемых по характерной спектральной линии атомов водорода длиной 21 сантиметр. Именно на этой длине волны, соответствующей 1420 МГц и попадающей в микроволновую область спектра, излучение газа атомов водорода проникает сквозь облака пыли, непрозрачные для видимого света. Но астрономы быстро поняли, что многолучевой приемник благодаря сильно увеличенному полю зрения радиотелескопа можно использовать для поиска пульсаров.

Когда Джон Саркисян, руководящий на месте работой телескопа Parkes, показал мне многолучевой приемник, моей первой мыслью было: “Вот это да! Что за бочка!” В самом деле, будучи около метра в поперечнике и полтора метра в высоту, он выглядел как металлическая бочка, внутри которой помещается шестиугольная конструкция из тринадцати маленьких цилиндров. Это криостат, температура внутри которого во время работы составляет 20 кельвинов. Такая близкая к абсолютному нулю температура позволяетустранить шумы и повышает чувствительность прибора. Для сравнения: средняя температура пустого пространства между небесными телами порядка 2,73 кельвина (или -270,42 градуса Цельсия). Когда я приехала в обсерваторию Parkes, то увидела многолучевой приемник хранившимся в крошечном строении вблизи телескопа. Астрономы заменили его однолучевым приемником, поскольку Parkes тогда отслеживал покидающий Солнечную систему космический зонд “Вояджер-2”. Для наблюдения пульсаров его позднее вернули на место, подвесив высоко над центром антенны.

Один из разработчиков многолучевого приемника – опытный исследователь пульсаров астроном Эндрю Лайн. Я встретилась с ним в июле 2019 года в обсерватории Джодрелл-Бэнк, всего в часе езды от Манчестера. Был солнечный день, пятница, и астрономы устроили пикник прямо рядом с 76-метровым телескопом Lovell. Студенты, преподаватели и служащие сидели на асфальте рядом с возвышающимся над ними, залитым солнцем огромным телескопом. В сравнении с Parkes, где все, от диспетчерской башни до самой тарелки-отражателя, заставляет ностальгически вспомнить шестидесятые годы, Lovell выглядит гораздо современнее. Все телефоны пришлось перевести в “режим полета”. Как и рядом с Parkes, радиомолчание – непреложное правило, хотя выполнить его не так-то легко, учитывая близость к Манчестеру. Я последовала за Лайном в стоящее неподалеку здание, выглядящее как летний домик. Здесь рабочие кабинеты астрономов. За свою длинную карьеру Лайну удалось достичь многого, но, по его словам, в число результатов, которыми он гордится больше всего, входит его роль в создании многолучевого приемника и масштабный обзор Parkes.

“Мы сделали малошумящие усилители и часть оборудования криостата”, – рассказывает он, добавляя, что бэкенд[19] приемника Parkes на самом деле создан в обсерватории Джодрелл-Бэнк. Вскоре после того, как в 1999 году многолучевой приемник установили на телескопе Parkes, такой же, хоть и с четырьмя рупорными облучателями, был помещен и на телескоп Lovell. До появления многолучевого приемника у радиотелескопов обычно был всего один рупорный облучатель. Когда радиоволны от отдаленных объектов достигают параболической антенны, они, отражаясь, собираются в ее фокусе и попадают в рупорный облучатель. Один рупорный облучатель собирает сигналы, которые затем усиливаются в приемнике и преобразуются в электрический сигнал. При такой схеме каждый раз телескоп можно направлять только на один маленький участок неба, а значит, наблюдение больших участков требует больших затрат времени.

И тут на помощь приходит многолучевой приемник. Большее число рупорных облучателей позволяеттелескопу одновременно обследовать несколько соседних участков неба, и тем самым все небо можно охватить гораздо быстрее, чем при одном рупорном облучателе. Волны от каждого рупорного облучателя попадают в отдельный приемник, и каждая рупорная антенна имеет две поляризации. У многолучевого приемника Parkes тринадцать рупорных облучателей, а значит, всего получается двадцать шесть выходов. Так Parkes эффективно и дешево превратился в радиотелескоп с существенно большим отражателем. “Инициатива использовать приемник для наблюдения пульсаров принадлежит Эндрю Лайну. Он же одну за другой разработал системы аналоговых фильтров, позволяющих их отыскивать, – замечает Мэтью Бейлз, астроном из Технологического университета Суинберна. – Постепенно мы модифицировали наборы фильтров, которые для обзоров Вселенной с высоким временным разрешением должны были быть цифровыми”. Позднее именно эти обзоры позволили обнаружить большинство из первых тридцати FRB и убедить мир, что такие загадочные вспышки радиоизлучения реальны.

С 2004 года многолучевой приемник с семью рупорными облучателями есть как у телескопа Arecibo в Пуэрто-Рико, так и в Китае у нового гигантского сферического телескопа FAST с пятисотметровой апертурой и неподвижным основным отражателем. Он был построен CSIRO, и в настоящее время это самый большой криогенный приемник^16.

Чуть глубже: Экзотический мир рентгеновских источников

Имеется странный подкласс необычно ярких астрономических объектов – аккрецирующих двойных систем, излучающих в рентгеновском диапазоне. Впервые их заметили в 2014 году, когда астрономы обнаружили пульсации, которые приняли за пульсации черной дыры в системе, классифицированной как сверхъяркий рентгеновский источник, или ULX (ultra-luminous x-ray source). Они были известны с 1980 года. Тогда астрономы впервые наблюдали чрезвычайно яркие точечные рентгеновские источники, излучение которых на всех длинах волн превышало излучение миллиона Солнц. Исследование таких пульсаций в 2014 году показало, что по крайней мере некоторые из них – нейтронные звезды. К настоящему времени мы знаем о шести[20] таких объектах^17.

Ли Таунсенд, астроном из Кейптаунского университета, в первый раз заметил пульсации одного из этих странных “чудищ” в 2016 году, когда зафиксировал рентгеновскую вспышку такого источника. Объект, известный как массивная рентгеновская двойная система в Малом Магеллановом Облаке, Таунсенд изучал уже много лет. Его поведение соответствовало поведению обычной аккрецирующей двойной рентгеновской системы, и излучение было ожидаемым. Внезапно произошла мощная вспышка, в тысячу раз ярче, чем все, когда-либо виденные Таунсендом, что переводило объект в разряд ULX. “Это один из первых случаев, когда мы действительно увидели переход нормальной рентгеновской двойной системы в режим ULX, – рассказывает Таунсенд. – И это одно из немногих имеющихся свидетельств того, что рентгеновские двойные системы действительно могут быть связаны с ULX”.

По словам Таунсенда, он был ошеломлен мощностью аккреции, которая в десять-двадцать раз превышала предел Эддингтона, определяющий максимальную светимость в зависимости от массы звездного тела. “Даже сегодня остается загадкой, почему так произошло. Никто достоверно не знает, почему в подобных системах аккреция столь велика”, – добавляет он.

Чуть глубже: Хронометрирование пульсаров

Обычно всплески излучения одиночного пульсара настолько регулярны и так точно синхронизированы, что на протяжении десятилетий стабильность некоторых из них может соперничать с точностью атомных часов. Отдельные пульсации происходят через регулярные интервалы, складываясь в поразительно стабильный усредненный профиль пульсаций – характеристику, которую можно использовать, чтобы определить, когда всплеск достигнет Земли.

Но примерно в 10 % случаев, когда пульсар входит в двойную систему и движется вместе со своим компаньоном, возможны очень небольшие, но регулярные изменения моментов прихода импульсов пульсара в точку наблюдения. Хронометрирование (иногда еще говорят “тайминг”) – это метод отслеживания появления этих импульсов.

Когда, обращаясь вокруг своего компаньона, пульсар удаляется от Земли, длина волны импульсов увеличивается (имеет место красное смещение) и каждую секунду их регистрируется меньше. Когда же пульсар приближается к Земле, длина волны импульсов уменьшается и каждую секунду их регистрируется больше. Это связано стак называемым эффектом Доплера. Вот, вероятно, самый известный пример этого эффекта из нашей повседневной жизни. Если скорая помощь быстро едет по направлению к нам, волны звука, издаваемого сиреной, сжимаются, что означает уменьшение длины волны и увеличение частоты (высоты звука). При этом импульсы становятся ближе друг к другу – и мы слышим “виу-виу-виу”. Но в тот момент, когда скорая помощь проносится мимо и начинает двигаться от нас, волны растягиваются и высота (частота) звука сирены понижается. Теперь мы слышим “вииу… – вииу… – вииу…”18

С чем же связаны вариации времени прихода сигнала на Землю? Обычно излучение распространяется вдоль прямой линии, но, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, в присутствии сильного гравитационного поля, такого как вблизи массивных тел, ткань пространства-времени искривляется, излучение “следует” за кривизной пространства – и траектории фотонов изгибаются. Чем плотнее объект, тем сильнее изгибается вблизи него свет. В 1919 году сэр Артур Эддингтон, директор астрономической обсерватории в Кембридже, и королевский астроном сэр ФрэнкУотсон Дайсон подтвердили справедливость общей теории относительности. Во время полного солнечного затмения они с помощью телескопов получили изображение участка неба с Солнцем в центре и отметили расположение звезд вокруг него в момент съемки. Сравнение этого изображения с изображением тех же звезд, сделанным через пару месяцев, когда Солнца уже рядом с ними не было, позволило увидеть искривление световых лучей гравитационной силой Солнца. Когда Эйнштейн узнал об этом, он написал матери: “Сегодня хорошие новости… британские экспедиции на самом деле доказали, что вблизи

Солнца световые лучи искривляются”19. Из-за искривления свет идет к нам дольше, чем если бы он распространялся по прямой. Компаньон пульсара изгибает излучение на его пути к Земле. Задержка сигнала – дополнительное время, которое требуется излучению для достижения телескопа, – называется эффектом Шапиро. Подобные измерения и законы Кеплера позволяют установить орбиты обоих объектов, а исходя из этого – оценить массы, необходимые для создания подобных орбит. Хронометрирование годами ведут самые разные телескопы, включая Lovell в Великобритании, Parkes в Австралии, FAST в Китае, Green Bank Telescope в Соединенных Штатах и Arecibo в Пуэрто-Рико.

Глава 5

Путешествие к центру нейтронной звезды

Все началось со сбоя.

В начале марта 1969 года с пульсаром Вела случился “припадок”. Дик Манчестер только что провел целый день на телескопе Parkes, находящемся в Австралии. Он наблюдал пульсар, обнаруженный Аланом Воганом и Майклом Ларджем с помощью телескопа Molonglo всего несколькими месяцами ранее. В результате их открытия впервые была установлена прямая связь между нейтронными звездами и остатками сверхновых. Манчестер охотился за пульсарами уже год. Новоиспеченный обладатель ученой степени, только что окончивший австралийский Ньюкаслский университет, он начал свою работу научным сотрудником в обсерватории Parkes всего за двенадцать дней до публикации в журнале Nature 24 февраля 1968 года статьи о самом первом пульсаре PSR В 1919 + 21, или LGM-1.

Вооружившись координатами пульсара LGM-1, открытого Джоселин Белл, Манчестер 8 марта 1968 года провел собственное наблюдение этого объекта, и оно положило начало его карьере специалиста в области пульсаров. Схематическое изображение радиоимпульсов, испускаемых этим пульсаром, можно увидеть даже на первой австралийской пятидесятидолларовой купюре. “Я никогда больше не видел такого мощного пульсара”, – вспоминал Манчестер, когда я встретилась с ним в феврале 2019 года в здании CSIRO в пригороде Сиднея. Мы сидим в его офисе – маленьком и аккуратном, все стены от пола до потолка заставлены полками с книгами по физике и астрономии. Он берет одну с незамысловатым названием “Пульсары”, написанную им в соавторстве с лауреатом Нобелевской премии Джо Тейлором, и показывает мне посвящение: “Джоселин Белл, без чьей проницательности и настойчивости мы, возможно, до сих пор не имели бы удовольствия изучать пульсары”. Он сильно разочарован тем, что Белл не получила должного признания за свое открытие, в частности, не вошла в число нобелевских лауреатов, и открыто об этом говорит. “По крайней мере на публике Джоселин философски относится к этому, – говорит он, – но нужно помнить, что именно она открыла пульсары, в этом нет никаких сомнений. Тони Хьюиш создавал антенную матрицу для других целей, так что она обнаружила пульсары случайно. Нет никаких сомнений в том, что именно ее проницательность привела к этому открытию”.

Вскоре после открытия Белл и сам Манчестер попал в книги по истории пульсаров. 2 марта 1969 года астроном Венкатраман Радхакришнан попросил его помочь настроить телескоп Parkes для наблюдения поляризационных свойств излучаемых радиоволн. Вероятно, проще всего понять явление поляризации на примере световых волн. Направление вектора напряженности электрического (или магнитного) поля неполяризованных световых волн, например приходящих от Солнца, лампы или костра, меняется со временем случайным образом. А вот в поляризованной световой волне направление каждого из этих векторов фиксировано. (Этот принцип используется в поляризационных солнцезащитных очках. Они имеют специальное покрытие, которое пропускает только вертикально поляризованные световые колебания и поглощает горизонтально поляризованные, при этом убираются блики, чтобы вам легче было рассмотреть детали любого объекта, на который вы смотрите.) Как и свет, радиоволны также относятся к электромагнитным волнам, только их длины лежат в другой области спектра, но принципиально они от световых волн не отличаются^1. 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 Манчестер^2. 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 обнаружены^4.

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 стенам^5.

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 сверххолодного гелия в ванну через крошечный зазор в 0,5 микрона между двумя стеклянными дисками (средний диаметр человеческого волоса – 75 микрон). Он обнаружил, что при температуре ниже 2,17 кельвина (это -270,98 градуса Цельсия, что всего на 2,17 градуса выше абсолютного нуля) – эта температура получила название “лямбда-точка” – жидкость течет почти без трения. Работа, посвященная этому явлению, была опубликована в журнале Nature 8 января 1938 года и привлекла внимание ученых всего мира. “Гелий ниже лямбда-точки переходит в особое состояние, которое можно назвать «сверхтекучим»”, – написал Капица в своей статье, таким образом дав явлению название^6. Ландау, освобожденный из тюрьмы в 1939 году, использовал результаты эксперимента Капицы для создания на их основе теории, объясняющей сверхтекучесть.

Бейм и его коллеги знали работы Капицы и Ландау. Они также знали работу Мигдала о том, что из-за огромной плотности нейтронных звезд их ядра могут находиться в сверхтекучем состоянии. И они только что узнали об обнаружении первых четырех нейтронных звезд, которые сразу сделали эти объекты абсолютно реальными^7.

Когда Бейм, Петик, Пайне, Равенхолл и еще один их коллега, Мэл Рудерман, узнали больше о пульсарах, а затем прочитали об открытии Манчестером сбоя в периоде пульсара Вела, их осенило, что глитч, возможно, будет первым доказательством правильности предположения Мигдала. Вероятно, в ядрах этих недавно обнаруженных, быстро вращающихся нейтронных звезд под твердой корой пряталась сверхтекучая жидкость, и сбой могли вызвать возникающие в сверхтекучей жидкости крошечные водовороты, называемые квантовыми вихрями. Существование квантовых вихрей было предсказано физиком Ларсом Онзагером в 1947 году при изучении сверхтекучего гелия, а затем эту теорию развили нобелевский лауреат Фил Андерсон и физик-теоретик Ричард Паккард. “Мы вдохнули жизнь в гипотезу вихрей”, – говорит Бейм.

Получилось так, что эта идея стала первой гипотезой, подкрепленной наблюдениями, в весьма странной физике нейтронных звезд. За пять десятилетий, прошедших с тех пор, ученым так и не удалось решить вопрос о том, что происходит внутри этих сверхплотных объектов. Мы не можем долететь до какого-нибудь из них, просверлить дырку и посмотреть, что там внутри. То, что будет рассказано дальше, является уже не научной фантастикой, но еще и не совсем научными фактами. Проблема в том, что физические условия, определяющие поведение вещества внутри нейтронных звезд, настолько экстремальны, что нашим моделям сложно его объяснить. Но то, что мы узнали к настоящему времени, уже поразительно.

Когда протон-нейтронная звезда только рождается из сверхновой, она невероятно горячая – внутренняя температура достигает тысячи миллиардов градусов. Всего через минуту протоны внутри нее начинают превращаться в нейтроны, выбрасывая огромное количество нейтрино. Когда нейтрино улетают, они уносят энергию, при этом недра звезды быстро остывают примерно до миллиарда градусов, причем ее внешний слой становится намного холоднее, и когда его температура достигает примерно полумиллиона градусов, начинает формироваться твердая кора. В течение следующих нескольких десятилетий нейтронная звезда продолжает остывать, температура ее внутренней части падает до нескольких сотен миллионов градусов, и звезда продолжает медленно терять тепло еще в течение нескольких сотен тысяч лет. При этом тепло изнутри медленно поднимается к поверхности, а потом рассеивается в виде излучения.

Можно представить нейтронную звезду как яйцо, пусть и сферическое, со скорлупой, белком и желтком. Твердая кристаллическая кора толщиной примерно в один километр состоит из ядер железа – того же материала, который накопился в ядре родительской звезды еще до ее взрыва как сверхновой.

Почему кора железная? Потому что образование железа – конечный этап термоядерного горения: в обычных звездах тысячи и тысячи лет водород горит и превращается в гелий, гелий – в углерод и так далее. В конечном итоге образуется кремний и “звездная зола” – железо. Получить больше энергии из железного ядра родительской звезды уже невозможно, из-за этого и возникло предположение, что первый внешний слой нейтронной звезды состоит из железа. Над этой корой находится тонкий слой – от нескольких миллиметров до примерно метра – газовой атмосферы, движение которой управляется магнитным полем звезды. Магнитосфера начинается чуть выше атмосферы, и именно эти магнитные поля во вращающихся пульсарах выталкивают в космос струи частиц и, соответственно, мощные потоки излучения.

Кора нейтронной звезды – чрезвычайно сложная структура. По мере того, как мы движемся в направлении ядра звезды, вместе с быстро увеличивающейся плотностью изменяются физические свойства коры. Во внешней коре, состоящей из кристаллов железа, электроны ведут себя привычным для нас образом: в каждом атоме железа они вращаются вокруг ядра. Однако по мере увеличения плотности энергия электронов растет – и они “вдавливаются” в протоны. Когда отрицательно заряженный электрон соединяется с положительно заряженным протоном, протон превращается в нейтрон, высвобождая нейтрино, – и чем больше мы углубляемся внутрь звезды, тем больше электронов вдавливается в ядра и тем больше там оказывается нейтронов. Этот процесс продолжается вплоть до точки, ниже которой в ядрах оказывается так много нейтронов, что они начинают “вытекать” из ядер. Этот переход из внешней коры во внутреннюю и называется “точкой нейтронной неустойчивости”, ниже которой свободные нейтроны начинают образовывать пары, составляющие нейтронную сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Это вытекание нейтронов происходит на глубине более трехсот метров при плотности около 4×10^11г/см^3, которая все еще меньше, чем плотность внутри тяжелых атомных ядер, измеренная в земных условиях. Благодаря лабораторным экспериментам на Земле только что описанные предположения основаны на хорошо изученных законах ядерной физики. (Только вот выдавливания нейтронов из тяжелых атомных ядер на Земле не происходит – в земных ядрах недостаточно нейтронов, чтобы началось их вытекание^8.)

В самой внутренней части коры, прямо над внешним ядром, плотность составляет около одной трети от плотности в центре атомного ядра. Ядра там прижаты так близко друг к другу, что, по мнению ученых, их форма не может оставаться прежней – и начинает меняться. Если до этого ядра были круглы, как фрикадельки, и разбросаны по всему пространству, то во внутренней части коры они деформированы и плавают в море из вытекших нейтронов. Это фазовое состояние, прозванное учеными “ядерной лапшой”, в котором образуются различные структуры – трубочки, пузыри и листы с соответствующими названиями: “спагетти”, “клецки-ньокки” и “лазанья”. Конечно, это в основном гипотезы теоретиков, поскольку мы не можем взять пробы вещества и исследовать их, но есть очень хорошие экспериментальные доказательства деления ядер в земных условиях – и этот механизм похож на тот, который ведет к образованию “ядерной лапши”.

Во внешнем ядре, которое простирается на глубину около девяти километров, плотность настолько высока, что изолированные ядра больше существовать не могут. Все вещество превращается в ядерную “слизь”, “суп” из нейтронов, протонов, электронов и, возможно, мюонов (тяжелых родственников электронов), а нейтроны находятся в сверхтекучем состоянии, аналогично сверхтекучим жидкостям при сверхнизких температурах на Земле. Хотя во внешнем ядре температура, по-видимому, составляет миллионы градусов, из-за столь высокой плотности и в этих условиях возможно достижение сверхтекучего состояния^9.

Гипотеза Гордона Бейма и его коллег о механизме сбоя периода вращения пульсара Вела позволила физикам предложить механизм происходящего во внешнем ядре. Проводя свои эксперименты со сверхтекучим гелием, ученые поняли, что их идеи о квантовых вихрях были правильными и что сверхтекучие жидкости текут не так, как любая обычная жидкость, а образуют крошечные вихри, которые делают возможным вращение сверхтекучей жидкости. Считается, что по мере того, как нейтронная звезда начинает вращаться со временем все медленнее и медленнее, скорости вращения твердых и жидких компонентов звезды изменяются по-разному: вращение внешней коры, по-видимому, замедляется быстрее, а вихри все еще продолжают свое собственное локальное вращение. Это приводит к тому, что сверхтекучая компонента будет вращаться немного быстрее, чем кора, и возникнет рассогласование во вращении двух систем. Когда отставание во вращении внешней коры становится слишком большим, вихри начинают “подпрыгивать”, пытаясь перестроить свое вращение, что мгновенно заставляет кору крутиться быстрее – и вращение всей звезды на время ускоряется.

В этом и заключается идея того, как возникает глитч, который впервые наблюдал Дик Манчестер в 1969 году. Через некоторое время, может быть, спустя недели или даже месяцы, сверхтекучая система возвращается в равновесное состояние, и нейтронная звезда опять начинает вращаться с нормальной скоростью, которая наблюдалась перед сбоем. Подобный сбой заметили только у 5 % пульсаров. Особенно интересен пульсар Вела, потому что он сбоит примерно раз в три года. Когда я посетила обсерваторию Parkes в феврале 2019 года, Джон Саркисян с гордостью сказал мне, что он наблюдал еще один глитч пульсара Вела всего за несколько дней до этого, 2 февраля. Этот глитч, как и еще один, случившийся 12 декабря 2016 года, был особенно интересен для астрономов, поскольку в данных наблюдений они обнаружили, что непосредственно перед сбоем пульсар внезапно замедлился. Раньше никогда этот эффект не наблюдался^10.

По мере того как мы приближаемся к центру нейтронной звезды, все вокруг становится все более странным и менее определенным. Ученые не имеют абсолютно никакого представления о том, что происходит во внутреннем ядре нейтронной звезды и какой вид сверхплотной материи мы можем там обнаружить. Если бы мы когда-нибудь это узнали, то могли бы понять характер сил, посредством которых частицы могут взаимодействовать при таких плотностях. Это также помогло бы нам определить предельную массу нейтронной звезды в тот момент, когда сила гравитации сравняется с внутренним давлением, затем превысит его и превратит нейтронную звезду в черную дыру. Наконец, мы могли бы понять, что происходит в последние мгновения перед слиянием нейтронных звезд. Но как нам забраться внутрь нейтронной звезды?..

Открытие пульсаров объединило две области физики, которые развивались параллельно: ядерную физику и астрофизику (использовавшую радио-, оптические и самые первые рентгеновские наблюдения, которые быстро стали ключевым инструментом для обнаружения теплового излучения от поверхности пульсаров). В том же году, когда был открыт первый пульсар, то есть в 1967-м, физики-ядерщики из Стэнфордского центра линейных ускорителей начали работу, которая несколько лет спустя завершилась прорывом – экспериментальным открытием кварков. Кварки – это фундаментальные строительные блоки вещества. Обычно тройки кварков удерживаются вместе с помощью глюонов – “склеивающих” переносчиков сильного ядерного взаимодействия. Из этих триплетов кварков образуются кирпичики обычной материи, например барионы в атомах: протоны и нейтроны. Сами по себе кварки в свободном состоянии существовать не могут, поэтому сегодня мы имеем дело с кварками исключительно внутри барионов. Подтверждение их существования побудило физиков использовать весь свой творческий потенциал, чтобы придумать различные модели сверхплотной материи, находящейся во внутреннем ядре нейтронных звезд^11. Некоторые ученые считают, что внутреннее ядро состоит в основном из нейтронов, которые остались неповрежденными даже в условиях высокой плотности. Но эта модель, как говорит Славко Богданов, астрофизик из Колумбийского университета, “самая стандартная и скучная. Ничего необычного не происходит, это все то же вещество – просто нейтроны, электроны и протоны все вместе зажаты в крошечном пространстве”.

В других моделях предполагается, что нейтроны не сохраняются в прежнем виде, а распадаются на составляющие их кварки, в результате чего ядро превращается в “суп”, состоящий из свободных кварков. Это модель кваркового ядра. Другая гипотеза состоит в том, что кварки, освобожденные от связей внутри нейтронов, перегруппировываются и образуют другие, более экзотические конфигурации, например гипероны. Это частицы, в которых одна из трех кварковых частиц, образующих нейтрон, меняется на так называемый странный кварк (нормальные протоны и нейтроны образуются из гораздо более обычных, так называемых верхних и нижних кварков). Еще одно предположение состоит в том, что большое давление приводит к образованию каонов (частиц, состоящих из двух кварков, один из которых странный) или, может быть, еще чего-то совершенно иного. Существующие теории, описывающие поведение кварков и ядер, такие как квантовая хромодинамика, полезны, но, к сожалению, распространить ее аппарат на довольно холодные и сверхплотные среды настолько сложно, что у нас пока нет методологии, позволяющей применить этот аппарат для получения ответов на наши вопросы.

Чтобы решить эту головоломку, ученые обратились к так называемому уравнению состояния для внутреннего ядра, описывающему соотношение между плотностью энергии и давлением вещества во внутреннем ядре, откуда получается соотношение между массой и радиусом нейтронной звезды. Существует множество таких соотношений, и построено большое количество моделей того, что может происходить во внутреннем ядре в зависимости от массы и радиуса.

Разные виды вещества реагируют на гравитационное сжатие по-разному. Представим, что внутреннее ядро – шарик. Он может быть либо плотным, твердым, как бейсбольный мяч, который трудно сжать, либо мягким, податливым, как надувной. Эти два мяча ведут себя по-разному, поскольку сделаны из разного материала. Из двух нейтронных звезд одинаковой массы в большей из них, имеющей больший радиус, будет более плотное ядро: поскольку сама звезда больше, гравитация будет сжимать вещество сильнее, поэтому ядро должно суметь противостоять большему давлению, иначе звезда сколлапсирует в черную дыру. Ядро, похожее на бейсбольный мяч, может выстоять. А вот если у звезды с той же массой ядро менее плотное или “мягкое” и легко сжимается под действием гравитации, она должна быть меньшего размера, чтобы суметь противодействовать гравитационному сжатию.

Некоторые ученые думают, что нейтронные звезды с твердым ядром (которое описывается “жестким” уравнением состояния), скорее всего, содержат недеформированные нейтроны, только очень плотно упакованные. Звезды меньших размеров с более рыхлым ядром (описываемые “мягким” уравнением состояния) могут содержать свободные кварки в различных конфигурациях, не в последнюю очередь из-за того, что процессы образования гиперонов и каонов из свободных кварков в разных конфигурациях также ведут к понижению давления. Но этот вопрос в большой степени является дискуссионным.

Чтобы узнать, из чего состоит ядро, ученые должны рассчитать, насколько массивной может быть нейтронная звезда данного радиуса. Прежде всего нужно измерить радиус и массу нейтронной звезды по результатам наблюдений, затем, исходя из этих значений, получить уравнение состояния и в процессе расчетов отбросить модели, неправильно описывающие материю, из которой может состоять ядро.

Самые сильные ограничения на модель определяются измерением больших масс – и чем больше масса звезды, тем лучше. Для каждого уравнения состояния есть максимальная масса, допускаемая теорией, и она должна соответствовать наблюдениям. Самая тяжелая нейтронная звезда, известная к настоящему моменту, – это PSR J0740 + 6620, и она имеет массу, равную 2,14 солнечной[21]. Она была обнаружена в 2012 году с помощью телескопа Green Bank. До этого рекорд принадлежал звезде PSR J1614-2230 с массой, равной 1,97 солнечной. Еще один пульсар с массой, равной двум массам Солнца, был найден в 2013 году. Эти открытия заставили исключить теории, в которых использовалось мягкое уравнение состояния для особенно рыхлых нейтронных звезд, поскольку они предсказывали, что звезды с массой около двух масс Солнца должны сколлапсировать в черную дыру. Среди жертв этого ограничения оказались некоторые модели, в которых предполагалось, что внутреннее ядро состоит из каонов или гиперонов. Ученые заговорили о “загадке гиперонов”, задаваясь вопросом, следует ли навсегда распрощаться с идеей присутствия гиперонов во внутренних ядрах. В более новых моделях, где иногда предполагается наличие фазовых переходов из одного состояния вещества в другое, все-таки считается, что гипероны существуют^12.

Когда LIGO и Virgo обнаружили слияние нейтронных звезд, ученые подсчитали, что верхний предел массы нейтронной звезды после слияния до момента, когда она должна была превратиться в черную дыру (что, вероятнее всего, с ней и случилось), составлял 2,17 солнечной массы. Масса нынешнего громадного чудовища – PSR J0740 + 6620 – уже очень близка к этому значению. Одна из проблем заключается в том, что наименьшая наблюдаемая масса звездной черной дыры гораздо больше – около пяти масс Солнца. Именно поэтому некоторые ученые полагают, что нейтронная звезда, чья масса выходит за верхний предел, могла сначала сколлапсировать в гипотетическую кварковую звезду с промежуточной массой (слово “гипотетическая” в названии говорит о том, что мы ни одной такой звезды еще не обнаружили^13).

Для ученых все эти вещи на сегодняшний день представляют собой довольно сложный пазл, который пока не удается сложить, ведь ни одна из существующих моделей не говорит нам уверенно о том, что находится в центре нейтронной звезды. Для получения новых, более точных значений масс и радиусов звезд ученые продолжают накапливать данные измерений, проводимых с помощью телескопов, ускорителей частиц, детекторов гравитационных волн и даже специального прибора, установленного на борту Международной космической станции. С каждой новой серией данных они получают еще один кусочек пазла, заполняя брешь в наших знаниях.

Анализ“ кваркового супа” в ядре пульсара

Иногда к научному открытию приводит цепь совершенно случайных совпадений, например, когда ваша фамилия начинается с той же буквы, что и фамилия нобелевского лауреата – и поэтому университетский почтовый ящик у вас оказывается общим. Сегодня, в наш век электронной почты, трудно представить, что раньше в таких местах, как Институт Нильса Бора при Копенгагенском университете, существовали почтовые ящики, подписанные буквами от A до Z.

В 1970 году Гордон Бейм работал в Копенгагенском университете. Только год назад они с коллегами написали первую статью по астрофизике, в которой утверждалось, что глитч, наблюдаемый в периоде вращения пульсара Вела, свидетельствует о существовании сверхтекучей жидкости внутри нейтронных звезд. И вот теперь он копался в почтовом ящике, помеченном буквой В, проверяя, нет ли для него писем, как вдруг наткнулся на открытку, адресованную Хансу Бете. Всего три года назад, в 1967-м, Бете получил Нобелевскую премию за открытие источников энергии звезд. “Я перевернул открытку и прочитал то, что на ней написано”, – рассказал Бейм. Она была из журнала Astronomy and Astrophysics; редакция благодарила Бете за присланную статью о нейтронных звездах. Прочитав открытку, Бейм узнал две вещи: “Первая – что Бете занимается нейтронными звездами. А вторая – что он приезжает в Копенгаген”. Воодушевленный новостью о том, что вскоре ему удастся встретиться с нобелевским лауреатом, Бейм со своим другом и коллегой Крисом Петиком умудрился раздобыть копию статьи Бете, надеясь разобраться в ней как следует к приезду автора и порадовать его совместным обсуждением. При чтении они обнаружили в статье ошибки, попытались улучшить модель, но в конце концов пришли к выводу, что теория Бете неправильна.

Когда нобелевский лауреат прибыл, друзья подошли к нему и сообщили, что выводы в его статье, похоже, неверны. Бейм вспоминал: “И тогда он сказал со своим чудесным немецким акцентом: «Мы должны решить эту проблему». И мы приступили, сидя у ног великого гуру в области ядерной физики и внимая ему. И этот опыт реально изменил нашу научную судьбу”. С того момента для Бейма нейтронные звезды и ядерная физика стали неразделимы, и он решил разобраться в том, что в действительности происходит в этих маленьких, плотных, быстро вращающихся в далеком космосе объектах. Он сосредоточился на их внутреннем ядре.

Поскольку во многих уравнениях состояния предполагалось существование свободных кварков в различных комбинациях, Бейм задался вопросом, возможно ли разбить нейтроны и высвободить кварки, а после этого изучить полученный “суп”, который может быть максимально приближенным к веществу внутреннего ядра. Похожие условия существовали во Вселенной всего через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва, когда еще не сформировались протоны и нейтроны. Тогда эта ранняя Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму – этакий “суп” из странных частиц.

У Бейма и других теоретиков – включая Джеймса Бьёркена и Ларри Маклеррана – имелись идеи насчет того, как на Земле получить свободные кварки. Они считали, что лучший способ – столкнуть лоб в лоб тяжелые ионы, такие как ядра свинца или золота, разогнав их предварительно в ускорителях частиц до высоких скоростей. При этом очень чувствительные детекторы смогли бы точно засечь момент, когда возникают свободные кварки, образующие плазму. Даже если бы кварки, перед тем как опять слипнуться в нуклоны, просуществовали в свободном состоянии долю секунды, мы могли бы получить представление о природе возможной материи внутри ядра нейтронной звезды.

Для этого Бейму и его коллегам понадобился ускоритель. К счастью, им помог в этом один неудачный и почти забытый проект.

Это было в 1982 году, и Бейм только что получил назначение в Консультационный комитет по ядерной физике – исполнительный орган, составляющий отчеты для министерства энергетики и Национального научного фонда Соединенных Штатов. Комитет обсуждал, какую установку в области ядерной физики следует профинансировать в первую очередь, а Бейм в это время возглавлял подкомитет по будущим исследованиям плотной материи. И в июле 1983 года “случилось чудо”, по крайней мере, с точки зрения Бейма.

С тех пор как ускоритель ISABELLE начал строиться, прошло уже больше десяти лет, и тут ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке поняли, что магниты для этого строящегося ускорителя протонов высоких энергий не способны производить нужное магнитное поле. (Название ISABELLE – аббревиатура Intersecting Storage Accelerator и belle, то есть “ускоритель на встречных пучках” плюс французское слово “красавица”. Кроме того, как рассказал мне Бейм, Isabelle — это название яхты, принадлежащей Джону Блюэтту, специалисту в области ускорителей из Брукхейвенской лаборатории.)

И тогда вместо завершения проекта ISABELLE ученые решили пролоббировать строительство более мощного ускорителя – Сверхпроводящего суперколлайдера (и этот проект закрыт в 1993 году). Поскольку в ЦЕРН в то время уже был запущен альтернативный проект Большого адронного коллайдера (LHC) на франко-швейцарской границе, ученые законсервировали проект ISABELLE, хотя на него уже потратили двести миллионов долларов^14.

Для Бейма было очевидно, как нужно поступить в этой ситуации, и вместо презентации на тему предполагаемых исследований плотной материи, которую он собирался продемонстрировать, он представил свои предложения по поводу размещения в уже готовом тоннеле другого типа коллайдера, использующего тяжелые ионы. Все строительство, кроме установки магнитов, уже завершилось, и он с группой коллег предложил воспользоваться этой чудесной возможностью и все-таки построить ускоритель в Брукхейвене. Вот так он неожиданно начал обдумывать строительство ускорителя. Бейм находился в сильном возбуждении. Он рассказывал: “Я ходил и всем рассказывал, что RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, «релятивистский коллайдер тяжелых ионов») даст нам возможность понять природу материи, существовавшей в ранней Вселенной до того, как сформировались звезды и планеты, то есть кварковой материи. И еще я говорил, что RHIC расскажет многое о нейтронных звездах”. И в результате на свет появился релятивистский коллайдер тяжелых ионов.

Прошли годы, и оба ускорителя – RHIC и LHC – наконец построили. Результаты с LHC начали поступать только в 2000 году, в том же году на RHIC стали сталкивать первые пучки. На LHC сталкивались ионы свинца, и при их столкновениях были достигнуты рекордно высокие температуры в 5,5 триллиона градусов – почти в четыреста тысяч раз выше температуры в центре Солнца. А на коллайдере RHIC сталкивались друг с другом ионы золота. Когда в 2003 году Бейм узнал, что на RHIC получена кварк-глюонная плазма (LHC вскоре догнал в этом брукхейвенский ускоритель), он пришел в восторг. Позже он говорил: “В каком-то смысле мы всегда знали, что она должна была здесь образоваться”.

Представить себе эту совершенно новую материю, которую ученые смогли произвести, достаточно трудно. Попробуйте мысленно разделить секунду на 10^23 кадров. Вещество, которое вы получили, то есть кварк-глюонная плазма, будет существовать в течение всего лишь одного кадра в количестве столь малом, что оно может поместиться внутри вируса, 10-23 секунды – это максимальное время, в течение которого кварки могут оставаться свободными. После этого они быстро слипаются обратно в протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы.

Но есть одна проблема: температура в ядре нейтронной звезды намного ниже той, при которой происходят столкновения в коллайдерах RHIC и LHC, – близкой, наоборот, к температуре, существовавшей сразу после Большого взрыва. Бейм с самого начала знал, что ни на одном из этих коллайдеров никогда не получить таких температур, как в ядре нейтронной звезды, то есть гораздо более низких, необходимых для возникновения сверхтекучести. Он говорит: “Вы просто не сможете увидеть сверхтекучесть в экспериментах с тяжелыми ионами”. И продолжает, вздохнув:

“Температура – это огромная проблема”. И поэтому ученым остается только попытаться экстраполировать свои результаты на более низкие температуры. В каком-то смысле это похоже на то, как если бы вы изучали свойства пара, пытаясь вывести из них свойства льда. Но все же то, что мы видим в результате столкновений, имеет много общего с материей нейтронной звезды в момент образования ее из сверхновой, пока новорожденная нейтронная звезда еще не успела остыть. И эти столкновения могут помочь ученым понять, что случается, когда две нейтронные звезды сталкиваются, поскольку их остаток, образовавшийся после ужасающего взрыва, действительно невероятно горячий.

Вдобавок к LHC и RHIC сейчас в Дармштадте (Германия) строится новый ускоритель, названный FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), в котором предполагается создать кварк-глюонную плазму при той же температуре, что существует в ядре нейтронной звезды. Начиная с 2024 года[22] в экспериментах со сжатой барионной материей (СБМ) на этом ускорителе будут сталкивать ядра при высоких энергиях, прижимая их друг к другу, для того чтобы в очень маленьком объеме образовалась очень плотная материя – файербол, “огненный шар”. И этот файербол взорвется, а в результате взрыва появится около тысячи частиц, которые распадутся на электроны, позитроны и мюоны. Этот проект направлен на изучение мюонов, поскольку они не подвержены сильному взаимодействию, которое удерживает кварки вместе, и это может дать ключ к пониманию поведения ядерной материи при таких высоких плотностях, как в ядрах нейтронных звезд^15.

Однако в настоящий момент самое большее, что мы можем сделать с данными по столкновениям тяжелых ионов, – это экстраполировать их на низкие температуры, но, естественно, такой экстраполяции недостаточно для того, чтобы получить все ограничения, которые накладываются на величины, входящие в уравнения состояния, и исключить нерелевантные модели. Для этого нам необходимо знать плотность и давление, а следовательно, массу и радиус нейтронной звезды. Один способ измерить массу – хронометрирование пульсара. Хронометрированием пульсаров занимаются астрономы на многих радиотелескопах по всему миру, но самый лучший инструмент последнего поколения для хронометрирования пульсаров расположен в удаленном уголке на северо-западе ЮАР. И следующая моя поездка состоялась именно туда.

Хронометрирование пульсаров как метод определения их масс

В апреле 2019 года я оказалась у радиотелескопа MeerKAT (не путать с сурикатами – мелкими хищниками из семейства мангустовых, которые по-английски тоже называются MeerKATs). Передо мной открылся фантастический пейзаж: шестьдесят четыре огромные радиоантенны высотой в пять этажей каждая. Здесь, в десяти часах езды от Кейптауна, в южноафриканской провинции Северный Кейп, расположена безлюдная полупустыня Кару. После заката все небо до горизонта здесь становится темно-фиолетовым, и его постоянно прочерчивают зигзагообразные молнии. MeerKAT, что означает “больший KAT”, – потомок телескопа KAT-7 (Karoo Array Telescope) с семью антеннами. Но каким бы впечатляющим он ни был, он всего лишь предшественник радиотелескопа, который станет самым большим из всех когда-либо существовавших на земле, – телескопа Square Kilometer Array (SKA).

Добраться до места расположения MeerKAT можно либо на самолете, либо на машине. Раз в неделю – по средам – рабочие, ученые или случайно забредшие сюда журналисты садятся в очень маленький самолет и отправляются в путь. По дороге их нещадно трясет. Ангус Флауэрс – менеджер по связям с общественностью, встретивший меня в Кейптауне, смеясь, рассказывал, что многих журналистов отчаянно укачивало в этом самолете. Поскольку я плохо переношу маленькие самолеты, я предпочла гораздо более долгий, десятичасовой, переезд на четырехколесном транспорте. Перед тем как мы отправились в путь, меня попросили отдать на проверку диктофон и камеру, чтобы убедиться, что с ними все в порядке и они ни в коем случае не создадут радиопомех для чувствительного оборудования MeerKAT. Мне велели войти внутрь “клетки Фарадея” – в данном случае ею оказалась комната с металлической дверью толщиной в тридцать сантиметров, где было темным-темно. Пока шла проверка, я стояла в полной темноте, а огромный вентилятор лениво крутился, перемешивая горячий воздух. Примерно через пятнадцать минут моя электроника была полностью проверена. Теперь мое оборудование наверняка не создаст помех на частотах, на которых проводятся измерения на MeerKAT. Уф!

Мы двинулись в путь на рассвете, оставив позади знаменитую Столовую гору[23]. Красота окружающей природы поражает. Форма гор, обрамленных бескрайними оранжево-коричневыми равнинами, напомнила мне картинку из книги Антуана де Сент-Экзюпери “Маленький принц”, одной из моих любимых в детстве. Там изображено нечто вроде шляпы, а на самом деле – удав, проглотивший слона. Мы проехали мимо телефонных столбов, с трудом выдерживающих тяжесть птичьих гнезд высотой в человеческий рост, которые свили крошечные птички-ткачи размером с воробья. Вот мы проезжаем через какой-то город, время от времени мимо мелькают одинокие, затерянные в южноафриканской глуши фермы. Некоторые из них необычайно красивы: большие дома, окруженные высокими зелеными деревьями, – настоящие оазисы посреди безлюдной природы. Здесь, в Кару, на много миль вокруг нет вышек мобильных операторов, и Флауэрс сказал, что многие фермеры в случае чрезвычайной ситуации могут рассчитывать только на спутниковые телефоны.

Через девять часов, когда солнце начало окрашивать небо в оранжево-красные тона, Флауэрс свернул с главной дороги на проселочную. Я слегка занервничала, заметив длинные следы на дороге, оставленные ядовитыми змеями. Какая-то лошадь уставилась на нас, когда наша машина промчалась мимо. Флауэрс спешит: он хотел бы попасть на базу MeerKAT до ночи. Мы подъезжаем ближе, я делаю еще несколько снимков, а потом наступает пора замолкнуть радиоаппаратуре и электронике. Мы должны выключить свои мобильные телефоны, чтобы не создать помех охоте высокоточных антенн за радиоволнами, приходящими из далекого космоса. Ученые здесь пытаются найти пульсары и активные ядра галактик – сверхмассивные черные дыры, которые, как они считают, обитают в центрах большинства галактик. Хотя телескоп к моменту моего приезда проработал всего лишь несколько месяцев, ему уже удалось сделать уникальный снимок центра нашей Галактики, Млечного Пути, – на нем оказалось больше деталей, чем на любом снимке, полученном до сих пор с помощью других инструментов. На снимке, в частности, видны межгалактический газ, пыль и загадочные светящиеся нити, как будто закрутившиеся в какой-то космической печи. Поскольку пыль не пропускает видимый свет, с помощью оптического телескопа непросто узнать, что там за ней находится. Но радиоволны через пыль пробиваются. Угловой размер, который занимает изображение, составляет примерно четыре угловых размера Луны (то есть размера Луны, каким он кажется, если смотреть с Земли), и на нем запечатлен Стрелец А* – центральная сверхмассивная черная дыра нашей Галактики.

И вот мы здесь, посреди пустыни Кару, проехали последнюю ферму и загон для скота и очутились у проходной. Приветливый охранник оперативно зарегистрировал нас: он знал Ангуса, кроме того, наш визит был давно согласован. За второй проходной мы наконец попадаем к месту назначения – к маленькому, с виду невзрачному домику.

Внутри я встречаюсь с Андре – американским инженером из Миннесоты, который уже пять лет в MeerKAT занимается передачей данных. Он варит суп из чоризо и капусты кейл, и после целого дня, проведенного на сэндвичах из супермаркета, эти запахи показались мне совершенно умопомрачительными. Мне и в помещении запрещено было пользоваться лэптопом и телефоном, так что я смогла это сделать, только когда Флауэрс отвел меня в Бункер – подземное сооружение, расположенное в нескольких метрах от домика. По дороге туда он предупредил, что стоит опасаться змей и скорпионов. Я вошла через массивную металлическую дверь толщиной около двадцати сантиметров, в закрытом виде совершенно незаметную в стене из-за отсутствия щелей. В комнате стояли компьютеры, подсоединенные к интернету с помощью кабеля Ethernet. Это единственное место в MeerKAT, где работник или гость может выйти в интернет.

На следующее утро я наконец увидела радиотелескоп. На мне были высокие кожаные ботинки до щиколотки с металлическими носками, спасающие от ползающих скорпионов и змей, а также от строительного мусора (на территории все еще ведется стройка). Антенны MeerKAT красивы и на африканском солнце кажутся ослепительно белыми. Все они сконструированы и собраны здесь же, а установлены только в последние несколько месяцев. Одна из них выглядит немного иначе, чем остальные. Когда мы подъезжаем ближе, Ангус объясняет: “Это первая тарелка антенной системы телескопа SKA, которую сейчас устанавливают. Исторический момент”. Ее основание напоминает ствол дерева без кроны, а сама тарелка лежит рядом, на земле, и вокруг суетятся инженеры в оранжевых касках. В течение нескольких последующих лет на площади в один квадратный километр к антенным тарелкам MeerKAT будет добавлено сто тридцать таких антенн, отсюда и название – Square Kilometer Array. Кроме того, около 130 тысяч низкочастотных антенн будет установлено в удаленном районе Австралии, где расположен телескоп ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder, “австралийская исследовательская антенная система площадью в квадратный километр”) – другой предшественник телескопа SKA (см. больше о телескопе ASKAP в главе 9).

История SKA восходит к концу восьмидесятых годов. Как и в грандиозных проектах RHIC, LHC и других, при составлении плана строительства и самом конструировании больших обсерваторий появляются возражения и предлагаются разные варианты. В течение последних десятилетий то тут, то там возникали разные идеи мегателескопов. Канадские астрономы предложили построить радиотелескоп Шмидта, использовав стодвадцатиметровые антенны, обеспечивающие широкое поле зрения. Голландцы захотели построить внегалактический телескоп с огромной собирающей поверхностью. А индийцы заявляли, что их идея построить антенную систему из ста шестидесяти тарелок диаметром семьдесят пять метров каждая – самая лучшая. Крупной международной организации, объединяющей радиоастрономов, не существует, но ученые прекрасно поняли: чтобы построить мегателескоп, они должны работать вместе. В 1993 году члены Международного союза по радионаукам предприняли первый конкретный шаг – решили организовать рабочую группу по строительству большого радиотелескопа. Прошло еще несколько лет в спорах о названии, логотипе и – самое важное – месте для будущего телескопа. В конце концов ученые выбрали два места для строительства – Австралию и Южную Африку, поскольку Южное полушарие предпочтительнее для наблюдения Млечного Пути, ведь именно там наименьшие радиопомехи. И обе страны быстро построили предшественников SKA – ASKAP в Австралии и MeerKAT в Кару.

Если все пойдет по плану, к 2028 году обе части обсерватории SKA – ASKAP и MeerKAT — начнут сканировать небо во много раз быстрее, чем все другие радиотелескопы, и к тому же в настолько широком диапазоне частот, что их чувствительность в пятьдесят раз превысит чувствительность всех остальных радиообсерваторий, вместе взятых. Ученые надеются, что после запуска этой обсерватории они смогут обнаружить больше объектов, излучающих радиоволны, в частности пульсаров и источников всплесков, чем когда-либо раньше, и с гораздо лучшим разрешением. Другая цель SKA: разобраться в природе темной энергии – таинственной силы, которую считают ответственной за ускоренное расширение Вселенной. Система телескопов будет использоваться также и для изучения образования самых первых звезд и галактик, получения информации о магнитных полях, пронизывающих весь космос, и даже для того, чтобы попытаться найти следы внеземных цивилизаций.

Обсерватория SKA будет также превосходным инструментом для определения масс нейтронных звезд на основании хронометрирования пульсаров (больше информации об этом см. в разделе “Чуть глубже: Хронометрирование пульсара” в главе 4). В самый первый раз массу нейтронной звезды астрономы измерили с помощью телескопа Arecibo^16.

Все началось в 1974 году, то есть в том же году, когда Энтони Хьюиш был удостоен Нобелевской премии по физике за открытие пульсаров. Астрономы Рассел Алан Халс и Джозеф Хутон Тейлор работали в джунглях Пуэрто-Рико в крошечной аппаратной рядом с антенной тарелкой диаметром 305 метров, установленной в естественном углублении в земле. Они открыли пульсар – новую нейтронную звезду, вращающуюся со скоростью семнадцать оборотов в секунду. Понаблюдав пульсар, они заметили причудливые, но регулярные изменения времени получения импульсов: иногда те приходили немного раньше, чем предполагалось, иногда чуть позже. Нехитрые математические выкладки и некоторые логические заключения привели астрономов к выводу, что существует второе тело, обращающееся вместе с пульсаром вокруг их общего центра масс. Это стало первым доказательством существования пульсара в двойной системе, где нейтронная звезда не была одинокой, а имела компаньона.

Позже они выяснили, что вторым компонентом была вторая, тоже нейтронная звезда, а не белый карлик, хотя в последующие годы именно белый карлик в качестве компаньона нейтронной звезды встречался гораздо чаще. Кроме того, наблюдения Халса и Тейлора позволили впервые точно измерить массу нейтронной звезды. Они установили, что массы нейтронных звезд в обнаруженной ими двойной системе равны примерно 1,4 массы Солнца (1,44 для пульсара, 1,39 Для нейтронной звезды-компаньона). Значения обеих масс находились подозрительно близко к пределу Чандрасекара. Как упоминалось в первой главе, этот пульсар теперь носит имя своих первооткрывателей: пульсар Халса – Тейлора (PSR B1913 + 16)17.

К настоящему времени астрономы с помощью хронометрирования пульсаров определили массы примерно тридцати пяти нейтронных звезд – в диапазоне от 1,17 до чуть более двух масс Солнца. В обсерватории Кару ученые начали хронометрировать пульсары в рамках проекта, названного MeerTIME. По словам астронома Фернандо Камило из Южноафриканской радиоастрономической обсерватории (мы говорили о нем в главе 4), наблюдения известных пульсаров с помощью этой антенной системы уже сделали ненужными другие телескопы. Обсерватории MeerKAT и Parkes находятся в Южном полушарии, и антенная система Кару может сосредоточиться на тех пульсарах, которые были обнаружены за много лет телескопом Parkes, но которые нельзя увидеть с помощью телескопа Green Bank, находящегося на севере. “По данным наблюдений Parkes масса нейтронной звезды часто вычислялась с большой погрешностью, – говорит Камило, – а благодаря чувствительности MeerKAT можно проделать эти измерения намного лучше и быстрее. Представьте, что с помощью MeerKAT вы наблюдаете двадцать хорошо известных двойных систем – ив течение года или даже меньше можно по-настоящему точно измерить две или три больших массы. Это может иметь огромное значение”.

Однако измерения одних только масс недостаточно. Ученые также пытаются очень точно измерить радиусы нейтронных звезд, чтобы найти ограничения, накладываемые на их уравнения состояния. Но радиусы измерить сложнее. Группа исследователей во главе с Майклом Крамером, директором Радиоастрономического института Макса Планка в Германии, в течение многих лет пыталась использовать данные о единственной известной двойной системе, образованной двумя пульсарами (двойном пульсаре), чтобы найти предельные значения момента инерции нейтронной звезды, являющегося функцией массы и радиуса. Поскольку массы уже известны, отсюда можно было бы получить некоторые предельные значения радиуса^18.

Однако лучшие оценки размеров основаны на наблюдениях яркости полного потока рентгеновского излучения от поверхности пульсаров с учетом известного расстояния до Земли. Это непростой расчет, но он позволил астрономам определить значения радиусов, которые согласуются с лучшими теориями, описывающими нейтронные звезды. По оценкам ученых, нейтронные звезды имеют радиус от 9,9 до 11,2 километра, хотя радиусы некоторых из них приближаются к верхнему пределу, примерно равному 14 километрам.

Другой способ найти радиус – наблюдение очень быстро вращающихся (с миллисекундным периодом) пульсаров, дополненное предположением о том, что наибольшая измеренная масса соответствует верхнему предельному значению радиуса. До сих пор такое измерение верхнего предельного значения радиуса было проделано только однажды – для нынешнего рекордсмена среди пульсаров по скорости вращения.

Стояла осень 2004 года, и канадец Джейсон Хесселс, тогда аспирант Университета Макгилла, работал над своей диссертацией, в которой использовал для своих наблюдений телескоп Green Bank. Эта диссертация была частично основана на результатах Хесселса по поиску миллисекундных пульсаров в шаровом звездном скоплении Терзан 5, примерно в восемнадцати тысячах световых лет от Земли в созвездии Стрелец. Он знал, что в этом скоплении располагаются по крайней мере двадцать миллисекундных пульсаров. Это место – одна из самых известных “фабрик по производству пульсаров”, и Хесселс очень хотел найти и другие, еще не открытые.

10 ноября 2004 года Хесселс зарегистрировал повторяющиеся импульсы излучения, которые шли так плотно один за другим, что он понял: эта нейтронная звезда вращалась очень, очень быстро. Проблема состояла в том, что она появилась только один раз и исчезла. День проходил за днем, месяц за месяцем, но она так и не вернулась. Его коллеги начали подозревать, что это был фантом. Но Хесселс, сейчас работающий в Амстердамском университете, не сдавался. Он решил, что, возможно, пульсар просто затмила другая звезда и “он спрятался за ней и всем этим хламом, имеющимся в двойной системе, который делает пульсар время от времени невидимым”. Наконец, примерно через год, он увидел пульсар опять, и тот стал самым быстро вращающимся из всех открытых до сих пор. Ему позже дали название PSR J1748— 2446ad и определили скорость его вращения – 716 оборотов в секунду. Его скорость значительно превышала предыдущий рекорд – 642 оборота в секунду (период 1,55 миллисекунды) для пульсара PSR В 1937+21. Этот пульсар был открыт астрономом Доном Бекером в 1982 году и стал тогда первым миллисекундным пульсаром. А его возраст, который определили позже, составлял примерно двести миллионов лет.

Рекордная скорость вращения была не единственным открытием Хесселса. Он также смог определить верхний предел для радиуса этой нейтронной звезды из далекого скопления. Если бы радиус пульсара оказался даже немного больше этого значения, то, как сказал Хесселс, “он должен был бы вращаться так быстро, что вещество, из которого он состоит, слетело бы с его поверхности – и пульсар испарился бы”. Хесселс не смог измерить массу, но, взяв для оценки наибольшую из измеренных до этого масс пульсаров, примерно равную двум массам Солнца, и измеренную им скорость вращения, нашел, что радиус пульсара не мог быть больше шестнадцати километров. А для типичной для пульсаров массы, равной 1,4 солнечной, верхний предел радиуса должен быть четырнадцать километров. “С тех пор это стало моей навязчивой идеей: попытаться найти пульсар, вращающийся еще быстрее, – говорит Хесселс, – в надежде также измерить массу и найти ограничения, накладываемые на его уравнение состояния”.

В то время как наблюдения пульсаров велись уже несколько десятилетий, появились два новых метода измерения массы и радиуса – LIGO и новый прибор NICER, отправленный в 2017 году на Международную космическую станцию.

NICER и охота за горячими точками

Когда восьмилетняя Айрин впервые увидела фотографию с дюжиной людей в защитных костюмах и масках, в которых были вырезаны только узкие щелочки для глаз, она радостно рассмеялась: “Ниндзя!” Ее мама, астрофизик Анна Уоттс, говорит, что это одна из ее любимых фотографий, поскольку на ней изображены ее коллеги во время последнего этапа сборки лучшего из всех когда-либо сконструированных инструментов для изучения внутреннего строения нейтронных звезд. Я встретилась с Уоттс в ее офисе в Амстердамском университете по пути к LOFAR (телескопу, с которым мы встречались в главе 4). NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), прибор для изучения внутреннего строения нейтронных звезд, – это ящик массой 372 килограмма и размером с посудомоечную машину, вмещающий в себя рентгеновский телескоп. В июне 2017 года он совершил перелет на ракете Falcon 9 компании SpaceX на Международную космическую станцию. Астронавтам потребовалось два дня, чтобы с помощью робота-руки прикрепить его к станции.

Теперь, когда NICER заработал, ученые, в том числе Уоттс, наконец получили возможность с его помощью очень точно измерять и массу, и радиус любой (почти) нейтронной звезды. И 12 декабря 2019 года NICER выдал первые результаты – самые точные измерения массы и радиуса пульсара^19.

Чтобы собрать этот прибор, НАСА потребовалось четыре года работы. Конструктивно NICER предназначен для изучения одиночных пульсаров, для чего внутрь него вставлена конструкция из пятидесяти шести детекторов рентгеновских фотонов, регистрирующих энергию и момент прихода фотонов. Большинство пульсаров излучает радиоволны, испускаемые частицами, которые ускоряются в магнитосфере, окружающей нейтронную звезду. Эти частицы должны вернуться на поверхность, чтобы звезда оставалась электрически нейтральной, так что эти частицы “обратного тока” предположительно ударяются о поверхность, разогревая полярные шапки звезды, что приводит к образованию светящихся областей – горячих точек, излучающих рентгеновские волны. Вот для чего предназначен NICER: вместо того чтобы регистрировать все рентгеновское излучение нейтронной звезды, он отслеживает точную форму импульсов рентгеновского излучения от горячих точек, которая зависит от массы и радиуса нейтронной звезды. Это как раз то, что Уоттс изучала еще до того, как NICER был сконструирован^20.

Однажды в 2015 году Уоттс совершенно случайно оказалась в той лаборатории НАСА: она делала доклад в Массачусетском технологическом институте тогда же, когда конструкторы NICER проверяли детекторы. Она захотела взглянуть на технологические разработки и получила разрешение побродить по лаборатории. Детекторы невероятно хрупки, так что ей пришлось надевать защитный костюм, и она сильно нервничала, поскольку, как пошутила Уоттс, “была неуклюжей”. Через полтора года она получила по электронной почте письмо из НАСА: ее пригласили участвовать в работе команды. Она была бы счастлива присоединиться, но тогда еще не была уверена в том, что ее участие в работе принесет пользу.

Однако она все-таки присоединилась к команде. Неожиданно ее теоретическая работа по горячим точкам приобрела большую значимость. Ученые уже наблюдали горячие точки и с помощью рентгеновских детекторов предыдущих поколений, но до сих пор их наблюдение не становилось приоритетной задачей ни в одном из проектов.

Идея состояла в том, чтобы измерять то, как интенсивность рентгеновского излучения от определенной горячей точки меняется при вращении нейтронной звезды, когда эта горячая точка то появляется в поле зрения, то исчезает. Поскольку нейтронная звезда – очень плотный объект, согласно общей теории относительности, траектория фотонов, излучаемых горячими точками, будет искривляться.

Искривление будет таким сильным, что при вращении звезды свет от горячих точек, лежащих на ее поверхности, будет закручиваться вслед за ними, при этом искривляясь так, что NICER увидит эти точки даже тогда, когда они уже будут находиться на обратной стороне звезды. Прибор измеряет то, как интенсивность меняется со временем, и рисует зависимость. И тогда оказывается возможным точно предсказать, какую картину увидит наблюдатель для звезды с определенной массой, радиусом и скоростью вращения. “А мы в нашем случае решаем обратную задачу: по полученной картине делаем заключение о массе и радиусе звезды”, – говорит Уоттс.

Регистрация рентгеновского излучения – дело непростое, поэтому помимо поиска новых нейтронных звезд в задачи NICER входит также исследование известных миллисекундных радиопульсаров с целью зарегистрировать импульсы рентгеновского излучения от них. Если их масса уже была найдена раньше с помощью хронометрирования радиопульсаров, половина дела, считай, уже сделана.

Поскольку в определенные периоды в году Солнце на небе приближается к уже известным пульсарам, астрономам периодически приходится сталкиваться с помехами от фотонов, излучаемых Солнцем. “Нам фактически пришлось обрезать некоторые данные, чтобы убедиться, что мы используем только излучение, приходящее под определенными углами, дабы не допустить этого дополнительного зашумления солнечным светом”, – говорит Уоттс.

Тем не менее данные NICER по наблюдению нескольких ближайших миллисекундных пульсаров, похоже, согласуются с предыдущими измерениями их полного рентгеновского излучения, проведенными на других телескопах, что Уоттс считает обнадеживающим.

Масса пары наблюдаемых пульсаров, полученная из данных по хронометрированию их радиоимпульсов, превышала удвоенную массу Солнца. И для такой большой массы искривление света за счет гравитации настолько велико, что, если радиус пульсара мал, импульсы невозможно зарегистрировать. Таким образом, наблюдение пульсаций излучения позволяет установить нижний предел радиуса, то есть минимальный возможный радиус.

Результаты, опубликованные командой NICER 12 декабря 2019 года, хороши, но еще недостаточно точны для того, чтобы определить, какой именно вид плотной материи может находиться внутри ядра. Радиус оказывается прямо посередине между значениями, которые предсказывает ядерная физика, и существующими в астрофизике ограничениями, “так что теоретики могут пока дышать спокойно”, по словам Уоттс. Но, учитывая эту неопределенность и тот факт, что радиусы не соответствуют ни одному из предельных значений, оцененных учеными, пока по этим результатам они не могут сделать каких-либо определенных выводов о составе внутреннего ядра.

Эти результаты вполне могут измениться, когда команда NICER будет анализировать данные по следующим звездам. Тогда как с помощью NICER можно изучать только одиночные пульсары, будущие рентгеновские телескопы, такие как eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry, “с увеличенной точностью определения рентгеновских временных и поляриметрических характеристик”) и STROBE-X (Spectroscopic Time-Resolving Observatory for Broadband Energy X-rays, “спектроскопическая обсерватория с высоким временным разрешением для широкого рентгеновского диапазона”), позволят изучать и аккрецирующие пульсары. Там горячие точки возникают, когда материал от звезды-компаньона переносится на магнитные полюса пульсара, а также когда в “океанах” на поверхности нейтронной звезды происходят термоядерные взрывы. В то время как в одиночной нейтронной звезде кора – это ее внешний слой, в аккрецирующих звездах перенесенное с компаньона вещество наносится поверх коры и формирует внешний жидкий океан^21.

Уже запланировано, что подобные детекторы нового поколения будут от десяти до двадцати раз больше предыдущих и будут запускаться в космос в течение следующего десятилетия. Уоттс ждет не дождется этого. Она говорит, что такой телескоп позволит ученым зарегистрировать резкие изменения внутри ядра – то, например, что происходит при таинственных фазовых переходах кварков (считается, что кварковая материя меняет свое состояние, подобно тому как вода меняет свое, превращаясь из жидкости в пар или лед). Однако оценить эти переходы кварков непросто из-за того, что природа сильного ядерного взаимодействия, которое связывает кварки друг с другом с помощью глюонов, понятна пока только приблизительно^22.

LIGO, Virgo и их будущие кузены

Утром 17 августа 2017 года, когда гравитационная рябь от двух столкнувшихся нейтронных звезд дошла до Земли, Джоселин Рид и Катерина Хациоанну, астрофизики и члены сообщества LIGO, пришли в замешательство. В тот день Хациоанну проснулась от звука, означающего, что на ее электронную почту пришло от LIGO оповещение об этом столкновении, которое всеми ожидалось позже.

Джоселин Рид, профессор Университета штата Калифорния в Фуллертоне, проверила электронные письма от LIGO не сразу – в ее компьютере они помещались прямиком в специально созданную для этого папку, потому что иногда приходили в огромном количестве. И Рид, и Хациоанну в тот день готовились принять участие в панельной дискуссии по экстремальной гравитации в Университете штата Монтана. Темой дискуссии был вопрос о том, можно ли узнать что-нибудь о внутреннем строении нейтронной звезды, наблюдая слияние двух звезд.

Когда незадолго до начала дискуссии Рид пришла в аудиторию, коллеги быстро ввели ее в курс дела. Переполненная радостным удивлением, она сказала, повернувшись к Хациоанну: “Мне нужно понять, что я на самом деле могу рассказать в своем выступлении, не утверждая ничего наверняка”. Поскольку в тот момент о событии знали только члены сообщества LIGO, а результаты впечатляли, их следовало держать в секрете и не говорить о них никому за пределами сообщества, так как вначале их надо тщательно проанализировать и оформить в виде статей. И Рид добавила: “Придется сообщить о беспрецедентных вещах, так что мы должны просто попытаться понять, что с этим делать”.

Выступление на панельной дискуссии в результате содержало множество “если”, но и Рид, и Хациоанну знали, насколько значимым стал обнаруженный сигнал – он давал новый способ получить ограничения, накладываемые на уравнение состояния. Чтобы сделать это, ученым требовалось больше информации, а в своем распоряжении вначале они имели лишь сигнал гравитационных волн, но надеялись зарегистрировать то, как менялась частота вращения двух звезд в ходе их смертельного танца. Действительно, двигаясь по согласованным орбитам, они изначально медленно обращаются вокруг общего центра масс, и по мере того, как они сближаются в течение миллиардов лет, они теряют энергию, уносимую гравитационными волнами. И когда наконец эти две звезды сближаются, их орбитальные скорости увеличиваются, и в конечном итоге они сливаются. Период обращения непрерывно меняется все время, и эти изменения ученые используют для того, чтобы извлечь больше информации о системе нейтронных звезд.

По мере того как нейтронные звезды притягиваются друг к другу, они начинают деформироваться – каждая растягивает и сжимает вещество другой, на них возникают приливы, точно так же как из-за гравитации Луны приливы возникают в океанах на Земле. И так же как гравитационные волны уносят энергию двух нейтронных звезд, приливы отнимают энергию, что заставляет звезды столкнуться немного раньше, чем это случилось бы без приливов^23.

Несмотря на то что тогда детекторы LIGO работали не так хорошо, как сегодня, и уровень шума в них был велик, сигнал был настолько сильным и четким, что стало возможным оценить, сколько к потерям гравитационной энергии добавляют приливы (а также рассеяние орбитальной энергии за счет гравитационных волн), деформирующие каждую звезду. Ученые попытались подставить полученные данные в уравнения состояния, чтобы получить картину того, как звезды противостоят давлению и растяжению, вызываемым гравитацией, которая без этого раздавила бы их.

И хотя предсказать конечные давления и плотности очень сложно, на самом деле только соотношение между давлением и плотностью определяет размер одиночных звезд и то, как на звезды влияют приливы. Чем меньше деформация, тем мягче уравнение состояния, которое будет соответствовать полученным командами LIGO и Virgo результатам, и это позволяет установить верхний предел радиуса звезды по регистрируемому сигналу, отвечающему гравитационной волне. Информация о радиусе спрятана в небольшой поправке за счет приливов к уносимой гравитационными волнами энергии, которая зависит в основном от массы звезд. Существуют два способа найти эти массы. Самый надежный – использовать так называемую чирп-массу, или особую комбинацию масс двух звезд, которую можно получить напрямую из исходного изменения частоты сигнала гравитационной волны. После того как ученые вычленили дополнительные эффекты и предположили, что нейтронные звезды вращаются с типичной для наблюдаемых пульсаров скоростью, они рассчитали массы. Те оказались равными 1,46 и 1,27 солнечной массы. Но Рид сказала, что пока этот метод определения масс компонентов двойной системы не особенно точный, и, хотя он “очень многообещающий, на данный момент массы радиопульсаров определены более точно”.

Другие ученые, в том числе Самая Ниссанке из Амстердамского университета, занимались наблюдением яркости килоновой, которая также позволяет определить массы, для чего нужно просто подсчитать массу, выброшенную во время слияния. Наблюдения установили верхний предел массы нейтронной звезды в диапазоне от 2,1 до 2,2 массы Солнца. Но, как сказала Ниссанке, из-за многих связанных с этим методом неопределенностей она бы “не поручилась головой” за значения масс, полученных таким образом. Килоновая, вообще говоря, порождает страшный беспорядок с большим количеством плавающего вокруг вещества.

На следующем этапе Рид, Хациоанну и другие ученые, используя сигнал гравитационных волн, подсчитали, что радиус звезд не может быть больше примерно 13,5 километра. Это значение согласуется с предыдущими рентгеновскими измерениями радиусов, а также означает, что приливы не вызвали большой деформации. Такой малый радиус помог исключить из рассмотрения самые жесткие уравнения состояния, предсказывающие существование более крупных нейтронных звезд. “Это говорит о том, что давление достаточно низкое, поэтому мы смогли исключить некоторые модели, в которых предполагалось высокое давление”, – говорит Хациоанну. Если бы звезды были крупнее, влияние приливных сил на их орбиты было бы намного сильнее. Поэтому внутреннее давление не могло их слишком сильно раздуть, хотя достаточно высокое давление по-прежнему необходимо для противостояния сокрушающим силам гравитации, соответствующим двум солнечным массам. И это позволяет предположить, что давление резко возрастает при увеличении плотности. Когда возможно будет наблюдать больше актов слияний нейтронных звезд, следующим шагом будет получение гораздо большего количества данных об их деформируемости из-за приливов. Это позволит ученым понять, как меняется радиус при изменении массы, и увидеть, какие уравнения состояния предсказывают такие же изменения радиуса.

Собираем пазл

Как только мы точно измерим массы и радиусы нескольких нейтронных звезд, мы сможем убрать нерелевантные уравнения состояния. Однако, даже если мы определим размеры звезд, мы не сумеем понять, какие частицы внутри звезды создают давление: нераспавшиеся нейтроны, свободные кварки, гипероны, сжатые каоны или что-то еще более экзотическое. Другими словами, при одних и тех же значениях массы и радиуса внутри звезды могут находиться как кварки, так и нейтроны. Если мы узнаем величину давления, это еще не будет означать, что мы узнали, из чего звезда состоит. Итак, задача будет заключаться в том, чтобы проанализировать различные варианты строения, которые способны вызвать такое давление. И тогда можно будет выбрать тот, при котором кусочки пазла сложатся друг с другом.

Например, наблюдая большее количество слияний нейтронных звезд, мы сможем поискать фазовые переходы в кварковой материи при изменении давления и, следовательно, понять, как радиус звезды изменяется с массой. Ученые считают, что нейтронные звезды с массами внутри определенного интервала будут иметь примерно одинаковый радиус. Давление внутри нейтронных звезд определяется тем, из какого вещества состоят ее недра – из обычных нуклонов, частиц, содержащих странные кварки, а может быть, там даже находится “суп” из кварков. “Трудно определить, какие частицы соответствуют измеряемым нами радиусам, из-за сложности их взаимодействий”, – говорит Рид. Но чтобы звезды имели такие маленькие радиусы, какие получаются из измерений LIGO, и при этом столь колоссальные массы, может потребоваться присутствие внутри них чего-то более “экзотического”, чем старые добрые нейтроны.

И если, например, NICER обнаружит звезду с меньшей массой и большим радиусом, чем принятые сейчас верхние пределы, a LIGO обнаружит звезду с большей массой и меньшим радиусом, это будет означать, что с частицами в ядре звезды может происходить что-то действительно интересное, и это многое скажет нам о том, какой вид вещества создает нужное давление, и ограничит тип моделей. “Если эти наблюдения приведут к двум разным точкам зрения, к двум разным типам нейтронных звезд, это может позволить нам не только точно понять, как ведет себя уравнение состояния, но также выяснить, какие частицы или фундаментальные взаимодействия заставляют его вести себя таким образом”, – говорит Хациоанну.

Мы могли бы исключить лишние модели, сведя воедино наши знания о фазовых переходах, скорости охлаждения, о том, как различные частицы уносят энергию при излучении и как нейтронные звезды со временем замедляют свое вращение. А будущие эксперименты на коллайдерах с кварк-глюонной плазмой со временем могут дать нам более ясное представление о том, что находится внутри этих плотных тел.

Но сможем ли мы когда-нибудь отбросить все теории, кроме одной-единственной? Хациоанну не до конца в этом уверена. “Зная теоретиков, скажу, что это маловероятно. Они всегда строят новые теоретические модели, объясняющие наблюдения, особенно если эти наблюдения противоречат существующей точке зрения. Возможно, мы сумеем отбросить такие экстремальные модели, как большие кварковые ядра, но всегда остается вероятность того, что в ядре имеется небольшое количество кварков. Невозможно исключить все”.

Глава 6

Как нейтронные звезды убивают теории темной материи

Газ, пыль, миллионы и миллионы звезд, некоторое количество пульсаров и черная дыра – монстр, в несколько миллионов раз более массивная, чем наше Солнце, – примерно так выглядит центр нашей Галактики. Здесь бьется сердце Млечного Пути, и вокруг него в течение вот уже 13,5 миллиарда лет обращаются все звезды и планеты. Это место очень плотно заселено. Настолько плотно, что с помощью оптических телескопов невозможно ничего разглядеть – свет с длиной волны, лежащей в видимой части спектра, просто не может пробиться через всю эту толщу пыли и газа. К счастью, инфракрасным волнам и длинноволновому радиоизлучению это удалось, и они рассказали нам о том, что помимо газа там обитают старые красные сверхгиганты, а также несколько миллионов более молодых массивных звезд, которые через много миллионов лет взорвутся сверхновыми^1.

В июне 2018 года, незадолго до официальной инаугурации установленного в Северной Африке радиотелескопа MeerKAT, которая состоялась 13 июля, астрономы на короткое время направили его “взор” на центр Галактики и сделали снимок. В результате было получено четкое и детальное изображение центра Млечного Пути, самое лучшее из всех когда-либо полученных. Оно похоже на снимок костра или горящей печи: огненные нити тянутся во всех направлениях, причудливые круглые облака на левой стороне изображения напоминают выходящий из трубы дым. Два огромных радиопузыря, один вытянувшийся вверх, другой – вниз, похожи на песочные часы. Прячущийся монстр в центре – сверхмассивная черная дыра Стрелец А*2.

Но есть еще кое-что. Астрономы думают, что центр скрывает еще один секрет – некую материю, совершенно невидимую для всех наших приборов. Считается, что масса этого необычного вещества в пять раз превышает массу обычной, привычной нам материи, состоящей из атомов, которую ученые называют барионной материей и с которой мы все знакомы, – той самой, из которой образованы звезды, газ, планеты, вы, я и мой кот Кварк. Мы не знаем, что представляет собой эта таинственная материя, которую впервые ввел в свою теорию физик Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института, заметивший, что она нужна нам для объяснения наблюдаемого движения звезд и галактик. И теперь мы называем ее просто “темной материей”.

Около 23 % Вселенной составляет темная материя, 72 % – таинственная темная энергия, и только чуть менее 5 % составляет обычная материя. Есть только одна проблема: каждый раз, когда ученые думают, что нашли ключ к разгадке природы темной материи, они сталкиваются с одним и тем же старым неприятелем, который появляется перед ними и разбивает их теории в пух и прах. Этот неприятель – нейтронная звезда.

Большинство астрономов считает, что у них достаточно косвенных доказательств того, что темная материя существует. Они видят, как ее гравитация притягивает звезды, как она искривляет свет, который проходит рядом с ней, и все это складывается в единую картину, но только если считать, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна правильно описывает гравитацию как свойство массивных объектов искривлять пространство-время^3.

Существуют альтернативные теории гравитации, которые пытаются объяснить строение нашей Вселенной без предположений о существовании темной материи или темной энергии, но эти теории ведут свои собственные битвы с нейтронными звездами. (Подробнее об этом см. главу 8.)

Тем не менее, если общая теория относительности верна, мы просто не можем объяснить движение наблюдаемой обычной материи под действием гравитации без предположения о существовании темной материи. Как и в случае многих, казалось бы, далеких от реальной жизни теорий, и эта ведет свое начало от Цвикки, который еще в 1933 году впервые предположил связь нейтронных звезд со сверхновыми. Примерно в то же время он изучал галактики и скопления галактик, сходные с нашим собственным скоплением – Местной группой, в которую входят Млечный Путь, галактика Андромеда и многие другие (карликовые) галактики. Цвикки знал, что галактики в скоплении обращаются вокруг центра масс скопления, а также вокруг своей оси и, кроме того, взаимодействуют друг с другом.

Но он хотел убедиться в этом сам. Он убедил Калтех построить восемнадцатидюймовый телескоп с большим полем зрения и сфотографировал скопление галактик Кома (Волосы Вероники), находящееся примерно в 323 миллионах световых лет от Земли. Это скопление содержит более тысячи галактик. На каждом снимке, который сделал Цвикки, оказалось большое количество галактик, и он просуммировал светящееся вещество (звезды и газ, которые он смог разглядеть в телескоп) в скоплении. Он также вычислил скорость движения галактик и понял, что масса скопления намного больше суммарной массы светящегося вещества. Результаты были поразительными. Галактики, казалось, двигались слишком быстро, и при такой скорости и рассчитанной массе не могли оставаться связанными в единое скопление с помощью гравитационных сил. С такой небольшой массой светящегося вещества и создаваемой им гравитацией скопление галактик Кома должно было просто распасться. И наоборот, наблюдаемые гравитационные силы требовали присутствия в четыреста раз большего количества вещества, и Цвикки назвал это избыточное вещество Dunkle Materie, что в переводе с немецкого означает “темная материя”. Теорией Цвикки не сильно интересовались вплоть до последних десятилетий, но название сохранилось.

Только в 1970-х годах ученые осознали, что Цвикки оказался в главном прав[24]. Два американских астронома, Вера Рубин и Кент Форд, вычисляли массу соседней с нами галактики Андромеда, измеряя скорость звезд в ней. Как и Цвикки в ситуации со скоплением Кома, они обнаружили аномалию. Галактика Андромеда – спиральная галактика, похожая на Млечный Путь, с галактическим балджем и диском, заполненными межзвездным газом и звездами. До работы Рубин астрономы предполагали, что звезды обращаются тем быстрее, чем ближе они к своему галактическому центру, а спиральные рукава, расположенные дальше, должны двигаться медленнее из-за более слабого притяжения. Однако Рубин увидела, что это не так: звезды на окраинах галактики обращались с такой же скоростью, как и те, что были ближе к центру галактики Андромеда. Это означало, что галактика должна быть заполнена чем-то невидимым, обладающим достаточным притяжением, чтобы удерживать всю систему вместе, – какой-то загадочной “темной материей”, которая помогает обычной материи двигаться с одинаковой скоростью во всей галактике. Позже Рубин и Форд провели аналогичные вычисления применительно ко многим другим галактикам и показали, что плоские кривые вращения[25] характерны для всех рассмотренных ими галактик, и тем самым привели убедительный аргумент в пользу существования там темной материи.

Это был поворотный момент в спорах относительно этой невидимой субстанции. Сейчас астрономы считают, что темная материя образует обширные сферические облака по всей Вселенной, и внутри каждого облака плавает одна или несколько галактик, и все эти образования, напоминающие футуристические города в небе, называются гало темной материи. Позже астрономы увидели еще одно свидетельство существования темной материи, состоящее в искривлении света в космосе. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Когда мы наблюдаем далекую галактику, часто мы видим ее искаженной, например в виде дуги, а иногда вместо одного объекта, который, как мы знаем, там должен быть, мы видим несколько его изображений. Это связано с тем, что между наблюдаемым нами объектом и Землей может находиться, например, скопление галактик, которое действует как гигантская гравитационная линза, искривляющая световые лучи. Но если мы просуммируем массы всех звезд в этом скоплении в соответствии с количеством света, которое регистрируем, то поймем, что при такой массе скопления искривление должно быть ничтожным. Фактически изображение далекой галактики не должно быть настолько искаженным. Когда астрономы пытаются промоделировать получаемое в реальности искажение на компьютере, им часто приходится увеличивать массу моделируемого скопления, расположенного между нами и объектом, в девять раз, и только тогда все сходится. Из этого следует, что скопление содержит гораздо больше темной материи, чем нормальной.

Несмотря на потраченные миллиарды долларов и десятилетия работы с различными детекторами, у ученых не получилось найти никаких прямых доказательств существования темной материи. Попытки произвести ее при столкновениях частиц высоких энергий в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, пока успехом не увенчались.

В одно из своих путешествий по Италии я оказалась в лаборатории, спрятанной глубоко под самой высокой горой Апеннин – Гран-Сассо, находящейся примерно в часе езды от Рима. В лаборатории мне показали гигантский резервуар диаметром около десяти метров и высотой одиннадцать метров, напоминающий большое зернохранилище. Это самый чувствительный детектор темной материи на Земле – XENON1T. Но, несмотря на десятилетия поисков, работающие с ним – равно как и со всеми другими детекторами – ученые не обнаружили тот сигнал, который искали.

И все же астрономы не сдаются. Основываясь на наблюдаемых гравитационных эффектах, они предполагают, что самая плотная концентрация темной материи вокруг галактики (или группы галактик) должна быть в заваленном всякой всячиной галактическом центре. Это предположение основано на том, что, согласно принятым моделям формирования галактик, в ранней Вселенной сначала образовались гало темной материи, когда за счет гравитации она сформировала сетчатую структуру, называемую космической паутиной, со сгустками темной материи в узлах. Эти сгустки и являются гало темной материи, представляющими собой огромные облака, которые напоминают по форме мячи для американского футбола, с самой высокой концентрацией темной материи в центрах галактик. Поэтому ученые считают, что если пытаться найти темную материю, то лучшим местом для поисков должен быть центр нашей Галактики^4.

Дэн Хупер, астрофизик из Чикагского университета, прекрасно это знает. Вот уже два десятилетия он охотится за темной материей по всему Млечному Пути и ищет любые сигналы, которые могли бы доказать ее существование. Хупер в своих поисках сосредоточился на центре нашей Галактики, кроме того, он исследует галактическую плоскость, в которой находится большая часть массы нашей дискообразной Галактики. Но каждый раз, когда он думал, что, возможно, увидел какой-то намек на сигнал от темной материи, его надежды разбивали пульсары: иногда они производят сигналы, похожие на предполагаемые сигналы от темной материи, которые искал Хупер. “Пульсары – это своего рода антагонисты темной материи, – смеется он. – Когда вы наблюдаете что-то экзотическое, что, по вашему мнению, может быть темной материей, вы опасаетесь, что на самом деле это окажутся пульсары”.

История битвы между пульсарами и темной материей началась в конце 1990-х годов, когда на наземном детекторе Milagro в Нью-Мексико обнаружили чрезвычайно высокоэнергетическое диффузное гамма-излучение от всей галактической плоскости. Гамма-излучение – это форма электромагнитного излучения с наибольшей энергией из всех нам известных, и на детекторе Milagro зарегистрировали это излучение с максимальной энергией – около 3,5 тераэлектронвольт (ТэВ), или, иначе, 3,5 триллиона электронвольт (эВ). 1 эВ – это энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в один вольт. Для сравнения: в старых телевизорах с электронно-лучевыми трубками электроны ускорялись примерно тридцатью тысячами вольт, а это означает, что, когда они ударялись об экран, они имели энергию в тридцать тысяч электронвольт. А энергия в 3,5 ТэВ примерно в сто миллионов раз больше, и это значит, что скорость электрона с такой энергией гораздо выше, чем в электронно-лучевых трубках, и почти достигает скорости света.

Тот факт, что вся галактическая плоскость пронизана гамма-излучением, не стал неожиданностью. Гамма-лучи образуются при радиоактивном распаде атомных ядер. На Земле они рождаются в результате ядерных взрывов и ударов молний. В космосе они генерируются, когда космические лучи, обычно протоны высоких энергий, взаимодействуют с межзвездным газом или когда электроны проносятся сквозь звездный свет или поля галактического излучения. Гамма-излучение в космосе генерируется и при событиях, в которых выделяется высокая энергия, таких как взрывы сверхновых, а также в окрестностях черных дыр и нейтронных звезд. Но когда ученые, анализируя данные, полученные в гамма-обсерватории Milagro, сравнили свои результаты с тем, сколько гамма-излучения должно генерироваться в галактической плоскости в соответствии с количеством наблюдаемых космических лучей, они были поражены, обнаружив превышение этого излучения по крайней мере в десять раз по сравнению с тем, что ожидалось.

Позже, в 2006 году, в космическом эксперименте под названием PAMELA (Pay load for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics, “дополнительное оборудование для исследования антиматерии и астрофизики легких ядер”), проводимом на борту российского спутника, обнаружился избыток еще одних частиц: на этот раз позитронов высоких энергий – античастиц электронов. Ученые считают, что в момент Большого взрыва было произведено равное количество вещества и антивещества. Однако затем материя каким-то образом стала доминировать над антиматерией, и на сегодня во Вселенной обнаружено очень мало антивещества (хотя его можно искусственно создать, причем даже на Земле). Галактическое магнитное поле придает движению этих частиц случайный характер, поэтому невозможно точно определить источник или источники этих позитронов. Но Хупер знал, что электрон-позитронные пары рассеивают свет звезд, отдавая ему свою энергию и превращая его в гамма-излучение с энергией порядка ТэВ. Были ли эти два эффекта – избыток высокоэнергетических гамма-квантов и позитронов – каким-либо образом связаны? И что их порождало?

Когда данные, полученные командой проекта PAMELA, были опубликованы и продемонстрировали избыток позитронов, Хупер стал одним из первых в научном сообществе, кто отреагировал на это. Его первой мыслью была идея о том, что источником этих избыточных позитронов могла быть та самая темная материя, которую он искал всю свою жизнь. У ученых имеется ряд теорий насчет того, что может представлять собой темная материя, и одна из наиболее широко распространенных концепций заключается в том, что темная материя состоит из вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), слабо взаимодействующих массивных частиц. Один из типов вимпов – это гипотетические нейтралино, и Хупер предположил, что эти нейтралино могут время от времени сталкиваться и при своей аннигиляции производить потоки экзотических частиц, которые затем могут распадаться на обычные элементарные частицы – электроны и позитроны – и обеспечивать наблюдаемый избыток позитронов. Согласно такой гипотезе, эти электроны и позитроны, движущиеся почти со скоростью света, затем закручиваются по спирали вокруг силовых линий галактического магнитного поля, генерируя так называемое синхротронное излучение (излучение электромагнитных волн). На этих электронах также рассеиваются фотоны низкой частоты, которые составляют свет окружающих звезд, и в результате этого процесса, называемого обратным комптоновским рассеянием, эти фотоны превращаются в гамма-кванты с высокими энергиями.

Хуперу хотелось бы думать, что это сигнал от темной материи, но он не был в этом уверен, поэтому рассмотрел также и альтернативную причину избытка позитронов, источником которых могли быть пульсары. Согласно этому сценарию, мощные магнитные поля нейтронных звезд, вращающиеся вместе с ними, создают электрические поля, которые “вытаскивают” электроны с поверхности пульсаров и ускоряют их. Когда эти электроны с высокими энергиями попадают в магнитные поля, они испускают высокоэнергетические гамма-кванты, точно так же как и в сценарии с темной материей. А когда они покидают магнитное поле пульсара и начинают распространяться по пространству, часть их может спонтанно превратиться в электрон-позитронные пары.

Не меньше Хупера этой проблемой были заинтригованы и многие другие физики. В течение десяти лет после того, как данные PAMELA опубликовали, вышло более тысячи статей, в которых авторы пытались объяснить эту загадку. Большинство авторов придерживалось гипотезы пульсарного происхождения гамма-излучения, но, чтобы доказать ее, нужно убедиться, что эти гамма-лучи излучаются пульсарами, а затем определить, сколько электронов и позитронов потребовалось бы, чтобы произвести такое количество высокоэнергетических гамма-квантов, и можно ли ими объяснить наблюдаемый излишек.

В 2017 году Хупер и несколько его коллег придумали, как решить эту задачу. Они вспомнили еще об одном детекторе, преемнике Milagro, – обсерватории HAWC (High Altitude Water Cherenkov Experiment, “высотная водная обсерватория имени Черенкова”), расположенной возле Пуэблы, Мексика, строительство которой было завершено в 2015 году. В обсерватории HAWC наблюдали два соседних пульсара – Гемингу и Monogem ring (некоторые называют его просто Monogem), расположенные на расстоянии менее чем тысяча световых лет от Земли. Их относительная близость к нам важна, потому что электроны с энергиями порядка ТэВ не могут переместиться очень далеко от источника, поскольку быстро теряют большую часть своей энергии в магнитных полях нашей Галактики, а также из-за рассеяния света звезд.

HAWC обнаружил обширное гало вокруг этих двух пульсаров, излучающее гамма-лучи высокой – тераэлек-тронвольтной – энергии. Эти гамма-лучи могли образоваться, когда электроны и позитроны высокой энергии, вылетающие из пульсаров, взаимодействовали с фотонами низкой энергии, испускаемыми близлежащими звездами. При столкновениях электроны могли передать фотонам много энергии (подобно тому как клюшка для гольфа передает энергию мячу, отправляя его на другую сторону поля). Ученые проанализировали данные HAWC и рассчитали светимость обоих источников. Они сравнили яркость двух пульсаров с яркостью их гало и определили, какая часть энергии пульсара преобразуется в электроны и позитроны. Оказалось, что эта часть составляет примерно 10 %– и этого, по словам Хупера, практически достаточно, чтобы объяснить наблюдаемый избыток позитронов. Он сказал, что это стало завершающим доказательством.

В нашей Галактике было обнаружено около трех тысяч радиопульсаров, но большинство из них либо слишком тусклые, либо слишком далекие, и поэтому HAWC не может воспринимать их как отдельные источники. Но если предположить, что все пульсары обладают одинаковой эффективностью преобразования своей кинетической энергии в электроны и позитроны, то, сложив вклад всех пульсаров Млечного Пути, мы увидим, что они приводят к сигналу гамма-излучения с энергией порядка тераэлектронвольт и почти точно такой же интенсивностью и энергетическим спектром, как и наблюдаемый с помощью детекторов избыток тераэлектронвольтного гамма-излучения. Сейчас почти все согласны с тем, что избыток позитронов, скорее всего, связан с пульсарами. Альтернативная теория его происхождения из темной материи, конкурирующая с пульсарной, была похоронена, пульсары выиграли эту схватку^5.

Хупер был разочарован, но не подавлен. Изучая странные сигналы от галактической плоскости, он искал темную материю везде, возлагая большую часть своих надежд на сердце нашей Галактики – галактический центр.

Некоторое время назад – в 2003 году – молодой постдок из Принстона Дуг Финкбайнер просматривал данные с космического спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, “зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона”). Как и Хупер, он был захвачен идеей поиска темной материи и надеялся наткнуться на ее следы в данных WMAP. Он прекрасно знал, что вимпы, если они существуют, должны время от времени аннигилировать и что процесс аннигиляции должен сопровождаться всплесками гамма-излучения, микроволнового излучения и каскадами других частиц высоких энергий. Вблизи центра Галактики он обнаружил странный избыток микроволнового излучения, явно отличного от реликтового космического микроволнового фонового излучения, поскольку, казалось, шло оно откуда-то изнутри нашей Галактики, то есть скорее от “авансцены”, а не от “арьерсцены”, как реликтовое. Статья Финкбайнера о необычной микроволновой “дымке WMAP” и особенно предположение, что виновниками ее появления могли быть вимпы, привлекли внимание Хупера.

Картина стала еще запутаннее в 2008 году, когда космический гамма-телескоп Fermi, запущенный в космос НАСА, передал первую партию данных. Финкбайнер, ныне профессор, и два его аспиранта, Трейси Слейтер и Мэн Су, обнаружили, что “микроволновая дымка” идеально гармонировала с “дымкой гамма-излучения” вокруг центра Млечного Пути. Но откуда эта дымка взялась, представлялось большой загадкой. В отличие от радиотелескопов, которые нацелены на конкретную область неба и регистрируют сигнал от точечного источника, такого как звезда или пульсар, у космического телескопа Fermi гораздо более широкое поле зрения. Он видит примерно пятую часть всего неба в каждый момент времени и, постепенно продвигаясь, осматривает все небо за три часа. Тем не менее получаемая им картинка нечеткая – телескоп имеет угловое разрешение всего лишь о,1–1 градус для большей части значений энергии, поэтому он размазывает звезды до размера Луны, а то и больше. Таким образом, несмотря на то что Fermi мог определить направление, с которого прилетели фотоны, он не мог определить, где именно возникает дымка, позже названная “дымкой Ферми”. Все ученые были уверены в том, что это происходило в окрестности галактического центра.

Вскоре после этого, в 2009 году, Слейтер, Су и Финкбайнер заметили, что дымка имеет некий контур. Это открытие было удивительным и неожиданным. Вместо того чтобы увидеть одну каплю с нечеткими краями, они внезапно увидели два гигантских фантастических пузыря, по форме напоминающих песочные часы, общим размером около пятидесяти тысяч световых лет, с центром в галактическом центре и ярче всего светящихся в гамма-диапазоне. “Дымка Ферми” превратилась в “пузыри Ферми”, и газеты разных стран мира поместили на своих первых полосах потрясающее изображение огромной космической восьмерки. В 2014 году Слейтер, Су и Финкбайнер за свое открытие получили премию Бруно Росси, присуждаемую отделением астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества^6.

Для Хупера пузыри были явным, хотя и разочаровавшим его, свидетельством того, что ни микроволновое излучение, зарегистрированное детектором WMAP, ни гамма-лучи, обнаруженные телескопом Fermi, не могли быть признаками темной материи. “Аннигиляция темной материи не должна приводить к образованию таких пузырей”, – говорит он. Область свечения должна быть размытой и не должна иметь отчетливых границ.

До сих пор неясно, что надуло пузыри Ферми, и некоторые ученые полагают, что они могли возникнуть из-за того, что наша сверхмассивная черная дыра когда-то давно взорвалась (хотя сейчас Стрелец А* и ведет себя совершенно спокойно, в отличие от активных ядер других галактик, от которых регистрируется излучение). Альтернативная гипотеза состоит в том, что пузыри могли возникнуть, если многочисленные гигантские звезды, образованные из газа, окружающего черную дыру, почти одновременно взорвались как сверхновые.

Но Хупер был настойчив. Как только он узнал, что дымка не может быть темной материей, он вместе с аспиранткой Нью-Йоркского университета Лизой Гуденаф решил еще раз внимательно проанализировать данные, полученные с помощью телескопа Fermi. И в этих данных они нашли скрытый клад. Вблизи галактического центра гамма-излучение было гораздо более интенсивным, чем предполагалось в теории. Его интенсивность превышала интенсивность всех известных астрофизических источников, вместе взятых, – и сверхмассивной черной дыры, и протонов космических лучей, сталкивающихся с молекулами газа, и электронов космических лучей, взаимодействующих с фотонами и молекулами газа, а также остатков сверхновых и пузырей Ферми. Избыток гамма-излучения составлял примерно 10 %. Кроме того, спектр наблюдаемого излучения и его распределение не соответствовали тем характеристикам, которые присущи чисто астрофизическим источникам. Хупер был ошеломлен. Неужели он обнаружил наконец доказательства существования темной материи?

Похоже, избыточное излучение имело максимум при энергиях от одного до трех миллиардов электронвольт (1–3 ГэВ), а это означало, что оно обладало примерно в миллиард раз большей энергией, чем видимый свет. Оно было самым ярким в центре Галактики, и его яркость уменьшалась при удалении от центра по любому направлению. Это говорило о почти сферической форме его источника, растянувшегося по крайней мере на пять тысяч световых лет от центра Галактики. Хупер предположил, что избыток возник из-за аннигиляции вимпов, и вместе с Гуденаф он написал статью и поместил ее на сервере препринтов arXiv.org (популярная онлайн-платформа, разработанная Корнеллским университетом, которая упрощает обмен научными статьями, давая возможность выложить их для свободного доступа еще до того, как они появятся в рецензируемых журналах^7).

Но, похоже, никто не обратил на эту публикацию внимания.

Хупер попытался привлечь внимание к своим результатам. В том же году он выступил с докладом на конференции и рассказал о расчетах, сделанных его командой. Он вспоминает, с каким воодушевлением говорил о том, что, возможно, наконец-то в центре Галактики они нашли следы темной материи. Но публика хранила зловещее молчание. После доклада один участник подошел к Хуперу и обозвал его непрофессионалом, который просто не знает, как правильно интерпретировать результаты, полученные телескопом Fermi. Аналогичная негативная реакция ждала его и на других конференциях, особенно со стороны членов сообщества Fermi — главных пользователей данных, полученных телескопом. Для них Хупер был чужаком, трактующим результаты, которые они – члены команды Fermi — обнародовали. “Они разговаривали со мной очень высокомерно”, – вздыхает он.

Спустя несколько месяцев, когда обнародовали еще одну порцию данных, полученных телескопом Fermi, Хупер и Гуденаф убедились, что необъяснимый источник излучения по-прежнему на месте. “В наш адрес было много критики, и мы попытались улучшить анализ данных, в том числе использовали более сложную программу внесения поправок, связанных с работой приборов, увеличили точность обработки точечных источников и фона в этом сегменте неба. И после этой обработки мы увидели тот же самый сигнал – он никуда не исчез”, – говорит Хупер. Они опубликовали вторую статью в 2010 году. Но и на этот раз лишь немногие обратили на нее внимание.

Однако для Хупера эта статья стала поворотным моментом, потому что теперь он уверился: сигнал не был фантомным. Он не был убежден, что его источником является аннигиляция темной материи, но в том, что сигнал реальный, он не сомневался. В сентябре 2010 года к Хуперу приехал молодой аспирант из Калифорнийского университета в Санта-Крузе Тим Линден, который присутствовал на одном из первых выступлений Хупера. Теперь Линден работает в Университете штата Огайо и в разговорах со мной вспоминает враждебность, с которой столкнулся Хупер: “Сказать, что сообщество Fermi не воспринимало Дэна всерьез, – значит ничего не сказать. Были люди, которые годами очень пренебрежительно относились к его методу анализа. А я всегда считал его анализ правильным”. Возможно ли, что существовал какой-то другой источник, который мог бы объяснить гамма-лучи? “Да, я думаю, что это всегда возможно. Это и сейчас возможно”, – говорит Линден. Но его заинтриговала гипотеза Хупера, и он был убежден, что тот уловил нечто важное.

В октябре 2011 года Линден и Хупер опубликовали статью, в которой описали, как они получили ту же величину избыточного гамма-излучения, используя уже другую методику его измерения, и составили карту неба в гамма-диапазоне. Другие группы ученых в конце концов тоже обратились к этой проблеме и тоже нашли избыточную интенсивность гамма-излучения. Тем не менее переубедить участников сообщества Fermi по-прежнему было трудно, да и многие другие астрофизики полагали, что избыток излучения нельзя считать настоящим. И Хупер понял, что пора написать решающую статью об этом избытке излучения – и либо доказать свою правоту, либо похоронить идею.

В результате в 2012 году Хупер решил обратиться к некоторым своим коллегам, занимавшимся анализом гамма-излучения, включая Финкбайнера и Слейтер. Слейтер тогда была постдоком в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, и все еще изучала происхождение пузырей. Однажды летним днем того же года они столкнулись с Хупером на конференции в Аспене, штат Колорадо, и начали говорить о том, что происходит с пузырями ближе к галактическому центру. К тому времени мало кто думал, что пузыри могут быть проявлением темной материи, но утверждения о сходстве между излучением пузырей в микроволновом и гамма-диапазоне основывались на сравнении гамма-излучения далеко от галактической плоскости с микроволновым излучением, исходящим из окрестности центра Галактики. Поскольку сравнение проводилось между несравнимыми величинами, Хупер в беседе со Слейтер предположил, что внутренняя часть пузырей все-таки могла бы быть связана с темной материей. “Мы обсуждали, могла ли ближайшая к галактическому центру часть пузырей быть «запачкана» избытком гамма-излучения от галактического центра, избытком, который, как я утверждал, мог быть обусловлен темной материей”, – говорит Хупер.

Слейтер заинтересовалась. Она знала об избытке гамма-излучения и согласилась исследовать пузыри, присоединившись к исследованиям Хупера и сконцентрировавшись на галактическом центре. В течение следующих двух лет они вместе с Хупером опубликовали две большие работы, причем вторую – на написание которой ушло полгода, объемом тридцать страниц – в соавторстве с Линденом и Финкбайнером. Они дважды и трижды проверили все, скрупулезно отвечая на вопросы каждого потенциального оппонента. “Это своего рода монументальная статья, мы трудились над ней полный рабочий день, и так в течение шести месяцев”, – вспоминает Линден.

Независимо от того, какие модели они использовали и как обрабатывали данные, избыток гамма-излучения не исчезал. Авторы намеренно рассматривали разные части Галактики независимо друг от друга, и каждый решал свою частичку проблемы, чтобы избежать какого-либо влияния со стороны остальных. “Я работал над той частью проблемы, которая касалась анализа галактического центра, и абсолютно не знал, к каким выводам приходили коллеги, занимающиеся другой частью Галактики. А Трейси и ее группа работали, наоборот, над анализом другой части Галактики и не знали того, что нашел я. А потом мы как-то составляли из этого цельную картину”, – говорит Линден. Они обнаружили, что избыток гамма-излучения наблюдался даже на довольно большом расстоянии в несколько тысяч световых лет от центра Галактики. “Никто до этого не осознавал, что избыток излучения не ограничен центром Галактики, а обнаруживается и вдали от него, в других частях Галактики”, – говорит Слейтер. Это было особенно интересно, потому что сразу устраняло подозрения в том, что светиться могла та область вокруг черной дыры, где она поглощала окружающее вещество. “Эти объяснения просто перестали быть релевантными после того, как выяснилось, что это излучение идет и из областей, расположенных на расстояниях в тысячи световых лет от черной дыры”, – говорит она.

В их статье также было показано, что “облако” гамма-излучения имеет примерно сферически симметричную форму с центром в галактическом центре и что его энергетический спектр выглядит совершенно одинаково повсюду, даже вдали от галактического центра. Когда соавторы начали сводить воедино свои результаты, они поняли, что, вероятно, имеют дело со множеством источников, образованных либо из темной материи, либо из чего-то еще, и эти источники более или менее симметрично распределены вокруг центра Галактики.

Статья появилась на онлайн-сервере arXiv.org в феврале 2014 года. Называлась она “Характеристики сигнала гамма-излучения из центральной области Млечного Пути: проверка возможной роли аннигиляции темной материи” и, по словам Линден, сразу же вызвала массу откликов в прессе. (Статью в конце концов опубликовали и в журнале, но только два года спустя, в июне 2016-го^8.) Это была первая статья о таинственном свечении, которое журналисты будут обсуждать ежедневно в течение нескольких недель. Сообщество Fermi больше не могло игнорировать необъяснимый избыток гамма-излучения, и даже НАСА поместило пресс-релиз статьи на главной странице своего вебсайта, признав, что избыток существует. “Пресс-релиз провисел там всего минут двадцать, прежде чем они поменяли его на какое-то другое сообщение, но я успел отправить ссылку маме”, – смеется Линден. Эта статья вызвала появление множества других статей, и в течение следующих трех месяцев она была процитирована более ста пятидесяти раз. Через год и сообщество Fermi опубликовало статью на эту тему. В конце концов акцент сместился с дискуссии о том, существует ли вообще какой-либо излишек гамма-излучения, к вопросу о том, что может быть его источником.

Некоторые ученые встали на сторону Хупера и его теории темной материи. Но не все. И тогда пульсары снова нанесли удар, поскольку многие ученые предпочли более привычное пульсарное объяснение для происхождения свечения, и такая возможность высказывалась (в том числе Хупером) еще в 2010 году.

Звезды в центре Млечного Пути, как правило, намного старше, чем на его окраинах. Возраст самых старых звезд в нашей Галактике составляет примерно 13,5 миллиарда лет, поэтому уже давно массивные звезды в центре должны были взорваться сверхновыми, породив множество нейтронных звезд. Поскольку плотность звезд в центре Галактики невероятно высока, эти нейтронные звезды могли образовывать двойные системы, в которых в какой-то момент одна звезда начала бы откачивать вещество своего компаньона и, следовательно, вращаться очень быстро^9. Они превратились бы в старые раскрученные миллисекундные пульсары, излучающие гамма-лучи и, возможно, радиоволны. Основываясь на наблюдениях известных миллисекундных пульсаров, проводимых в гамма-диапазоне, ученые подсчитали, что наблюдаемый избыток мог бы возникнуть, если бы в центре Галактики скопилось несколько тысяч пульсаров. И если бы они объединились в кластер, хотя являются точечными источниками, их спектр был бы очень похож на спектр излучения, который мог возникнуть при аннигиляции вимпов. Но когда Линден и Хупер просмотрели каталоги известных гамма-пульсаров в этом регионе, они не нашли ни одного. “И насколько вероятно, – задает вопрос Хупер, – что тысячи пульсаров прячутся в самом сердце нашей Галактики без нашего ведома? Почему мы их не видим?”

Частично ответ на вопрос Хупера может быть связан с технологией. Если вы возьмете миллисекундные пульсары, самые яркие из тех, что мы когда-либо открыли, и поместите их в галактический центр, их все равно будет сложно обнаружить. Дело не в том, что астрономы не пытались это сделать – еще как пытались. “Мы близки к тому, чтобы их обнаружить”, – говорит Слейтер. Одним из самых чувствительных телескопов, занятых поиском миллисекундных пульсаров в этом регионе, был GBT (Green Bank Telescope, “телескоп Грин-Бэнк”) в Западной Вирджинии, по крайней мере, пока не заработал телескоп MeerKAT и не сделал снимок галактического центра.

Именно туда я решаю отправиться в следующий раз, потому что именно эта обсерватория сможет наконец помочь уладить многолетние споры о том, что служит источником избыточного гамма-излучения в галактическом центре – пульсары или темная материя.

Пока я еду по лесной дороге через округ Покахонтас, штат Западная Вирджиния, расположенный в четырех часах езды от Вашингтона (в округе Колумбия), я прохожу цифровую детоксикацию. Уже около часа я нахожусь в национальной зоне радиомолчания – уникальном регионе Соединенных Штатов, охватывающем около 21 тысячи квадратных километров, где сотовые телефоны молчат, а радиотрансляция сильно ограничена законом^10. Примерно через два часа петляния по извилистым дорогам Голубого хребта я приезжаю в крошечный городок Грин-Бэнк, где живет сто сорок три человека. Несколько коров лениво пасутся рядом с дорогой и поворачивают головы, когда я проезжаю мимо. Парень в клетчатой рубашке, ремонтирующий свой пикап на обочине, поднимает на меня глаза и кивает, улыбаясь. Я сворачиваю на небольшую парковку, окруженную невысокими зданиями.

За зданиями находится сооружение, из-за которого в этом районе запрещено пользоваться телефонами, Wi-Fi и даже микроволновыми печами, – грандиозный телескоп GBT имени Роберта Бёрда, металлическая конструкция массой 7600 тонн и высотой 148 метров, что более чем в полтора раза превышает высоту статуи Свободы. Если подъезжать к телескопу по проселочным дорогам, его видно за много километров. Местные жители называют его “важным большим объектом”. В радиусе тридцати двух километров персонал обсерватории GBT постоянно обследует территорию в поисках источников сильного электромагнитного излучения, и операторы, когда находят такие устройства, просят нарушителя прекратить ими пользоваться. По закону они не могут требовать от владельца выбросить микроволновую печь или навигатор, но пытаются вместе с ним найти решение проблемы.

Каждый год телескоп красят белоснежной краской, причем тремя слоями, на что ее требуется более 5000 литров. Обычно все радиотелескопы окрашиваются в белый цвет, чтобы они лучше отражали солнечный свет и тепло, что сводит к минимуму колебания температуры поверхности антенны и предохраняет ее от деформации. GBT начал собирать данные в 2001 году, сканируя небо в области радиочастот от loo МГц до loo ГГц. Тогда телескоп принадлежал Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO). Однако в 2012 году NRAO решила прекратить финансирование объекта, сославшись на сокращение бюджета. 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 света^11.

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 них^12.

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 перекрываться^13.

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 воздействие ионизированного газа, и, с другой стороны, достаточно чувствительный, чтобы можно было зарегистрировать более слабые на этих частотах сигналы от пульсаров, если они там есть.

Большинство миллисекундных пульсаров находится в шаровых звездных скоплениях – далеких звездных структурах Млечного Пути. Хупер говорит, что, судя по тому, как они светят, таких пульсаров в галактическом центре просто не может быть в таком количестве, чтобы объяснить регистрируемый избыток излучения. Однако другие астрофизики считают это возможным. Дискуссия, похоже, зашла в тупик, по крайней мере, так было до 2015 года, когда две группы ученых – одна во главе с Кристофом Венигером, астрофизиком из Амстердамского университета, а другая под руководством Слейтер – опубликовали статьи в поддержку гипотезы пульсаров. Эти две группы использовали несколько отличающиеся друг от друга методики для интерпретации данных с телескопа Fermi, учитывающие его технические ограничения. Поскольку Fermi не направлен на источник, как это происходит в традиционном эксперименте, а просматривает очень широкую область неба, он улавливает излучение, приходящее с разных направлений. Особенно яркие точечные источники (включая пульсары) появляются в этом излучении в виде горячих точек, но более слабые пульсары вполне могут затеряться на фоне шумов^14.

Обе команды астрономов разбили участок неба вокруг галактического центра на множество пикселей. Затем они измерили изменения в уровне излучения от пикселя к пикселю, считая количество отдельных фотонов, регистрируемых телескопом Fermi. Они отметили, что наблюдались вполне заметные различия в количестве фотонов между этими пикселями даже после вычитания вариаций ожидаемого излучения от известных источников, иными словами, имелись “горячие” и “холодные” области неба. По их словам, горячие области, или яркие пиксели, можно объяснить наличием одного яркого пульсара или скопления миллисекундных пульсаров. Тусклые – более холодные – пиксели соответствовали отсутствию пульсаров. Хотя некоторые горячие и холодные точки можно считать появившимися случайно, уровень изменения яркости был достаточно высоким для того, чтобы его можно было объяснить присутствием скопления пульсаров, но настолько слабых, что их трудно обнаружить по отдельности. “Если вы замечаете на снимке какие-то разводы, то они связаны с пульсарами, хотя вы и не можете уверенно сказать, что видите отдельные пульсары”, – говорит Линден.

Авторы статьи утверждали, что, если бы именно столкновения вимпов – частиц темной материи, все еще существовавших лишь в теории, – были источником всего избыточного излучения, все участки неба должны были бы светиться в гамма-диапазоне примерно одинаково. Казалось бы, пульсары выиграли спор. Даже Хуперу пришлось признать, что аргумент в пользу пульсаров оказался довольно сильным. Он вспоминает, что эти две статьи оказали большое влияние на ученых и убедили многих в том, что именно быстро вращающиеся нейтронные звезды, вероятно, были источником излучения. “Раньше на arXiv.org каждые несколько дней выходила новая статья о свойствах темной материи, – говорит Хупер, – но внезапно количество таких работ снизилось в три или четыре раза. Вот так и упал до нуля интерес к этому предмету”.

Но Хупер по-прежнему был настроен скептически по отношению к пульсарной теории и очень откровенно высказывался о недостатках обеих статей. “Я считал, что такое чередование пятен можно объяснить множеством причин, в конце концов, большая часть гамма-излучения, обнаруженная этим телескопом, связана не с избытком излучения, о котором мы говорим, а с более обычными астрофизическими процессами. И вероятно, они тоже приводят к образованию пятен, просто мы про них не знаем”. Ему казалось совершенно правдоподобным предположение о том, что данные наблюдений могут также скрывать и большой монотонно меняющийся избыток излучения, связанный с аннигиляцией темной материи. Он спорил, приводил доводы, но не смог убедить других.

К счастью для Хупера, Слейтер не считала проблему окончательно решенной и продолжила ею заниматься, несмотря на опубликованную ею убедительную статью 2015 года. В начале 2019 года вместе с коллегой-физиком из Массачусетского технологического института Ребеккой Лин она решила пересмотреть свои собственные расчеты, а заодно и прежние расчеты Венигера. На этот раз они с Лин создали цифровую модель Млечного Пути со звездами, газом, пылью и всеми известными пульсарами. Затем они ввели в нее гипотетическую темную материю и некоторые тусклые пульсары, не включенные в первоначальную цифровую модель. Они проанализировали этот искусственный Млечный Путь и обнаружили, что дополнительно введенные пульсары сделали его похожим на галактику, в которой содержится очень мало темной материи, светящейся в гамма-диапазоне, хотя они знали, что она должна быть там, поскольку сами ее туда ввели.

Затем они добавили смоделированную темную материю к фактическим данным, полученным Fermi, чтобы увидеть, что произойдет, если ее ввести в нашу реальную Галактику. И снова обнаружили гораздо меньше темной материи, чем должен был дать сигнал, который они добавили искусственно, но зато гораздо больше точечных источников пульсарного типа. Это означало, что вместо плавно изменяющейся картины, которую они ожидали увидеть, они получили зернистую. Ученые не смогли обнаружить и следа добавленного ими сигнала от темной материи до тех пор, пока не ввели более чем в пять раз больший сигнал, чем тот, который объяснял бы наблюдаемый излишек излучения. Таким образом, сказали они, в статье прежде всего демонстрируется, что предыдущий анализ не позволял обнаружить темную материю, сигнал от нее каким-то образом оставался скрытым^15. “Вы вводите его вручную, чтобы картина профиля получилась гладкой, а она получается пятнистой. Это просто означает, что метод анализа, который вы используете, ошибочно определяет гладкое излучение как пятнистое, – говорит Хупер. – Это не значит, что оно должно быть гладким. Но и не значит, конечно же, что оно образует пятна”. Анализ 2015 года оказался менее надежным, чем предполагалось, и у темной материи все еще оставался шанс.

Хотя в статье не было представлено новых доказательств существования темной материи, она ослабила доказательность объяснения избыточного гамма-излучения Галактики свечением пульсаров. По словам Хупера, по-прежнему неясно, распределено ли избыточное излучение гладко или образует пятна, по крайней мере, на основе имеющегося на сегодня анализа полученных данных. Один из будущих проверочных экспериментов может быть основан на данных, которые телескоп Fermi соберет, изучая крошечные галактики – карликовые сфероидальные галактики, обращающиеся вокруг Млечного Пути. Если частицы темной материи ответственны за избыток излучения, то вимпы в них должны давать очень похожий сигнал, только чуть ослабленный. Когда телескоп Fermi соберет больше данных и мы откроем гораздо больше таких карликовых галактик, возможно, удастся проверить эту идею.

На настоящий момент, однако, статья Слейтер возродила интерес к загадке темной материи. Сама она думает, что пульсары – более вероятное объяснение, и Хупер признает, что в том лагере находится много ученых. “Из десяти случаев, когда обнаруживается какой-то сигнал, который, возможно, связан с новым экзотическим явлением, в девяти случаях он оказывается связан с чем-то уже известным, – говорит он. – И именно так в реальности все и работает. В большинстве случаев вы не открываете новую экзотическую физику, а просто узнаете новые для себя вещи, которые не понимали”.

Обнаружение темной материи, безусловно, было бы огромным открытием. Оно распахнуло бы совершенно новое окно в ту часть Вселенной, которую раньше мы могли наблюдать только по ее гравитационным эффектам, и это стало бы огромным достижением в космологии. Наблюдая гамма-свечение, астрономы могли бы оценить массу темной материи и понять, как она связана со Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая на настоящий момент лучше всего описывает то, как все известные частицы и три из четырех известных фундаментальных взаимодействий (электромагнитное, слабое и сильное, но не гравитационное) связаны друг с другом. “Это произвело бы революцию в моей области”, – говорит Слейтер.

Тем не менее она не согласна с Хупером в том, что пульсары – неинтересные объекты, и считает, что найти в галактическом центре целую новую популяцию миллисекундных пульсаров было бы крупным открытием. Их находка могла бы побудить астрономов исследовать эволюцию Млечного Пути и выяснить, как эти звезды попали туда. “Надо быть очень неблагодарным, чтобы заявлять что-то вроде: «О, это не темная материя, я не получил того, что хотел найти, я разочаровался и больше не собираюсь этим заниматься», – говорит Слейтер. – Обнаружение совершенно новой популяции нейтронных звезд, о существовании которой мы никогда не подозревали, даст нам много ключей к разгадке истории нашей Галактики. Чего я боюсь больше, так это того, что мы так и не сможем узнать этого”.

Так что гонка за открытиями продолжается. Если в течение следующих одного-двух десятилетий действующие обсерватории GBT, MeerKAT, Parkes, FAST, Arecibo или будущие, такие как SKA, действительно обнаружат пульсары, рассыпанные по всему галактическому центру, то счет в борьбе между нейтронными звездами и темной материей станет 2:0.

Глава 7

Как пульсары обзаводятся планетами

С утра Эндрю Лайн был как на иголках. Сидя в ярко освещенном огромными люстрами конференц-зале, он смотрел на людей, которые продолжали заходить в переполненное помещение.

В среду 15 января 1992 года не меньше тысячи человек пришло послушать его доклад на собрании Американского астрономического общества в Атланте. Третий день конференции заранее отводился под специальную сессию, посвященную возможности образования планет вокруг нейтронных звезд. Эндрю Лайн, астроном из Манчестерского университета, и его коллеги полгода назад объявили, что впервые в истории за пределами Солнечной системы обнаружили планету, обращающуюся вокруг звезды.

Несмотря на то что найденная планета обращалась вокруг звезды, похожей не на Солнце, а скорее на мертвое ядро некогда массивной звезды, превратившейся в пульсар, эту новость посчитали первым реальным свидетельством того, что во Вселенной могут существовать другие планетные системы. Когда в июле 1991 года команда Лайна объявила о своем открытии, ученое сообщество восторженно встретило эту новость.

Теперь Лайну предстояло заявить огромной аудитории, что все это ошибка. Перед тем как начать выступление, он слегка откашлялся, чтобы прочистить горло.

Сейчас он хорошо понимал, откуда возникла эта ошибка. В 1985 году телескоп Lovell в обсерватории Джодрелл-Бэнк обнаружил серию импульсов, посылаемых неизвестной ранее нейтронной звездой. Лайн и его коллега астроном Тревор Клифтон назвали ее PSR В 1829-10, занесли в каталог и, как обычно, начали фиксировать моменты прихода импульсов, чтобы определить период вращения звезды. Эти моменты менялись по мере движения Земли по орбите вокруг Солнца. Как и в обычной двойной системе, когда наша планета находилась по одну сторону от Солнца, то есть ближе к пульсару, импульсы приходили в телескоп раньше, а когда Земля перемещалась на противоположную сторону, импульсы приходили позже. Хронометрируя импульсы в течение нескольких месяцев, они смогли определить приблизительное положение пульсара на небе. Он находился в созвездии Щит, примерно в тридцати пяти тысячах световых лет от Земли^1.

Однако в мае 1991 года астрономы заметили нечто странное в периоде пульсара – примерно каждые 180 дней регулярность всплесков излучения нарушалась. Сначала они не придали этому особого значения, решив, что сбой – это “шум тайминга”, возникающий из-за неравномерности вращения пульсара. Такие неравномерности могут возникать случайным образом, и астрономы не совсем понимают, по какой причине это происходит. Аспирант Сетнам Шемар после изучения данных предположил, что колебания могут быть связаны с телом планетной массы, которое обращается вокруг нейтронной звезды с периодом, равным полугоду. Эндрю Лайн и Мэтью Бейлз, наблюдая пульсар в течение нескольких лет, увидели, что странности с периодом оставались неизменными, то есть величина его отклонений была стабильной.

“Единственное объяснение, которое мы смогли тогда придумать, заключалось в том, что эти отклонения могли быть связаны с обращением очень маленького тела планетной массы вокруг нейтронной звезды”, – рассказывал мне Лайн в июле 2019 года, когда мы с ним сидели рядом с телескопом Lovell в обсерватории Джодрелл-Бэнк. Лайн и тогда выглядел удрученным. Понятно, что ему тяжело вспоминать события тех дней.

Планета, по расчетам Шемара, должна иметь массу Урана и двигаться по орбите, похожей на орбиту Венеры, с периодом обращения вокруг пульсара, равным полугоду. Планета, обращающаяся вокруг пульсара! Невероятно!

Лайн, Шемар и Бейлз опубликовали свою статью в журнале Nature 25 июля 1991 года под заголовком “Первая планета за пределами нашей Солнечной системы[27]”. Это открытие вызвало ажиотаж в средствах массовой информации: журналисты из популярных и научных изданий в течение нескольких недель писали о нем, а астрофизики поздравляли с открытием.

Тем не менее что-то в шестимесячном периоде обращения планеты казалось подозрительным и продолжало беспокоить Лайна. Он боялся, что где-то может скрываться ошибка и что странные изменения периода связаны с движением Земли вокруг Солнца. Во время рождественских и новогодних каникул, когда у него наконец появилось немного свободного времени, он решил перепроверить все расчеты.

2 января 1992 году Лайн еще раз подробно проанализировал результаты. Он и его коллеги фиксировали через определенный период времени два разных положения пульсара, отличающиеся друг от друга всего на одну девятую градуса. Обычно при определении нового положения оба они взаимно корректируются, но в тот раз этого не произошло.

Когда Лайн вставил в модель новое положение пульсара, шестимесячная периодичность внезапно исчезла. Команда Лайна просто неверно истолковала циклические колебания во времени прихода импульсов, объяснив их гравитационным влиянием планеты. А на самом деле они неверно учли поправку на эллиптичность орбиты Земли вокруг Солнца. Значит, никакая планета вокруг этого пульсара не обращалась.

“Я просто никак не мог в это поверить, – говорил Лайн. – Я был один в кабинете, в другом конце обсерватории. И вы можете представить себе все мысли, которые лезли мне в голову после этой шумихи и всего остального. А потом я осознал, что наше открытие – ошибка”.

Орбита Земли – не идеальная окружность. Она слегка эллиптическая, и ее сплюснутость составляет чуть больше 1 %. И если в вычислениях вместо эллипса использовать окружность, необходимо вносить поправку порядка секунд. В вычислениях, проведенных командой Лайна, при внесении этой поправки они ошиблись на какие-то миллисекунды, и это привело к появлению шестимесячной периодичности. Когда Лайн в своих новых расчетах изменил предполагаемое местонахождение пульсара на его фактическое положение и повторил анализ, скорректировав в формуле орбиту Земли, стало ясно, что планеты там нет. Нейтронная звезда оказалась одинокой.

Как вспоминал Бейлз, за несколько недель до конференции 1992 года, рано утром Лайн появился в его доме в Чешире. “Вы знаете, почему я здесь?” – спросил он Бейлза. “Планета? – нервно спросил Бейлз. – Она… исчезла?” Лайн вздохнул: “Боюсь, что да”.

Лайну и его команде нужно было самим опровергнуть выводы своей статьи, и такая возможность представилась на конференции, куда Лайна пригласили рассказать об открытии новой планеты. И такого поворота публика не ожидала. Еще до того, как докладчик закончил говорить, журналисты начали выбегать из комнаты, чтобы сообщить сенсационную новость: первая экзопланета, увы, не обнаружена. Ошеломленная публика зааплодировала.

“Люди думали, что я сказал это, потому что храбрый, но у меня не было выбора. Я знал, что другие ученые все проверят и очень скоро придут к тому же выводу, что и я. Кто-нибудь вскоре обнаружил бы это”, – признавался Лайн. “Для меня и тем более для Лайна воспоминания об этом опыте все еще сидят в сердце как заноза”, – говорил Бейлз.

Лайн сошел со сцены и взглянул на следующего докладчика. Это был Алекс Вольщан, астроном из Корнелла. Только Лайн, Вольщан и президент астрономического общества астрофизик Джон Бахколл, организатор мероприятия, заранее знали о том, что Лайн собирается опровергнуть собственные результаты.

Вольщан вышел на сцену, включил проектор и начал демонстрировать свои слайды. Еще накануне он чувствовал себя участником марафона, который приходит к финишу вторым. Но поздно вечером, всего за несколько часов до выступления Лайна, он узнал, что победитель марафона сам себя дисквалифицировал. Вольщан заявил аудитории, что на самом деле именно он, Алекс Вольщан, обнаружил первую планету вне Солнечной системы, и не одну, а две (позже он нашел и третью). По его словам, эти планеты обращались вокруг миллисекундного пульсара. И на этот раз открытие экзопланет оказалось реальным.

Я нахожусь на высоте сто пятьдесят метров над землей, на узком подвесном мосту, который раскачивается от сильного ветра. Ограждение из металлической сетки с обеих сторон придает некоторую уверенность, но от высоты у меня перехватывает дыхание. Думаю, как бы чего не уронить, ведь достать это потом будет невозможно, кроме того, есть опасность повредить находящуюся внизу огромную, трехсот пяти метров в поперечнике, невероятно чувствительную антенну. Добро пожаловать на телескоп Arecibo, затерянный в тропических лесах Пуэрто-Рико, телескоп, благодаря которому Алекс Вольщан в 1990 году обнаружил планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы и обращающиеся вокруг пульсара. Его открытие изменило наше представление о том, как образуются планеты.

С 1983 по 1992 год Вольщан был одним из постоянных сотрудников обсерватории Аресибо, и в его обязанности входила регулярная проверка состояния приемников и другого оборудования, размещенного на платформе, висящей высоко над центром тарелки. Чтобы туда попасть, он пробегал по тому же мосту, по которому я сейчас осторожно крадусь, как минимум дважды в неделю. “По разным причинам мне необходимо было туда подниматься, но ощущение там, наверху, всегда было очень захватывающим, ведь оттуда видно, какая это гигантская конструкция, – вспоминал он. – И когда вы глядите на эту тарелку сверху, у вас реально возникает другая перспектива”.

Когда я ступаю на платформу, у меня появляется легкое головокружение и я чувствую себя немного Джеймсом Бондом: ведь именно здесь, на этом мосту и на этой платформе, агент 007 сражался с главным злодеем в фильме “Золотой глаз”. Но мне рассказали, что во время съемок Пирс Броснан, исполнявший роль Бонда, из-за боязни высоты никогда не ходил по этому мосту – это делал его дублер. Я улыбаюсь, когда мне говорят, что я круче Джеймса Бонда. И еще один факт, разоблачающий суперспособности секретного агента: тарелка никогда не поднималась из искусственного озера – этот трюк был проделан с помощью миниатюрной модели Arecibo, а Бонд в ней оказался с помощью комбинированных съемок. Технический менеджер Луис Кинтеро рассказал мне и о других фокусах. В фильме тарелка находится на Кубе, а не в Пуэрто-Рико, кроме того, в реальной жизни по самой тарелке никто никогда не перебегал, не говоря уже о том, что никто в нее не падал. Еще одно большое отличие объясняется не фантазиями кинематографистов, а реальностью. Во время съемок не было красивого Григорианского купола, внутри которого в 1997 году на треугольной платформе установили подвижные приемники. Все это дополнительное оборудование появилось только через два года после того, как фильм показали в кинотеатрах.

В то время как разрушение телескопа в фильме “Золотой глаз” было съемочным трюком, в реальности Arecibo в сентябре 2017 года серьезно пострадал во время стихийного бедствия. Смертоносный ураган пятой категории “Мария”, опустошив некоторые регионы Пуэрто-Рико, Доминиканы и Виргинских островов (США), не пощадил и обсерваторию, причинив ущерб примерно в четырнадцать миллионов долларов. Остроконечная радарная антенна на 430 МГц, используемая для исследований атмосферных явлений, сломалась, и огромный ее кусок упал на тарелку и пробил ее. Пришлось заменить около девяноста панелей отражателей. Также было затоплено пространство под отражателем, что повредило большое количество кабелей и обогревателей. По словам Кинтеро, телескоп продолжают ремонтировать, и на это уйдет много времени[28].

Тарелка, или, если использовать научный термин, неподвижный сферический отражатель, помещена в естественное углубление в земле – карстовую воронку. Обсерватория, построенная в 1963 году во времена холодной войны, изначально предназначалась для национальной обороны: правительство США собиралось использовать ее для обнаружения советских спутников и ракет. А в 1974 году телескоп Arecibo прославился на весь мир: он передал самое мощное радиопослание, когда-либо отправлявшееся в космос, которое предназначается для прочтения инопланетянами в близлежащем шаровом скоплении М13. К сожалению, сообщение прибудет в пункт назначения через 24 950 лет, а к этому времени звезды скопления М13 переместятся с нынешнего места.

Поверхность тарелки покрыта 38 778 алюминиевыми панелями, каждая площадью два квадратных метра. Под отражателем растет густой тропический лес с гигантскими бамбуковыми деревьями высотой в три этажа, там обитают ящерицы размером с ладонь и кузнечики величиной с большой палец. Пройдя под отражателем, я увидела, как крепится это сооружение. Когда находишься внизу, под тарелкой, возникает странное чувство – как будто стоишь на огромном крытом стадионе, только крыша его перевернута вверх дном. Как говорит Вольщан после многих часов, проведенных в размышлениях под этим мегаотражателем: “Это зрелище позволяет оценить, насколько действительно хрупкая и в то же время огромная эта штука. И вы понимаете, какая это сложная задача – поддерживать форму поверхности тарелки очень близкой к сферической, регулируя натяжение тросов, которые удерживают алюминиевые панели, составляющие саму тарелку”. Поскольку тарелка с гигантскими отражателями закреплена неподвижно, то, чтобы следить за источниками излучения в разных точках неба, астрономы перемещают вверх-вниз не саму тарелку, а небольшой купол над ней. Для управления им используется кран с вращающейся стрелой, похожей на банан^2.

Вокруг телескопа в этой удаленной, находящейся примерно в двух часах езды от Сан-Хуана местности, окруженной тропическим лесом, на территории радиомолчания приютились несколько небольших построек. Чтобы добраться до них, нужно пройти по дороге, зажатой между скалами. Я прихожу в аппаратную – одноэтажное здание с террасой, откуда открывается потрясающий вид на саму тарелку и подвешенный над ней купол. Раньше именно в этой аппаратной постоянно работающие в обсерватории и приезжие астрономы проводили часы и дни за экранами компьютеров, медленно и точно перемещая купол в положение, необходимое для их наблюдений. В наши дни почти никто из ученых там не появляется[29]. Как и на большинстве других телескопов, наблюдения проводятся удаленно с сайта Arecibo. На доске я вижу имена многих ученых, у кого я брала интервью для этой книги, – все работали в обсерватории Аресибо, но удаленно, из своих комфортных офисов, разбросанных по всему миру.

Еще есть крохотная столовая, где повар любезно соглашается приготовить мне вегетарианский бургер, и бассейн – приятный и важный компонент здешней жизни, поскольку солнце в этой части мира печет нещадно. И еще есть несколько домов, где останавливаются астрономы и гости, если им все-таки приходится пробыть здесь некоторое время. Вольщан как раз и жил в одном из таких домиков – маленьком, стоящем на сваях, спрятанном в джунглях.

В 1996 году сюда приехала съемочная группа фильма “Контакт” с Джоди Фостер в главной роли. По сюжету женщина-астроном с помощью телескопа Arecibo пытается обнаружить сигналы внеземной цивилизации.

Рано утром в дверь домика Вольщана постучали. Кинематографисты решили, что именно здесь будет жить персонаж Фостер.

“Они спросили, нельзя ли занять мой маленький дом для Джоди Фостер, – вспоминает он с иронией. – А потом я увидел, как они переделали все внутри: из очень простого жилища они сделали небольшой, но роскошный дворец. Было довольно интересно и забавно наблюдать, как они организовывали интерьер для съемок”.

Список научных достижений, связанных с телескопом Arecibo, довольно длинный. Именно с его помощью ученые в 1968 году обнаружили пульсар в Крабовидной туманности. За несколько месяцев до этого в туманности в Парусах был найден пульсар Вела. Оба открытия неопровержимо доказали, что нейтронные звезды – совершенно реальные объекты и рождаются при взрывах сверхновых. Здесь же в 1974 году был впервые замечен двойной пульсар, с помощью которого удалось косвенно доказать существование гравитационных волн и тем самым подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна. Эти исследования принесли ученым Расселу Халсу и Джо Тейлору Нобелевскую премию по физике. В том же году с Arecibo было отправлено сообщение в направлении скопления М13, адресованное внеземным цивилизациям. А в 1982 году с помощью этого телескопа астрономы впервые обнаружили миллисекундный пульсар, который вращается со скоростью 642 оборота в секунду.

И как мы уже знаем, на Arecibo Алекс Вольщан первым открыл экзопланету, обращающуюся вокруг пульсара^3.

В июне 1990 года Вольщан обследовал области неба выше и ниже галактической плоскости в поисках миллисекундных пульсаров. Одной из его целей была проверка гипотезы, согласно которой миллисекундные пульсары, из-за того что они такие старые, за время своего существования могли успеть мигрировать с места рождения за пределы галактической плоскости в области, расположенные ниже или выше ее. И там, как он считал, должно обнаружиться множество таких пульсаров.

В то время были известны всего четыре миллисекундных пульсара, и Вольщан хотел найти еще. “Это была действительно совершенно новая идея: отойти от плоскости и попытаться найти новые пульсары, что фактически подтвердило бы предположение о том, что их должно быть много в высоких галактических широтах”, – говорит Вольщан.

Чтобы доказать это, ему нужно было получить доступ к телескопу на длительное время, а это непросто, поскольку астрономы должны заранее подавать заявки с обоснованием цели своих исследований и обычно получают право работать на телескопе, только если их заявка одобрена, да и то всего на несколько часов или дней. Но Вольщану повезло – он смог проводить свои наблюдения почти месяц, поскольку тогда как раз пришло время проводить на Arecibo профилактический ремонт. В опорах, на которых держалась треугольная платформа над отражателем, из-за усталости металла образовались трещины, и эти опоры нужно было заменить, поэтому телескоп закрыли для посторонних исследователей. И несколько постоянных сотрудников получили телескоп в свое полное распоряжение. Хотя отслеживать источники излучения, переместив приемники и направляя их на определенные участки неба, было невозможно, тарелка все еще могла наблюдать те участки, которые в данный момент проплывали над ней. А поскольку отражатель огромен и имел очень хорошую чувствительность, сигнал можно было зарегистрировать, “даже если любая точка неба в некой конкретной конфигурации видна всего секунд тридцать”.

Во время своих кратких обзоров неба Вольщан натолкнулся на два миллисекундных пульсара, которые находились намного выше галактической плоскости. Один из них заинтересовал его больше других: это была двойная система, только четвертая из обнаруженных на тот момент, и определенные характеристики сделали ее отличным объектом для проверки общей теории относительности Эйнштейна. “Я был действительно очень, очень увлечен этим, – говорит Вольщан. – И отложил анализ другого обнаруженного мной пульсара на некоторое время, не зная, какой он мне приготовил сюрприз”.

Как оказалось, этот другой пульсар, который стал всего лишь пятым по счету миллисекундным пульсаром, обнаруженным на тот момент, и на который какое-то время не обращали внимания, изменит не только жизнь Вольщана, но и наше понимание происхождения планет и галактик.

Когда Вольщан наконец нашел время и вернулся к результатам наблюдений за этим пульсаром, он заметил некоторые его странности. Как и в случае с любым новым пульсаром, он начал хронометрировать его, то есть в течение нескольких месяцев измерять время прихода от него импульсов, что требовалось для построения модели. “Но поведение во времени этого пульсара было очень трудно промоделировать, – говорит Вольщан. – Он просто вел себя не так, как я ожидал от него, да и вообще на тот момент никто такого ожидать не мог”. Импульсы были нерегулярными, что казалось странным, поскольку миллисекундные пульсары обычно очень стабильны. Также Вольщан заметил какую-то закономерность в этой нерегулярности, но не мог понять, с чем она связана.

Поскольку миллисекундные пульсары обычно встречаются в двойных системах, астрономы знают, что время прихода импульса от пульсара из двойной системы отличается от времени прихода импульса от пульсара, не имеющего пары. Вольщан заметил похожие отклонения, но они были очень маленькими. Чем менее массивен объект, обращающийся вокруг другой звезды, тем меньше эти отклонения, но в данном случае регистрируемые отклонения были слишком малы, чтобы быть вызванными белым карликом – типичным компаньоном миллисекундного пульсара в двойных системах. Но это была не единственная проблема. Когда Вольщан попытался соотнести данные с одной определенной орбитой, сначала это получалось, но затем наблюдаемые данные переставали укладываться на эту орбиту. Он снова и снова пытался усовершенствовать модель, но ничего не выходило.

Озадаченный, он начал очень внимательно наблюдать пульсар каждый день в течение трех недель, чтобы определить точный характер отклонений. В результате этой кропотливой работы он понял, что система, которую он наблюдал, совершенно точно не была стандартным двойным пульсаром. Он также отверг и другое распространенное в то время мнение: будто бы сейсмические процессы внутри нейтронной звезды могли заставить ее вести себя нетипично, создавая так называемый шум тайминга, разброс во времени приходов импульсов. Ему эта гипотеза казалась очень маловероятной (поскольку это был старый миллисекундный пульсар). Затем Вольщан проверил свой метод анализа данных и поискал какие-либо технические проблемы в работе Arecibo, но оказалось, что во второй обнаруженной им двойной системе пульсаров ни один из этих странных эффектов не проявлялся. Если источником ошибок были не приборы и анализ данных верен, странность должна заключаться именно в самой пульсарной системе.

Несмотря на уникальную чувствительность Arecibo, Вольщан не мог определить точное местоположение пульсара. А это было важно, потому что любая ошибка в определении его положения могла быть неправильно интерпретирована как обращающийся вокруг него объект. Чтобы разобраться в этом, Вольщан попросил коллегу-астронома Дейла Фрейла, работавшего в обсерватории VLA (с двадцатью семью антеннами), расположенной в Сокорро, штат Нью-Мексико, помочь ему. Фрейлу потребовалось совсем немного времени, чтобы определить местоположение пульсара.

Вооружившись точными координатами, Вольщан планировал совершить научный рывок. “Я очень ясно видел: то, на что я смотрел, было чем-то вроде биений при сложении двух синусоидальных волн. Итак, я знал, что должны существовать два объекта, обращающихся вокруг пульсара”, – говорит он. Когда он измерил амплитуду этих волн, он понял, что их источники должны иметь планетную массу порядка земной.

Когда Вольщан наконец получил результаты, он посмотрел на экран и не поверил своим глазам. Действительно, тогда астрономы не подозревали, что планеты могут обращаться вокруг нейтронных звезд, ведь Эндрю Лайн еще не опубликовал свою (ошибочную) статью – это произошло позже в том же году. Итак, хотя Вольщан думал, что два тела планетной массы могут объяснить полученные им

данные, он не мог поверить, что это правильное решение. Он не переставал размышлять о своих результатах: и когда на закате смотрел на тарелку антенны, находясь на платформе, и когда загорал на одном из знаменитых песчаных пляжей Пуэрто-Рико (там он обычно отдыхал в выходные), и когда смотрел на экран своего компьютера, запуская различные альтернативные сценарии и отбрасывая их один за другим. Он хотел заранее продумать любые возможные вопросы и критику со стороны коллег, которые наверняка возникнут, как только он объявит о столь необычном объяснении поведения пульсара.

Вольщан покинул Пуэрто-Рико в сентябре 1991 года и вернулся в Корнеллский университет в Итаке, штат Нью-Йорк. Там он обработал данные за весь год, собранные с июня 1990-го, и протестировал свою модель тайминга пульсара в предположении, что он обнаружил две планеты земной массы, обращающиеся по круговой орбите. Он провел еще одну полную и решающую проверку и в конце концов пришел к выводу: никакое альтернативное объяснение не работает. Догадка, которая возникла у него несколько месяцев назад, была правильной. Единственное объяснение, расставляющее все по своим местам, состояло в том, что он действительно обнаружил мертвую звезду, вокруг которой обращались две планеты. По его словам, прямо в офисе в Корнелле у него возникло ощущение его “личной эврики”. Он сделал судьбоносное открытие: планеты существуют и за пределами нашей Солнечной системы. “Я посмотрел на результат, и он был абсолютно идеальным, – говорит он. – Я понял, что наконец-то его получил. Мне пришлось принять реальность: это должны быть именно планеты. И точка”. Первоначально измеренные массы этих экзопланет равнялись 3,4 и 2,8 земной массы.

Вольщан знал, что двумя месяцами ранее Лайн опубликовал статью, описывающую открытие планеты, обращающейся вокруг пульсара. Поэтому знал, что не он первый сделал это открытие, и смирился с этим. Вольщан и Фрейл опубликовали свою статью 9 января 1992 года, всего за несколько дней до выступления Вольщана на конференции Американского астрономического общества^4.

Когда Вольщан ехал на конференцию, он знал, что выступает после Лайна. В то время он был еще неопытным оратором, поэтому много раз репетировал свой доклад перед зеркалом. Он прибыл в Атланту за день до мероприятия, и как раз в тот момент, когда он собирался выпить бокал вина, президент астрономического общества Джон Бахколл отвел его в сторону для приватной беседы. Он попросил Вольщана сесть. “Он сказал мне, что Эндрю приедет, но не для того, чтобы подтвердить свое открытие, а для того, чтобы опровергнуть его. И он вроде как пытался намекнуть мне, что я должен быть милым и деликатным в такой ситуации”.

То, что он узнал о предстоящем опровержении Лайном своего открытия заранее, дало Вольщану несколько необходимых часов для внесения изменений в свой доклад. В тот же вечер он подошел к Лайну для разговора. Оба чувствовали себя неловко. “Он сожалел о том, что все произошло именно так, – говорит Вольщан, – и это вполне понятно. Он, должно быть, был удручен всем этим, но не показывал виду. На людях он сохранял лицо”.

Когда Лайн вышел на сцену и объявил о своей ошибке, он даже сослался на открытие Вольщана, заявив, что оно, вероятно, выдержит любую критику и проверку. Но слушатели уже вскочили со стульев. “Это был настоящий фурор”, – вспоминает Вольщан. Когда он сам поднялся на сцену, то готовился к тому, что столкнется с множеством сложных вопросов, но ему не задали ни одного.

Возможно, предположил Вольщан, это произошло из-за того, что люди были ошеломлены заявлением Лайна, а может быть, из-за того, что он тщательно рассмотрел все возможные альтернативные объяснения и продемонстрировал, почему они не работают. Его коллеги согласились с выводом о существовании планет, обращающихся вокруг пульсара.

Открытие Вольщана стало чем-то большим, чем наблюдение любопытного случая движения планет вокруг остатка ядра массивной звезды. Он доказал, что планеты могут обращаться вокруг разных видов звезд и при этом формируются так же, как планеты вокруг таких звезд, как наше Солнце, а именно – из газопылевого диска, окружающего звезду. Однако разница в том, как образуется этот диск. В настоящее время у ученых есть две основные теории: либо существует диск, который мог образоваться из вещества, выброшенного во время взрыва сверхновой, и который вместо того, чтобы улететь в космос, вернулся обратно к мертвому ядру, либо новорожденная нейтронная звезда могла столкнуться со звездой-компаньоном родительской звезды, в этом случае звезда разорвалась бы и начала разбрызгивать вокруг собственное вещество, образуя диск.

Ученые, которые публиковали статьи, основываясь на открытиях Вольщана, вскоре выдвинули гипотезу о том, что планеты, вероятно, могут образовываться вокруг звезды любого типа, какой только можно себе вообразить, и процесс формирования планет должен быть универсальным. Спустя годы космический телескоп Kepler подтвердил это, обнаружив множество экзопланет, обращающихся вокруг всех видов звезд, включая белые карлики. Планетная система, открытая Вольщаном, к которой он позже добавил третью планету (вначале он ее не увидел), предварила то, что телескоп Kepler обнаружил два десятилетия спустя.

Наиболее распространенные планетные системы на самом деле оказались суперземными системами (то есть с массами планет немного больше массы нашей Земли), в которых планеты обращаются вокруг своей звезды по очень близким к ней орбитам. В 1990-е годы этого никто не ожидал. “Тогда, если бы вы сказали, что лет через двадцать пять все увидят, что планетные системы в основном выглядят вот так, никто бы этому не поверил”, – смеется Вольщан.

Может ли в принципе существовать жизнь на планетах вроде тех, что открыл Вольщан? Он считает, что эта идея из области фантастики, но в последние несколько лет появились статьи, в которых изучается возможность существования вокруг нейтронных звезд обитаемых зон. Возможно, однажды мы сможем найти жизнь на экзопланете, обращающейся вокруг пульсара, может быть, не полноценную цивилизацию, но хотя бы какую-то примитивную микробную жизнь. В этом случае межзвездная среда даст нам ответ на еще одну из тех загадок, которыми полон наш такой необыкновенный и загадочный космос.

Глава 8

Гигантские научные инструменты

Нейтронные звезды, безусловно, интересно изучать, но для некоторых ученых они становятся чем-то большим, чем просто объект наблюдения, – их хотят использовать в качестве инструментов галактического масштаба.

Одно из потенциальных применений – использование пульсаров в качестве космических радиомаяков для глобальной (или она должна называться галактической?) системы позиционирования. Было показано, что эта система в принципе работает и может осуществить мечту эксцентричного предпринимателя-миллиардера Илона Маска (и не только его): обеспечить космическую навигацию при полетах к Марсу, а в будущем – и еще дальше.

Здесь, на Земле, многие водители автомобилей, дальнобойщики, пилоты, капитаны кораблей и большинство владельцев смартфонов ориентируются в пути, используя такие навигационные системы, как GPS, Galileo и ГЛОНАСС. Эти системы работают, синхронизируя сигналы, посылаемые сверхточными атомными часами, которые установлены на спутниках, обращающихся вокруг Земли. Распространяя эти принципы на космос, некоторые ученые уже давно предлагают использовать сверхточные “пульсарные часы” (интервалы между импульсами самых пунктуальных пульсаров), чтобы помочь космическим кораблям находить свой путь на просторах Млечного Пути. Сейчас для того, чтобы мы убедились, что космический корабль по-прежнему на правильном пути, он должен постоянно связываться с Землей через гигантские спутниковые антенны Deep Space Network, сконструированные и построенные в НАСА. Чем дальше в космос отправляется корабль, тем менее надежным и более сложным и дорогим этот метод становится. Используя пульсары в качестве радиомаяков, корабль мог бы самостоятельно позиционировать себя. Это был бы лучший космический компас.

В ноябре 2017 года НАСА с помощью детектора рентгеновского излучения NICER, установленного на борту Международной космической станции, показало, что использование пульсаров в качестве радиомаяков возможно. Большая часть времени детектора посвящена определению значений масс и радиусов нейтронных звезд, которые необходимы ученым для того, чтобы понять внутреннее строение мертвых звезд. Но на аппарате NICER был смонтирован также небольшой инструмент SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, “исследователь рентгеновских временных характеристик и навигационных технологий”), который может с большой точностью регистрировать импульсы, исходящие от множества нейтронных звезд, рассеянных по небу. И это именно то, что он сделал в 2017 году, проведя хронометрирование рентгеновских импульсов от пяти пульсаров в течение времени от пяти до пятнадцати минут для каждого. SEXTANT измерял крохотные изменения во времени прибытия сигналов при обращении Международной космической станции вокруг Земли и рассчитывал точное местоположение NICER, а значит, и свое собственное. В будущем аналогичные инструменты можно будет сделать более легкими и оснащать ими любой космический корабль^1.

Помимо навигации в межзвездных путешествиях, метод хронометрирования массива пульсаров может помочь пролить свет и на загадочное явление, которое астрономы пытаются понять на протяжении десятилетий. Ученые знают, что в центре большинства галактик скрываются сверхмассивные черные дыры с массой, в миллионы или даже миллиарды раз превышающей массу Солнца. Например, масса черной дыры в центре Млечного Пути составляет около четырех миллионов солнечных масс.

Астрономы считают, что, когда галактики сталкиваются, их черные дыры сливаются и в этот момент посылают в космос гравитационные волны. Однако детекторы LIGO и Virgo на Земле не смогут обнаружить эти волны, потому что они слишком длинные и у них слишком слабая интенсивность, чтобы их мог уловить наземный детектор. И с 1980-х годов астрономы начали использовать массив пульсаров для обнаружения такой ряби в пространстве-времени, пытаясь превратить эти нейтронные звезды в естественные детекторы гравитационных волн галактического масштаба, особенно чувствительные к системам черных дыр с массами от ста миллионов до десяти миллиардов солнечных.

Если ученые когда-нибудь обнаружат такие волны, они смогут проверить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна во вселенских масштабах и подтвердить существование двойных систем сверхмассивных черных дыр. Такое наблюдение может также рассказать нам больше о загадочных обитателях сильно заселенного галактического центра. Метод хронометрирования массива пульсаров, вероятно, поможет нам раскрыть и другие секреты объектов, которые могут быть ответственны, хотя бы частично, за образование сверхмассивных черных дыр, то есть секреты нейтронных звезд. Действительно, когда массивная звезда умирает, она либо сразу же коллапсирует в черную дыру звездной массы, либо сначала образует нейтронную звезду, а позже, когда две нейтронные звезды сталкиваются, обычно рождается черная дыра. Одна из гипотез состоит в том, что после многих слияний таких черных дыр звездной массы в конечном итоге образуется сверхмассивный монстр^2.

Чтобы попытаться представить себе этих галактических монстров, давайте отложим ненадолго хронометрирование пульсаров и совершим путешествие на край света.

Антарктический снег ослепляет, и с расстояния в несколько сотен метров десятиметровая тарелка радиоантенны выглядит крошечной и такой белой, что почти сливается с безжизненным, обледенелым Полярным плато. Это телескоп SPT (South Pole Telescope, “телескоп Южного полюса”), и его задача – обнаруживать приходящие из космоса короткие миллиметровые и субмиллиметровые электромагнитные волны. Хотя телескоп изначально был построен для поисков слабых следов самого древнего света во Вселенной, оставшегося со времен Большого взрыва, – космического микроволнового фонового излучения, – в последнее время он стал частью другого фантастического проекта. В совокупности с другими антеннами, разбросанными по всему земному шару, телескоп SPT является частью “виртуальной радиотарелки” размером с Землю – телескопа EHT (Event Horizon Telescope, “телескоп горизонта событий”). Именно этот гигантский виртуальный инструмент позволил ученым познакомиться с колоссальной сверхмассивной черной дырой в центре соседней галактики и впервые заснять ее^3.

Всего за три месяца до того, как 10 апреля 2019 года изображение стало общедоступным, Дэн Марроне, астрофизик-экспериментатор из Университета Аризоны, вышел из двухэтажного здания американской станции “Амундсен-Скотт”, на которой живут одновременно около ста пятидесяти человек. Станция находится в Антарктиде непосредственно на Южном полюсе, а ее обитатели живут там по несколько недель, работая вахтовым методом. Тем ветреным утром в конце января Марроне попытался добраться до телескопа SPT и не заблудиться. К счастью, в январе здесь солнце никогда не заходит за горизонт, потому что в Южном полушарии январь приходится на середину лета. Тем не менее при температуре около -29 градусов Цельсия ветер был таким сильным, что закручивал снежные вихри по всему Полярному плато. Марроне медленно шел по белому безмолвному плоскогорью, под которым находился почти трехкилометровый слой льда. Чтобы не заблудиться (летом это просто опасно, а зимой – смертельно опасно), он шел по флажкам, установленным на всем пути к тарелке. “Зимой там становится намного опаснее, – говорит он, когда мы с ним встречаемся уже в Тусоне, штат Аризона. – Температура может опускаться и до -73 градусов Цельсия, видимость падает практически до нулевой, а освещения никакого нет. Думаю, это может быть довольно страшно. Но я, к счастью, бывал там летом, и мне никогда не приходилось сталкиваться с подобным”.

В конце концов он добрался до телескопа и через несколько часов работы, когда ветер стал утихать, вернулся на станцию, которая находилась примерно в одном километре оттуда. Станция – это свой особенный маленький мир, где есть тренажерный зал, языковые классы, стол для пинг-понга и спутниковый интернет (который работает только несколько часов в день), чтобы не терять связи с цивилизацией. Снег там никогда не тает, и каждый год выпадает еще около двадцати сантиметров. Потом он оседает под собственным весом, и по этой причине здание площадью 7400 квадратных метров было поставлено на несколько опорных колонн, благодаря которым оно никогда не будет погребено под снегом. Попасть сюда отнюдь не просто: Марроне сначала коммерческим рейсом летел из США в Новую Зеландию, в город Крайстчёрч, а затем садился на небольшой военно-транспортный винтовой самолет ВВС США LC-130 “Геркулес”, установленный на лыжи, и перелетал на станцию “Мак-Мердо” на острове Росса (где приходилось ожидать вылета в течение ночи или дольше, в зависимости от погоды), а оттуда уже к Южному полюсу.

Это был пятый визит Марроне в Антарктиду, но он “опускался на дно мира” не только ради острых ощущений. Хотя телескоп SPT существует с 2007 года, именно Марроне в 2010-м пришла в голову идея подсоединить его виртуально в качестве составной части к нескольким другим наземным антеннам, чтобы вместе они образовали массив телескопов планетарного масштаба – телескоп горизонта событий EHT. Термин “горизонт событий” относится к воображаемой границе сферической области вокруг черной дыры, из-за которой выйти наружу ничто, даже свет, уже не может. Черная дыра, как считается, остается после того, как массивная звезда (более массивная, чем те, из которых получаются нейтронные звезды) оказывается раздавлена собственной гравитацией. В черной дыре вся масса сосредоточена в очень маленькой области в центре, называемой сингулярностью (в случае вращающейся черной дыры эта сингулярность представляет собой кольцо).

10 апреля 2019 года сообщество EHT вошло в историю, опубликовав снимок, на котором изображен словно бы красновато-оранжевый пончик на черном фоне. Хотя снимок был расплывчатым и казался не очень впечатляющим, это было первое в истории изображение тени сверхмассивной черной дыры в центре самой большой галактики Мессье 87 (M87) в близлежащем скоплении галактик в созвездии Дева, снятое с высоким разрешением. (Я узнала эту новость, когда подключилась к интернету, сидя в бункере – изолированной комнате – рядом с телескопом MeerKAT в Южной Африке, так что для меня лично это колоссальное событие стало еще грандиознее.) Эта черная дыра, в 6,5 миллиарда раз более массивная, чем Солнце, находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас. Ученые на основании общей теории относительности Эйнштейна долгое время полагали, что черная дыра должна быть похожа на тень, отбрасываемую на яркий фон светящегося газа. Теперь они получили первое тому доказательство^4.

Гравитация искривляет свет, а эффект Доплера увеличивает частоту и интенсивность света с той стороны черной дыры, которая вращается по направлению к наблюдателю, то есть к нам. Мы не можем видеть того, что находится позади черной дыры, но большая часть света, который должен был бы прийти к нам оттуда, линзируется, то есть огибает черную дыру. Это означает, что очень небольшое количество света может прийти к нам непосредственно из пространства перед черной дырой, потому что любой прямой свет отклонится и уйдет из нашего поля зрения. “Свет перед черной дырой в основном перенаправляется вокруг нее под действием гравитации или захватывается горизонтом событий”, – говорит Марроне.

Поскольку черная дыра находится очень далеко, чтобы получить ее изображение, ученым понадобился огромный сверхчувствительный инструмент с очень высоким разрешением. И гигантский телескоп EHT – именно такой инструмент. Он использует принцип сверхдлиннобазисной интерферометрии, который реализуется путем синхронизации нескольких радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару. Используя вращение нашей планеты, эта система телескопов становится инструментом размером с Землю с разрешением 20 угловых микросекунд, который способен регистрировать волны с длиной до всего лишь 1,3 миллиметра^5.

Марроне думал, что тарелка SPT, установленная в Антарктиде, придаст телескопу EHT мощный импульс, особенно при наблюдениях центра Млечного Пути и его сверхмассивной черной дыры Стрелец A* (Sgr А*). У Марроне сложились особые отношения с этой черной дырой – ей была посвящена его диссертация. В ноябре 2011 года он подал заявку в Национальный научный фонд, в чьем ведении находится телескоп SPT, с просьбой о предоставлении гранта. Он объяснил, что радиотелескоп сыграет ключевую роль в получении изображения нашей собственной черной дыры, поскольку удвоит разрешение системы телескопов EHT. Действительно, наш галактический центр лучше всего виден из Южного полушария, а южнее Южного полюса ничего не бывает. Небольшой телескоп, базирующийся в Антарктиде, может постоянно наблюдать центр нашей Галактики.

Ученым давно известно о существовании черной дыры Стрелец А* и месте ее обитания – центре Млечного Пути. В 1931 году Карл Янски уловил радиосигнал, который пришел с направления, подозрительно близкого к направлению на созвездие Стрелец. Поэтому радиоисточник был назван “Стрелец A” (Sgr А). А когда астрономы идентифицировали точечный источник в составе радиоисточника Sgr А, название трансформировалось в “Стрелец A*” (Sgr А*). На протяжении многих лет ученые предполагали, что наличие в сигнале этой составляющей – явный признак присутствия там черной дыры, которая излучает при поглощении окружающего вещества. За последние десятилетия несколько групп ученых опубликовали результаты как теоретических, так и экспериментальных исследований. В этих статьях на основании измерений скоростей звезд вблизи центра Млечного Пути уточнялись предельные значения радиуса сферы, в которой сосредоточена основная масса центральной части Галактики^6.

В 2002 году группа под руководством Райнхарда Гензеля из Института внеземной физики Общества Макса Планка опубликовала статью, основанную на десятилетнем исследовании движения звезд вокруг галактического центра, особенно звезды под названием S2. Из этих данных следовало, что S2 обращается вокруг очень компактного и яркого центрального радиоисточника диаметром около шестидесяти миллионов километров, который был слишком компактным, чтобы представлять собой очень плотное скопление звезд. Это стало еще одним косвенным свидетельством того, что источником, по всей вероятности, является некая среда с экстремальными свойствами, окружающая сверхмассивную черную дыру, расположенную на расстоянии примерно двадцать шесть тысяч световых лет от Земли^7.

Марроне в 2011 году потребовалось полгода, чтобы получить одобрение заявки на грант, после чего он занялся разработкой и созданием нужного оборудования для небольшого радиотелескопа, необходимого для наблюдения черных дыр. В частности, он разработал когерентный приемник для измерения электрического поля любого источника, на который направлен телескоп. По словам Марроне, приемник похож на “очень крутое радио, работающее при температуре четыре кельвина”, а это означает, что он почти такой же холодный, как межзвездное пространство, так что все шумы сведены к минимуму. И именно этот приемник вместе со сверхточными атомными часами Марроне использует каждый раз, когда работает с радиотелескопом.

Хотя галактика M87 не видна из Антарктиды, наблюдение с помощью телескопа SPT другого источника в небе – квазара 3С279 – значительно повысило уверенность астрономов в окончательном результате. “В противном случае, я думаю, мы бы намного больше нервничали”, – говорит Марроне. В шести статьях, вышедших примерно в то же время, что и фотография “пончика”, приведено значение массы центральной черной дыры M87 и направление ее вращения. По словам Марроне, у них теперь появились первые представления о ее ближайшем окружении, что позволит астрономам лучше понять, что представляют собой релятивистские струи (джеты) из черных дыр.

За многие годы наблюдений центра галактики M87 восемь телескопов обсерватории EHT собрали также детальные данные по нашей черной дыре Стрелец А*.

В сочетании с данными телескопа ALMA, расположенного на вершине плато Чахнантор в Чили, эти результаты вскоре должны позволить исследователям получить изображение нашей собственной черной дыры, а точнее, ее тени[30]. С помощью этих изображений ученые надеются узнать больше об окружающей сверхмассивные черные дыры среде – сверхгорячем газе и пыли, в которых они купаются, а затем пожирают, а также об огромных струях (джетах), которыми они выстреливают, когда поглощаемый газ ускоряется^8.

Как образуются сверхмассивные черные дыры – загадка. Но даже гораздо меньшие черные дыры звездной массы, которые, как мы теперь знаем, рождаются из сколлапсировавших и умерших массивных звезд, еще недавно были просто математическими концепциями и курьезами. В 1916 году математик Карл Шварцшильд решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна для сферической массы (их решением был ставший ныне знаменитым “радиус Шварцшильда” черной дыры). А в 1958 году физик из Технологического института Джорджии Дэвид Финкельштейн показал, что черные дыры имеют воображаемую границу, которую он назвал горизонтом событий, причем все объекты, включая свет, попавшие под эту границу, обратно вырваться не могут – и для них остальная Вселенная навсегда становится недоступной.

Тем не менее на протяжении десятилетий черные дыры – как имеющие звездную массу, так и сверхмассивные – были просто теоретическими (хотя и общепризнанными) концепциями. Только в середине XX века астрономы начали собирать доказательства их существования, в частности, ими стали первые наблюдения квазаров. Галактический источник рентгеновского излучения Лебедь X-1 был открыт в 1964 году, а позже ученые определили, что, скорее всего, он является черной дырой. Обнаружение LIGO гравитационных волн от столкновения двух черных дыр звездной массы 14 сентября 2015 года тоже оказалось очень полезным. Теперь, получив изображение с помощью обсерватории EHT, мы знаем, что сверхмассивные черные дыры тоже существуют в реальности.

Но как они стали такими большими? Ученые не знают, хотя есть предположение, что они возникли при слияниях множества черных дыр звездной массы (то есть порядка десятков или сотен солнечных масс), которые могли произойти в ранней Вселенной. При слияниях они прирастали поглощаемым газом, увеличивая свою массу, что в конечном  итоге привело к появлению сверхмассивных черных дыр^9.

Считается, что в течение эволюции Вселенной галактики тоже сталкивались и сливались. Наш собственный Млечный Путь, например, находится в процессе сближения с соседней галактикой Андромеда. Через 4,5 миллиарда лет они сольются. Гораздо дальше от Земли, на расстоянии около миллиарда световых лет, астрономы даже обнаружили редкую систему из трех галактик, названную SDSS J0849 + 1114, причем каждая из них имеет свою собственную сверхмассивную черную дыру. Создается впечатление, что эти три галактики готовятся к феерическому столкновению^10.

Когда галактики сливаются таким образом, их центральные черные дыры тоже должны слиться и превратиться в еще более сверхмассивного гиганта (особенно если поблизости есть третья черная дыра, которая может подтянуть их ближе друг к другу). Компьютерное моделирование показывает, что по-настоящему массивные черные дыры могли испытать до двадцати слияний за время своей жизни. Черная дыра галактики M87 тоже могла претерпеть несколько слияний, поскольку она в миллиарды раз массивнее Солнца или любой черной дыры звездной массы. В то же время астрономы считают, что сверхмассивная черная дыра постепенно приобретает большую часть своей массы, заглатывая межзвездный газ, который падает на нее, когда в ее родительскую галактику вторгается другая галактика. “Мы не вполне точно знаем, какой из этих двух факторов важнее: аккреция (поглощение) газа или слияние”, – говорит Скотт Рэнсом, астроном из Национальной радиоастрономической обсерватории и Университета Вирджинии.

Пока все это теоретические рассуждения, но считается, что, когда галактики сливаются, спиральное падение и окончательное столкновение их сверхмассивных черных дыр должны провоцировать распространение гравитационных волн во всех направлениях. Мы знаем, что массивные тела в космосе нарушают ткань пространства-времени, создавая воронки. Отдельно расположенная масса сама по себе не приводит к излучению гравитационных волн, но движение двух ускоряющихся масс друг относительно друга может это сделать. Чем больше возмущение, тем сильнее пространство-время реагирует на него, посылая более мощные волны.

Как я писала ранее, Халс и Тейлор привели косвенные свидетельства существования гравитационных волн, когда заметили сужающуюся орбиту у пульсара в открытой ими двойной системе. Затем, в сентябре 2015 года, LIGO уловил гравитационные волны непосредственно от слияния двух черных дыр звездной массы. А Марика Бранчези узнала о гравитационных волнах, возникших при первом наблюдаемом столкновении двух нейтронных звезд, утром 17 августа 2017 года после ночи, проведенной в больнице в Урбино на родах сестры.

Однако гравитационная рябь от гипотетического слияния двух сверхмассивных черных дыр будет распространяться намного дольше и меняться медленнее, а частоты гравитационных волн будут лежать в наногерцевом диапазоне, так что плечи детекторов LIGO и Virgo не смогут их обнаружить ни при каких условиях. Непосредственно перед слиянием черные дыры со звездными массами закручиваются по спирали друг относительно друга, оборачиваясь вокруг общего центра масс много раз за секунду. Гравитационные волны, которые они излучают во время этой стадии спирального падения и столкновения, имеют очень высокую частоту – в диапазоне от 7 кГц (длина волны 43 км) до 30 Гц (длина волны 10 000 км). Наши наземные детекторы измеряют, насколько сжимается каждое их плечо. Для длин волн, превышающих длину плеч, LIGO приходится измерять сжатие плеча намного меньшее, чем длина волны, поэтому детекторы измеряют растяжение плеча, соответствующее двум точкам, расположенным на волне близко друг к другу, то есть по существу измеряется “крутизна” приходящей волны. При увеличении длин волн оказывается, что чем длиннее волны, тем меньше их крутизна и тем меньше чувствительность LIGO к ним.

Однако, когда сверхмассивная черная дыра с массой в миллиард солнечных масс образует двойную систему с другой черной дырой аналогичного размера, они будут годами обращаться по орбите, прежде чем столкнутся друг с другом. При их падении по спирали и столкновении испускаются гравитационные волны длиной в световые годы (сотни триллионов километров) и чрезвычайно низкой частоты – ни LIGO, ни Virgo, ни какой-либо другой наземный детектор не заметят, когда и если такая волна накроет их^11.

Основная проблема – шум от Земли, который просто замазывает волны более низких частот. Шум может быть вызван чем угодно, от незначительных землетрясений в любой точке мира до океанских приливов и даже проезжающих мимо грузовиков. “Пара периодов в секунду – это, по сути, предел самых низких частот, которые может видеть LIGO, потому что ниже этого значения все просто забьет земной шум и сейсмическая активность, – говорит Рэнсом. – Они просто подавят все остальное”. Однако в космосе можно оптимизировать систему так, что она останется стабильной на больших временных интервалах.

И тут нам на помощь приходят пульсары. Хотя нейтронные звезды, когда они начинают двигаться по спирали навстречу друг другу, а затем сталкиваются, сами по себе служат источниками гравитационных волн, их также можно использовать в качестве детекторов гравитационных волн галактического размера – по крайней мере, на это можно надеяться. Исследователи оптимистично считают, что в течение следующего десятилетия, используя методику хронометрирования пульсаров, они наконец обнаружат гравитационные волны от слияния двух сверхмассивных черных дыр.

Использование Солнечной системы в качестве антенной системы для хронометрирования пульсаров

В 1969 и 1970 годах Джо Вебер – инженер-электрик, ставший позже физиком, – объявил миру, что его бочкообразные алюминиевые цилиндры зарегистрировали гравитационные волны. К сожалению, он ошибся.

В тот момент до первых обсуждений идеи о создании LIGO оставалось еще десять лет. Однако уже тогда два астрофизика – советский ученый Михаил Сажин и американский ученый Стивен Детвейлер – размышляли, нельзя ли использовать сам космос, чтобы зарегистрировать рябь на ткани пространства-времени. С разницей в несколько месяцев, в 1978 и 1979 годах, они опубликовали статьи, в которых предполагалось, что хронометрирование импульсов от нейтронных звезд может позволить астрономам наблюдать гравитационные волны. Согласно их теории, для того чтобы идея сработала, нужно представить себе Солнечную систему центром научного прибора (подобным точке пересечения двух плеч LIGO), а какой-нибудь далекий пульсар – концом одного виртуального плеча, протянувшегося через межзвездное пространство. Пульсар излучает регулярные импульсы и в этом смысле является чрезвычайно точными часами. В случае же прохождения гравитационной волны и, следовательно, возмущения локального пространства-времени импульсы от пульсара будут приходить раньше или позже по сравнению с тем, что наблюдали астрономы в отсутствие волн.

Два других теоретика, Рональд Хеллингс и Габриэль Даунс, позже развили эту идею, распространив ее на массив, или группу, пульсаров. Ученые должны были бы регулярно регистрировать в течение нескольких лет точное время прихода импульсов от нескольких пульсаров, разбросанных по небу, чтобы точно знать, сколько раз пульсар прокрутится между наблюдениями. Они должны были бы искать не только любые крошечные изменения во времени прихода импульсов, но и коррелированные (взаимосвязанные) задержки между импульсами, приходящими от нейтронных звезд, находящихся на расстоянии тысяч световых лет друг от друга, которые указывали бы на явные признаки гравитационных волн.

Чисто теоретическая концепция стала более реалистичной идеей в 1982 году, когда Дон Бейкер открыл первый миллисекундный пульсар. В отличие от типичных пульсаров, вроде тех, что обнаружила Джоселин Белл, то есть вращающихся со скоростью примерно один оборот в секунду, миллисекундные пульсары вращаются со скоростью сотни оборотов в секунду. Бейкер понял, что это свойство миллисекундных пульсаров позволит измерять их частоту гораздо точнее, вплоть до нескольких десятых наносекунды, и эта точность прихода импульсов могла бы сделать их в будущем гораздо более подходящим инструментом для обнаружения гравитационных волн.

Так что же такое хронометрирование массива пульсаров?

Мы впервые вкратце обсудили хронометрирование пульсаров в подразделе “Чуть глубже” главы 2. Предположим, у нас есть группа из пятидесяти различных пульсаров, находившихся более десяти лет под пристальным наблюдением астрономов, и за этот десятилетний период, за который произошло очень большое количество полных оборотов, приход каждого импульса был измерен с точностью не меньше одной тысячной оборота. Например, если пульсар вращается со скоростью пятьсот оборотов в секунду, за десять лет он совершит около 160 миллиардов оборотов. Именно из-за такого огромного количества очень точных измерений эта методика имеет такую невероятную точность и надежность. И если внезапно импульсы от каких-то пульсаров приходят раньше, затем позже, а потом снова раньше по сравнению с их ожидаемым временем прихода, самая вероятная причина сбоя в том, что детектор что-то встряхнуло. Но если невозможно объяснить эти вариации времени прихода каким-либо событием, произошедшим по соседству с детектором (например, землетрясением или громыхающим грузовиком), то это может быть рябь от гравитационной волны, накрывшей Землю. И если бы эти сдвиги сначала в сторону опережения, а потом запаздывания наблюдались на последовательностях импульсов от всех пульсаров, причем еще и подчинялись бы определенному графику, рассчитанному Хеллингсом и Даунсом, это стало бы визитной карточкой гравитационных волн, сжимающих и растягивающих пространство между Землей и пульсарами вдоль пути следования импульсов.

В некотором смысле это очень похоже на работу интерферометров LIGO и Virgo, а Земля и пульсары эквивалентны тестовым массам в концах каждого плеча детектора. С той только разницей, что для пульсаров необходимо собирать данные многие годы, из-за того что в этом случае длина волны гравитационных волн очень велика.

Бейкер хотел сделать именно это. В начале 2000-х годов совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, а также с астрономами Дэвидом Найсом из колледжа Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания, и Ингрид Стэйрс из Университета Британской Колумбии он начал хронометрирование группы миллисекундных пульсаров с большой точностью с помощью телескопов Arecibo и GBT.

Для анализа данных они применяли метод Хеллингса – Даунса. Их цель состояла в том, чтобы обнаружить гравитационные волны или, по крайней мере, наложить ограничения на их параметры, установив окно для измерений, в котором, как они полагали, когда-нибудь можно будет обнаружить гравитационную волну. “Потихоньку пятеро ученых образовали небольшую группу и начали хронометрирование пульсаров. На этом этапе они не прилагали огромных усилий”, – говорит Рэнсом.

Но об этом проекте узнали, и им заинтересовались другие астрономы. В частности, Дику Манчестеру, живущему в Австралии, эта идея настолько понравилась, что он подал заявку – ив 2003 году получил большой грант от правительства на то, чтобы начать применять эту методику в больших масштабах. В результате, говорит Рэнсом, ему выделили “достаточно времени для работы на телескопе Parkes и деньги на приглашение постдоков. По сути, он создал антенную систему Паркса для хронометрирования пульсаров (РРТА, Pulsar Parkes Timing Array)”. Манчестер надеялся, что через пять лет эта антенная система сможет зарегистрировать гравитационные волны. Эти оптимистические короткие сроки побудили других астрономов по всему миру серьезно отнестись к задаче использования хронометрирования пульсаров для обнаружения гравитационных волн.

Примерно в то же время к ним присоединились европейские астрономы, объединив радиотелескопы Westerbork Synthesis Radio Telescope, Effelsberg Radio Telescope, Nanpay Radio Telescope и Sardinia Radio Telescope с телескопом Lovell в Европейскую антенную систему хронометрирования пульсаров. В Соединенных Штатах Рэнсом тоже был охвачен азартом. “Мы знали, что у нас есть два лучших радиотелескопа в мире: Arecibo и GBT”, – говорит он. И с десятком других американских астрономов, специалистов по пульсарам, они устроили совещание. “Мы пригласили Дона Бейкера и его небольшую группу и сказали: «Вот вы, ребята, делаете этот небольшой проект. А австралийцы работают над этой задачей в полную силу в рамках огромного проекта. Давайте сделаем правильный шаг, мы пришли сюда, чтобы работать с вами»”, – вспоминает Рэнсом. Они согласились сотрудничать, а через несколько лет, получив несколько грантов, в 2009 году создали NANOGrav (Североамериканскую наногерцевую обсерваторию гравитационных волн). Эта североамериканская антенная система хронометрирования пульсаров в настоящее время занимается изучением более семидесяти пульсаров^12.

Эти три проекта продолжались более десяти лет, но до сих пор ни одно из сообществ не обнаружило гравитационные волны. Тем не менее хронометрирование пульсаров регулярно преподносит сюрпризы. Однажды в 2012 году Райан Линч, в то время постдок в Университете Макгилла, просматривал данные наблюдений пульсаров, которые GBT проводил в течение десяти лет. Он наткнулся на миллисекундный пульсар, который теперь называется MSP J0740 + 6620, и после нескольких месяцев наблюдения понял, что это невероятно точные часы. Вместе с группой коллег, среди которых был Скотт Рэнсом, Линч начал его хронометрирование с помощью обсерватории NANOGrav. Вскоре Линч заметил, что у пульсара может быть звезда-компаньон, и учет этого позволил постдоку Эммануэлю Фонсека и аспирантке Санкфул Кромарти определить массу компаньона, а затем и самого пульсара. Кромарти руководила этими исследованиями, в результате которых выяснилось, что этот пульсар был самой массивной нейтронной звездой из всех когда-либо обнаруженных – с колоссальной массой, равной 2,14 массы Солнца^13.

Но гравитационных волн пока не обнаружено. Астрономы до сих пор не знают, существуют ли сверхмассивные черные дыры, которые действительно подходят близко друг к другу и готовы слиться. Хотя они и обнаружили галактики с двумя активными галактическими ядрами, что свидетельствует о том, что эти две галактики слились и их черные дыры начинают, вальсируя, сближаться. “На их слияние уйдут миллионы лет, может быть, даже сотни миллионов лет, – говорит Рэнсом. – К счастью, во всей Вселенной всегда есть сливающиеся друг с другом галактики”.

Однако ученые не собираются сдаваться – за последнее десятилетие они узнали намного больше о том, как галактики сталкиваются. Они также добились большого прогресса в разработке моделей и методов расчета, которые позволяют лучше очистить данные от шума и влияния межзвездной среды. Все эти шаги помогают ученым лучше понимать и описывать движение Солнечной системы. По оценкам Рэнсома, в течение этого десятилетия астрономы наконец обнаружат гравитационные волны, испускаемые сверхмассивными черными дырами, используя хронометрирование пульсаров.

Первой целью хронометрирования массивов пульсаров является регистрация фона гравитационных волн, возникавших на протяжении эволюции Вселенной при слияниях сверхмассивных черных дыр. Это непростая задача: представьте, что вы находитесь в переполненной комнате, где все разговаривают. Попытка обнаружить определенную гравитационную волну похожа на попытку подслушать конкретный разговор в этой комнате. При сильном фоновом шуме все, что вы можете услышать, – это гул. И подобный гул – это именно то, что ученые пытаются отследить с помощью антенных систем для хронометрирования массива пульсаров, то есть уловить объединенные сигналы тысяч или даже миллионов сверхмассивных черных дыр, находящихся в процессе слияния. “На это уходит очень много времени. Мы не собираемся искать то, что видит LIGO, который позволяет увидеть реальное слияние, – говорит Рэнсом, – мы наблюдаем эти черные дыры за тысячи или даже десятки тысяч лет до их слияния. Но когда они подходят очень близко друг к другу, то излучают гравитационные волны, то есть на ткани пространства-времени возникает периодическая рябь. И когда волны складываются все вместе по всей Вселенной, они образуют тот самый фон, который мы пытаемся обнаружить”.

Как только астрономы обнаружат такие сверхдлинные гравитационные волны, станет возможным узнать, сколько сверхмассивных черных дыр существует, как часто они сливаются и почему. Что заставляет их слиться – только ли гравитация? Или, возможно, рядом с черной дырой есть много избыточного газа или звезд, из-за которых они сливаются быстрее, чем это произошло бы, если бы они делали это только из-за гравитации?

Между тем и другие инструменты вот-вот присоединятся к охоте за сверхдлинными гравитационными волнами с помощью пульсаров. В 2034 году Европейское космическое агентство планирует запустить первый космический детектор гравитационных волн – LISA (Laser Interferometer Space Antenna, “лазерная интерферометрическая космическая антенна”). В то время как LIGO обнаруживает высокочастотные гравитационные волны от черных дыр со звездными массами, совершающих последние витки перед столкновением, а с помощью антенных систем для хронометрирования массивов пульсаров ученые надеются поймать сверхмассивные черные дыры, движущиеся по орбитам со скоростью один оборот за несколько лет, LISA будет изучать промежуточный диапазон: орбиты, оборот по которым занимает минуты. “Мы ожидаем, что LISA сможет обнаружить слияние белых карликов и окончательные слияния тех сверхмассивных черных дыр, которые NANOGrav обнаружит на ранней стадии спирального падения”, – говорит Линч. Астрономы знают, что существуют десятки тысяч двойных белых карликов, обращающихся друг относительно друга примерно с такой скоростью, но LISA также должна увидеть и другие интересные явления, такие как спиральное падение маленьких черных дыр на гораздо более крупные. Чтобы обнаружить низкочастотные, длинноволновые гравитационные волны, рождающиеся при всех этих событиях, LISA должна иметь очень длинные базы и вокруг не должно быть землетрясений и машин, развозящих пиццу, поэтому для этих целей было решено использовать группу из трех спутников, следующих за Землей по орбите вокруг Солнца^14.

Что касается хронометрирования пульсаров, MeerKAT уже запустил проект MeerTlME, про который мы говорили раньше и который будет заниматься таймингом тысячи пульсаров. Ученые полагают, что антенная система для тайминга тысячи пульсаров должна придать большой импульс поиску сверхнизкочастотных гравитационных волн, потому что MeerKAT — самый чувствительный телескоп в Южном полушарии, используемый для хронометрирования. (Телескоп Arecibo более чувствителен, чем MeerKAT, чувствительность GBT почти такая же, а новый китайский телескоп FAST чувствительнее их всех – но эти радиотелескопы находятся в Северном полушарии.) MeerKATможет быть особенно полезен для хронометрирования тех пульсаров, которые испускают импульсы нерегулярно, то есть иногда дают сбои в периоде (глитчи) или меняется их излучение в радио- и рентгеновском диапазоне. На сегодняшний день существует лишь несколько хорошо хронометрированных пульсаров – в основном благодаря тому, что астрономы долго собирали данные о них. MeerKAT сможет значительно увеличить количество хорошо хронометрированных пульсаров и выполнить эти наблюдения за гораздо более короткий период, поскольку его чувствительность позволит получить тот же результат намного быстрее^15.

Даже если астрономы не обнаружат гравитационные волны с помощью антенных систем для хронометрирования пульсаров, эти антенные системы могут оказаться полезными для некоторых других приложений, например для создания эталона времени на основе тайминга пульсаров. В настоящее время лучший стандарт на Земле – международное атомное время на базе атомных часов. Но всегда ли эти часы верны? “У нас есть множество атомных часов на Земле, показания которых усредняют, чтобы определить время. Но как их сравнить?” – задается вопросом Джордж Хоббс, астрофизик из исследовательского центра CSIRO в Сиднее. “Даже если вы сделали лучшие часы, вы не сможете их ни с чем сравнить”. В 2012 году он и его коллеги выдвинули предложение использовать первую шкалу времени на основе пульсаров – Ensemble Pulsar Scale (аналогичную шкале атомного времени, Ecbelle Atomique Libre), основанную на наблюдениях на антенной системе Паркса РРТА, чтобы сравнить атомное время со временем, измеренным по сигналам пульсара. В 1996 году было обнаружено, что атомное время немного отличается от пульсарного, хотя и всего на несколько микросекунд, что демонстрирует, как говорит Хоббс, возможность использования пульсарного времени в качестве независимой перекрестной проверки международного атомного времени.

Как мы знаем по экспериментам LIGO, пульсары не только являются потенциальными детекторами гравитационных волн с длиной волны порядка размера галактики, но и сами отлично генерируют гравитационные волны. А это, в свою очередь, делает их прекрасным инструментом для проверки правильности самой известной теории гравитации Альберта Эйнштейна – общей теории относительности.

Был ли Эйнштейн прав? Проверки, проверки…

Сказать “Это конец” никогда не бывает легко, особенно если речь идет о работе, на которую вы потратили годы. Но именно это и произошло в сентябре 2017 года, когда Мигель Зумалакарреги, физик-теоретик из Центра космологической физики Беркли, приехал в Институт теоретической физики в Сакле, расположенный недалеко от Парижа, чтобы выступить с докладом. До того, как сообщества LIGO и Virgo официально объявят миру о первом в истории наблюдении слияния двух нейтронных звезд, оставалось еще несколько недель. Но в научных сообществах, где работает более тысячи сотрудников, сложно держать новости в секрете, и слухи о столкновении уже распространились по социальным сетям, от университета к университету и от конференции к конференции. И Зумалакарреги готовился сказать аудитории, что это обнаружение – если оно окажется правдой – убьет целую кучу так называемых альтернативных теорий гравитации.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была принята научной общественностью более века назад, заменив теорию тяготения Исаака Ньютона. В общей теории относительности гравитация – это не сила, а искривление пространства-времени, поэтому она предсказывает, что массивные тела искривляют ткань пространства-времени, заставляя луч света изгибаться, когда тот проходит рядом с ними. Но ученые знают, что у общей теории относительности есть проблема: ее невозможно примирить с физикой, описывающей очень малые сущности, то есть с квантовой механикой. Общая теория относительности легко описывает силу тяжести, например, то, как ручка падает, если ее сбросить со стола. Она объясняет, почему, если вы находитесь в лифте и лифт движется вниз исключительно под действием силы тяжести, невозможно узнать, на Земле вы или в космическом корабле, который движется с постоянным ускорением. Это называется принципом эквивалентности, который утверждает, что гравитационные поля неотличимы от ускоряющихся систем отсчета. Таким же образом общая теория относительности объясняет, как планеты обращаются вокруг звезды и как сталкиваются галактики. Но приблизим камеру, включив многократное увеличение, и нам понадобится квантовая механика, чтобы объяснить, как электроны вращаются вокруг атома, почему атом плутония распадается или почему два атома водорода сливаются с образованием гелия, а часть массы атомов водорода превращается при этом в энергию. Именно в таком процессе звезды получают свою энергию до тех пор, пока не исчерпают все свое топливо и не умрут.

Квантовую механику и общую теорию относительности не удается совместить: всякий раз, когда мы пытаемся объяснить поведение малого с помощью общей теории относительности или большого с помощью квантовой механики, все расползается. Возникает подозрение, что общая теория относительности – неправильная теория, поэтому ученые продолжают проверять ее в различных системах и средах, пытаясь найти ошибки. Они также надеются, что, анализируя альтернативные подходы, смогут приблизиться к пониманию того, что представляет собой некая правильная теория. Альтернативные теории гравитации обычно пытаются решить две фундаментальные проблемы общей теории относительности, которые мешают нашему пониманию Вселенной. Во-первых, нужно объяснить необходимость введения темной материи – невидимой материи, которая, как полагал Фриц Цвикки, удерживает вместе галактики в скоплении Кома. Другая проблема заключается в том, что для объяснения расширения нашей Вселенной нам нужно ввести темную энергию. Современное понимание темной энергии состоит в том, что это некая субстанция, которую невозможно зарегистрировать и давление которой заставляет Вселенную расширяться. Альтернативные теории пытаются представить ее как силу, являющуюся частью гравитации^16.

Возможно, утверждают некоторые теоретики, гравитация сложнее, чем представлял ее Эйнштейн, и мы просто не увидели ситуаций, в которых эти сложности становились достаточно большими, чтобы оказывать заметное влияние (если только темная материя и темная энергия не являются такими ситуациями). Вот почему ученые разрабатывают альтернативные теории: чтобы модифицировать общую теорию относительности в надежде, что они смогут непротиворечиво описать все наши наблюдения без введения каких-либо темных сущностей. “Многие также пытаются модифицировать теорию из чистого любопытства: примерно треть нерешенных проблем в физике, включая темную материю и темную энергию, относятся к гравитации, например, не решены вопросы, связанные с черными дырами, остается проблема объединения квантовой механики и гравитации в единую теорию квантовой гравитации, а также проблема космологической постоянной”, – говорит Зумалакарреги.

Еще до того, как астрофизики зарегистрировали на LIGO гравитационные волны, они знали, что слияние двух нейтронных звезд нанесет удар по некоторым альтернативным теориям гравитации. Но, по словам Зумалакарреги, на момент его выступления на конференции многие ученые еще не осознали, что их любимая теория вот-вот будет выброшена на помойку. И поэтому в Сакле он терпеливо объяснил, как открытие LIGO, уже, по слухам, состоявшееся, убьет многие теории, альтернативные по отношению к общей теории относительности. Как только он закончил говорить, множество рук вскинулись вверх – ошеломленные коллеги-ученые спрашивали, абсолютно ли он уверен, что та или иная конкретная теория умерла. По его словам, конференция была похожа на похороны, где некоторым участникам церемонии он первым сообщил новость о покойнике, лежащем в гробу. Однако, добавляет Зумалакарреги, некоторые альтернативные теории гравитации возникают просто по причине недостаточно хорошего понимания. “Вспомните, как до Эйнштейна многие видные ученые упорно старались примирить электромагнетизм с эфиром, хотя этот подход был совершенно неправильным”, – рассказывает он. Действительно, когда-то считалось, что для распространения света необходима среда – эфир, но позже было доказано, что эфира не существует.

По этим причинам неудивительно, что некоторые ученые задаются вопросом, не ошибался ли Эйнштейн и правильна ли общая теория относительности. И дело не только в темных энергии и материи. Чтобы альтернативные теории гравитации работали, они должны предсказывать все те стандартные явления, которые так успешно предсказывает общая теория относительности. Чаще всего большинству теорий это не удается. Поскольку многие из их прогнозов оказываются совершенно ошибочными, предложившим их ученым приходится придумывать способы исправления ошибок и методы, которые бы скрыли неверные прогнозы для тех масштабов, где их можно проверить.

Возможно, самые известные альтернативные теории гравитации – это варианты модифицированной ньютоновской динамики, или просто MOND. В этих теориях нет необходимости во введении темной материи, поскольку изменяется само определение гравитации. В них предполагается, что существует два вида гравитационных сил вместо одной. Иногда, говорят адепты теории MOND, сила тяжести велика, и тогда она заставляет объекты подчиняться закону тяготения Ньютона, согласно которому сила тяжести между двумя объектами уменьшается обратно пропорционально квадрату разделяющего их расстояния. А когда сила тяжести очень мала – например, на окраинах галактики, – она, согласно этой теории, с расстоянием уменьшается медленнее. Это могло бы объяснить, почему кажется, что притяжения обычного вещества недостаточно, чтобы удерживать быстро движущиеся звезды внутри своих галактик, и тогда не нужно было бы вводить темную материю в модель для увеличения гравитационного притяжения, необходимого для устранения противоречия.

MOND – это всего лишь общая идея. Одна из попыток превратить ее в законченную теорию – это скаляр-тензор-векторная теория гравитации TeVeS, в которой имеется математический аппарат, описывающий все: от Солнечной системы до черных дыр, галактик и космологии. Как и другие разновидности теорий MOND, TeVeS объясняет, почему скорость звезд в галактиках одинакова повсюду, считая гравитацию вдали от центра сильнее, чем она должна быть согласно теориям Эйнштейна и Ньютона. Есть еще теории галилеонов – составная часть класса теорий, называемых теориями Хорндески и расширенными теориями Хорндески. Теории Хорндески получили свое имя в честь Грегори Хорндески – физика, разработавшего их в 1974 году. Более широкое физическое сообщество по-настоящему обратило свое внимание на его идеи только около 2010 года, когда он уже оставил занятия наукой и стал художником в Нью-Мексико. Большинство этих теорий пытаются исключить темную энергию и ввести поправки для объяснения расширения Вселенной и поведения силы тяжести. Другие теории, такие как теория гравитации Бранса – Дикке и ее варианты, являются развитием философских или математических идей общей теории относительности. Существуют также оригинальные теории, такие как теория физика Эрика Верлинде, в которой предполагается, что законы гравитации естественным образом вытекают из законов термодинамики, точно так же как волны в океане порождаются молекулами воды.

Ученые обычно тратили годы на разработку этих теорий, выводя уравнения и уточняя их. Все эти работы резко приостановились, когда было открыто первое слияние нейтронных звезд. Когда зеркала LIGO и Virgo лишь слегка затряслись, а научное сообщество засучив рукава трудилось над тем, чтобы зарегистрировать первое подобное столкновение в истории, космическая обсерватория Ферми тоже зафиксировала короткий гамма-всплеск, исходящий точно из того же места, но на Землю он пришел всего на 1,7 секунды позже. Так было доказано, что гравитационные волны распространяются со скоростью света, и этот факт безжалостно убил скаляр-тензор-векторные теории гравитации TeVeS, которые выжили бы, только если бы скорости гравитационных и электромагнитных волн различались. LIGO также убил несколько теорий галилеонов, которые требовали наличия дополнительного поля для объяснения ускоренного расширения Вселенной и еще того, чтобы гравитационные волны двигались медленнее света.

Но не все было убито: некоторые теории Хорндески и расширенные теории Хорндески выжили, поскольку не требовали отличия скорости гравитационных волн от скорости света. Также пока выжили некоторые так называемые теории гравитации с массивным гравитоном. Обычно физики предполагают, что частица, связанная с гравитацией, – гравитон – не имеет массы. Но в этих теориях принимается, что он имеет массу, хотя и очень маленькую, поэтому он не обязательно движется со скоростью света. Тем не менее столкновение двух нейтронных звезд послужило сигналом к очень быстрому удалению с поля некоторых альтернативных теорий гравитации.

Ученые и до этого опровергали их релевантность с помощью других аргументов, не так эффектно, но столь же беспощадно: сначала используя небесные тела нашей Солнечной системы, а совсем недавно и с помощью пульсаров. И до сих пор снова и снова подтверждалась правильность теории Эйнштейна^17.

Но чем больше плотность и чем сильнее гравитация (а у пульсаров она настолько сильна, насколько это возможно без дальнейшего коллапса звезды в черную дыру), тем больше вероятность того, что общая теория относительности может оказаться ошибочной. И поэтому ученые неустанно ищут мельчайшие изменения в импульсах пульсаров, чтобы понять, согласуется ли система пульсаров, которую они исследуют, с предсказаниями теории Эйнштейна. Эти результаты наблюдений можно сравнивать и с выводами альтернативных теорий гравитации. Поскольку в таких экспериментах условия более суровые, проверка общей теории относительности с помощью пульсаров позволяет физикам сделать больше выводов и дополнительно исключить некоторые альтернативные теории.

Обычно астрономы используют пульсар, находящийся в двойной системе, например в партнерстве с белым карликом или другой нейтронной звездой, используя его в качестве тестовой массы с прикрепленными очень точными часами. Затем они очень точно вычисляют орбиты пульсаров, тщательно хронометрируя время прихода импульсов. Представьте, что мы с точностью до микросекунды измерили время прихода импульса в данный момент и еще раз через десять лет. Поскольку мы точно знаем, сколько оборотов сделал пульсар между этими двумя измерениями, мы можем вычислить частоту вращения пульсара с точностью до одной микросекунды в десять лет, то есть 1/ (3 × 10^14), или одной трехсоттриллионной^18.

Кроме того, астрономы могут проанализировать, как изменяется время прихода импульсов в результате прохождения излучения (в данном случае – радиоволн) мимо звезды, являющейся партнером пульсара. Они делают это, измеряя задержку Шапиро, то есть временную задержку из-за искривления света гравитацией. “Мы действительно хорошо умеем измерять время”, – говорит Энн Арчибальд, астроном из Амстердамского университета, и рассказывает такую историю. Когда космический зонд “Кассини” прошел за Солнцем по пути к Сатурну, ученые зарегистрировали радиолокационные сигналы от него и очень точно измерили время их прохождения. Конечно же, поскольку свет из-за влияния гравитации Солнца следовал по изогнутой траектории, ему потребовалось немного больше времени, чтобы добраться до детекторов на Земле. Так и была измерена задержка Шапиро, и “Кассини” произвел лучшее ее измерение. С помощью измерения этой задержки проверяют и вывод альтернативных теорий гравитации о том, какое искривление света они предсказывают. И конечно, вычисление этой задержки позволяет астрономам определять массы самого пульсара и его звезды-компаньона. (Подробнее о задержке Шапиро см. в разделе “Чуть глубже: Законы Кеплера и посткеплеровские параметры”.)

Есть и другие эффекты, предсказанные общей теорией относительности. В 1998 году Майкл Крамер, который тогда был постдоком, а сейчас директор Радиоастрономического института Макса Планка и гуру в области гравитационных явлений, наблюдал пульсар Халса – Тейлора с помощью стометрового телескопа в Эффельсберге. Ему показалось, что форма импульса отличается от той, что приводилась в опубликованной двадцать четыре года назад статье. Он поискал другие описания профиля импульсов этого пульсара в прошлых публикациях и заметил, что его форма менялась гораздо сильнее, чем считалось ранее. “Я копнул глубже, проанализировал больше данных и в конце концов понял, что увидел первое реальное свидетельство геодезической прецессии – эффекта общей теории относительности, который был предсказан для этой двойной звездной системы сразу после ее открытия в 1974 году”, – говорит Крамер. Геодезическая прецессия возникает при огибании гироскопом массивного объекта, искривляющего вокруг себя пространство. При этом ось гироскопа слегка смещается, описывая за оборот угол больше 360 градусов. Когда пульсар обращается вокруг своего компаньона, масса партнера заставляет его погружаться в гравитационную яму в ткани пространства-времени, из-за чего направление пучка излучения (подобного лучу маяка) немного смещается – ив какой-то момент пучок начинает промахиваться мимо Земли. Мы такой пульсар обнаружить уже не можем.

Точность наблюдений Крамера была не слишком большой, поскольку стометровый телескоп, который он использовал, гораздо менее чувствителен, чем телескоп Arecibo, с помощью которого был обнаружен пульсар, а позже Джо Тейлор (один из астрономов, открывших двойную систему) и Джоэл Вейсберг проверяли правильность общей теории относительности. Тем не менее Крамер предсказал, как форма импульса продолжит меняться с течением времени, и даже набрался смелости и предсказал на основе своих данных, что пульсар исчезнет из поля зрения в период между 2020 и 2025 годами. “Я думаю, немногие коллеги поверили моему результату, и это неудивительно”, – говорит он. Однако несколько недель спустя Крамер неожиданно получил электронное письмо от Тейлора, в котором содержался график. Прочитав статью Крамера, Тейлор и Вейсберг отправились на Arecibo и провели новое измерение импульсов пульсара – и оказалось, что измеренная ими ширина импульса совпадает с предсказанием Крамера.

“Это был довольно приятный момент”, – говорит Крамер, улыбаясь. И это стало для него хорошей мотивацией для продолжения работы с пульсарами и проверки общей теории относительности. Такие физики, как он, ищут все более экстремальные условия для проверки теории гравитации – в надежде, что однажды они смогут найти сценарий, при котором предсказания теории не сбудутся, и тогда у них возникнет новое, лучшее понимание физики.

В 2000 году им повезло найти такие экстремальные условия: Марта Бургай, которая сейчас работает в обсерватории Кальяри, обнаружила уникальную систему – двойной пульсар (PSR J073 7-3039 А/В) – в обзоре данных наблюдений на телескопе Parkes, Австралия. Как говорилось ранее, это единственная известная двойная система, в которой оба объекта являются – или скорее являлись – пульсирующими нейтронными звездами. Эта система настолько релятивистская, что астрономы получили возможность с ее помощью проверять такие аспекты теории относительности Эйнштейна, которые никогда ранее тщательной проверке не подвергались.

Майский день 2000 года у Марты Бургай начался точно так же, как и любой другой день в ее научной карьере. Она просматривала обзор наблюдений пульсаров, проведенных на телескопе Parkes, особенно внимательно отслеживая все, что касается центра Галактики, и неожиданно заметила быстро вращающийся пульсар в двойной системе. На первый взгляд это был обычный двойной миллисекундный пульсар с не слишком интересным спутником, похожий на многие десятки подобных двойных систем. “Это открытие не было каким-то особенным”, – вспоминает Эндрю Лайн, работавший с Бургай на Parkes. Как и в случае с любой другой двойной системой, они начали заниматься ее хронометрированием, то есть наблюдать ее через определенные промежутки времени и смотреть, как она себя ведет. Вскоре ученые решили, что компаньон, вероятно, тоже был нейтронной звездой, аналогично двойному пульсару Халса – Тейлора. Однако в этом случае двойная система звезд была крайне тесной, так что эффекты общей теории относительности Эйнштейна становились очень заметными, поскольку два массивных тела искривляли пространство-время чрезвычайно сильно. Вскоре Бургай и ее коллеги представили в Nature статью о новой двойной системе^19.

Прошло четыре года. Однажды астроном Дункан Лоример из Университета Западной Вирджинии захотел протестировать некое новое программное обеспечение и подумал, что недавно обнаруженная двойная система идеально для этого подходит. Весной 2004 года он принялся отлаживать свою программу, собирая с помощью телескопа Parkes свежие данные по этой двойной системе. Внезапно Лоример обнаружил очень специфические периодические импульсы, и это означало, что обе звезды испускали радиоволны. Он сразу же позвонил Лайну, в тот момент проводившему свой отпуск в Уэльсе, то есть на другом конце света. Лайн помнит тот момент, когда зазвонил телефон: “Это был Дункан, звонил, чтобы сказать, что он обнаружил трехсекундную периодичность, и спросить, что с этим делать”.

Один из двух пульсаров вращался с огромной скоростью, совершая сорок пять оборотов в секунду, а другой – относительно медленно, с периодом 2,7 секунды. Почему так важна эта трехсекундная периодичность? В двойной звездной системе, когда формируется вторая нейтронная звезда, она ведет себя как обычный пульсар – аккреция на нее с очень плотного компаньона невозможна. Она замедляется и выключается за относительно короткое время, и тогда остается только уже долго поживший миллисекундный раскрученный первый пульсар. Трехсекундный период был визитной карточкой раскрученного пульсара. “Мы увидели, что периодичность действительно менялась так, как должна была бы меняться, если бы медленный пульсар находился на общей орбите с миллисекундным пульсаром”, – говорит Лайн.

В этой двойной системе действуют невероятно мощные гравитационные силы, поскольку обе нейтронные звезды обращаются друг относительно друга по орбитам малого радиуса с периодом всего 2,4 часа, что с космической точки зрения означает невероятную близость друг к другу. Мы видим систему почти с ребра, то есть Земля находится почти в плоскости орбиты, а это означает, что мы видим, как один пульсар проходит почти точно перед другим (затмевает его). В марте 2008 года более медленный пульсар исчез, импульсы от него до сих пор не регистрируются. Исчезновение импульсов – еще одно проявление геодезической прецессии, и ученые предсказывают, что его импульсы снова можно будет увидеть в 2035 году.

С помощью этой системы ученые сумели проверить общую теорию относительности гораздо глубже, чем когда-либо раньше. Прежде чем излучение от медленного пульсара исчезло, астрономы могли наблюдать, как две нейтронные звезды обращались друг относительно друга с периодом в 2,4 часа. В те моменты, когда более медленный пульсар проходил перед своим спутником, его сильное магнитное поле блокировало луч миллисекундного пульсара примерно на тридцать секунд. Поскольку пульсар очень мал – всего около двадцати километров в поперечнике, – наше поле зрения блокировалось не его физическим телом, а облаком плотной плазмы, которое вращалось вместе с медленным пульсаром и генерировало собственные радиоимпульсы. Это облако плазмы в форме бублика, удерживаемое магнитным полем медленного пульсара, вращается вместе с ним. Астроном Рене Бретон из Манчестерского университета смог построить модель системы, в которой бублик нерегулярно прерывает приход к нам импульсов от быстрого пульсара. Как оказалось, ось вращения бублика прецессировала. В соответствии с общей теорией относительности, импульс от миллисекундного пульсара достигал Земли на микросекунды позже, поскольку вместо того, чтобы направиться прямо к нам, он должен был пройти вблизи второго пульсара и искривиться, что приводило к уже упомянутой задержке Шапиро и позволило измерить прецессию. Измерения подтвердили предсказания Эйнштейна с точностью до 99,99 %20.

“Я помню, как на одном из семинаров нашей группы Рене поставил вопрос о статистике, – рассказала Арчибальд. – Было два способа анализа данных, сказал он, и один из них давал результат, который согласовывался с результатами теории Эйнштейна, а другой – нет, и он не знал точно, какой способ правильный. «Подождите, – сказала Вики Каспи, наш руководитель, – расскажите нам о методах, но не говорите, какой из них согласуется с теорией, а какой – нет». Мы поспорили и согласились, что один из методов более правильный. И конечно же, он давал результаты, согласующиеся с теорией Эйнштейна! Но нам был преподан важный урок: нельзя давать волю своим предубеждениям”.

Крамер и его команда получили данные, позволяющие считать, что орбита двух пульсаров сжимается каждый день на семь миллиметров – косвенное свидетельство существования гравитационных волн. Двойной пульсар намного меньше системы Халса – Тейлора (за которой Джоэл Вейсберг продолжает следить по сей день), и скорость сжатия орбиты двойного пульсара соответствует выводам теории Эйнштейна, то есть он теряет энергию, преобразующуюся в энергию гравитационных волн, намного быстрее.

И вот вступает в игру уникальная тройная система.

Летом 2006 года инженеры телескопа Green Bank в Западной Вирджинии заметили: что-то не так с рельсом, по которому измерительное оборудование перемещалось влево и вправо по азимуту. Он износился из-за того, что после завершения строительства телескоп GBT стал весить примерно 7,7 тысячи тонн, то есть больше, чем изначально планировалось. Администрация решила удалить старый рельс и установить новый, и на это ушло все лето. Поскольку в это время радиотелескоп не мог перемещаться по азимуту, он не мог следить за источниками, разбросанными по небу, и нормальная работа фактически была остановлена. Но, как и в случае с наблюдениями Алекса Вольщана, проведенными им во время ремонта Arecibo, астрономы, специализирующиеся на пульсарах, – и среди них Арчибальд и Линч (впоследствии ставший младшим научным сотрудником обсерватории GBT) – поняли, что у них появился идеальный шанс для наблюдения неба. Они решили, что могут использовать низкочастотный приемник, выбрать угол и просто еженощно наблюдать звездное небо, проплывающее мимо. Это позволило им видеть любой участок неба в течение примерно двух минут. Поскольку во время ремонта телескопа никто другой не мог работать на нем, они смогли использовать его для почти непрерывных наблюдений в течение пары месяцев и таким образом набрали 120 терабайт данных, которые вошли в обзор под названием “Обзор данных по дрейфовому сканированию, полученных с помощью телескопа GBT 350 МГц”.

Наблюдения закончились, когда завершился ремонт телескопа, и Арчибальд с Линчем приступили к тщательной проверке всех своих данных по пульсарам. На это у них ушло несколько лет. К 2013 году они уже нашли несколько десятков новых пульсаров, но, когда они приблизились к завершению своей работы, на самом последнем диске с данными обнаружилось нечто необычное.

Они открыли двойную систему – пульсар и белый карлик – на расстоянии около 4200 световых лет от Земли. Сначала они не обнаружили ничего необычного. Но, попытавшись определить движение этой двойной системы, они поняли, что не могут рассчитать орбиту пульсара, просто предположив, что он обращается вокруг другой звезды^21.

Такого решения, соответствующего данной орбите, просто не могло существовать. “До нас дошло, что происходит нечто странное”, – говорит Линч. И тут Рэнсому пришла в голову идея – он увидел, что орбита пульсара систематически смещается, и предположил, что может существовать еще одна звезда, которая влияет на орбиту пульсара. Эта система оказалась тройной. Рано утром он отправил электронное письмо Линчу, а затем и всем участникам сообщества, участвовавшим в анализе данных.

Затем Рэнсом совместно с Ингрид Стэйрс, Хесселсом, Арчибальд и Линчем занялся проверкой своего предположения. И действительно, все встало на место, когда в модель было введено третье тело – второй белый карлик, обращавшийся вокруг двойной звезды. Такой системы, состоящей из миллисекундного пульсара с двумя компаньонами звездной массы, никогда раньше не видели. “На тот момент у нас не было никакого представления, как работать с тройной системой”, – рассказала Арчибальд. Она в то время заканчивала свою диссертацию, посвященную анализу другого источника, который они нашли при той же двухмесячной съемке неба, – и с радостью отвлеклась от исправления орфографических ошибок. Она просмотрела электронную почту: коллеги жаловались, что не знают, как правильно хронометрировать тройную систему. “Я подумала, а нельзя ли просто… И около четырех часов утра начала писать код, используя тот же подход прямого интегрирования, которым мы до сих пор пользуемся”, – вспоминает она. На самом деле она не первый раз писала код для прямого интегрирования уравнений для системы n тел – системы с более чем двумя объектами. В возрасте пятнадцати лет она прочитала научно-фантастическую книжку “Мир-кольцо”. В ней описывалась инопланетная раса, которая живет на пяти планетах, обращающихся вокруг их общего центра масс. “Неужели она устойчива? – подумала я. – И я написала некий код для моделирования движения этой системы. Конечно, в пятнадцать лет я не понимала, что делаю, и сам код интегрирования был нестабильным, поэтому я так и не получила ответа. Но было ясно, что реализация интегрирования задачи п тел не должна быть трудной”.

Линч говорит, что с тройной системой “Энн Арчибальд проделала фантастическую работу, найдя численные решения, которые позволяют идеально описать орбиты всех этих трех звезд”. Ее работа позволила впоследствии использовать данную систему для проверки общей теории относительности крайне специфическим образом. Ученые поняли, что в этой системе три тела существуют в очень ограниченном пространстве, их орбиты меньше орбиты Земли, по которой она обращается вокруг Солнца, – и это здорово для проверки одного из следствий общей теории относительности, называемого сильным принципом эквивалентности.

Принцип эквивалентности – краеугольный камень общей теории относительности Эйнштейна. В нем утверждается, что гравитация действует на объекты одинаково, независимо от их состава или массы. В большинстве случаев физики работают только с менее строгой версией, называемой принципом слабой эквивалентности, который гласит, что объекты падают одинаково, независимо от их состава или массы, если их гравитация не слишком сильна. Известный пример: если убрать сопротивление воздуха и уронить перо и молоток с одной и той же высоты, они одновременно упадут на землю. Этот эксперимент был успешно продемонстрирован не только на Земле, в огромной вакуумной камере НАСА, но и на Луне.

Принцип сильной эквивалентности добавляет к принципу слабой эквивалентности одно условие: даже объекты, имеющие большую собственную массу (гравитацию), должны падать так же, как остальные. Такой объект, как планета или звезда, не рассыпается благодаря гравитации, а гравитационная энергия, удерживающая все его части вместе, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc^2, эквивалентна определенной массе. Падает ли тело с такой массой так же, как тела, состоящие из обычного вещества, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, скажем стул?22 Падает ли тело с большой самогравитацией, как обычное материальное тело? “Как бы странно это ни звучало, но на самом деле вопрос разумный, – говорит Арчибальд. – В то время как общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что тело с большой самогравитацией падает точно так же, как и все остальные тела, почти все альтернативные теории предсказывают, что на самом деле его падение должно отличаться от падения обычных тел. Другими словами, они утверждают, что если у вас есть объект с большой силой тяжести, удерживающей его от рассыпания, то этот объект из-за сильной самогравитации будет падать иначе”.

В лаборатории невозможно создать объект с сильной гравитацией. До недавнего времени лучшая проверка принципа сильной эквивалентности проводилась в системе Земля-Луна-Солнце. Гравитация удерживает пару Земля-Луна и не дает им разлететься. Но гравитация Земли намного больше, чем гравитация Луны. Так что если Эйнштейн ошибался и самогравитация тел влияет на то, как они падают, то, возможно, Земля падала бы иначе, чем Луна. Но сбросить Землю и Луну с башни, как сбрасывал пушечные ядра с башни Новой церкви в Делфте фламандский ученый Симон Стевин, невозможно. Однако, поскольку Земля и Луна обращаются вокруг Солнца, они как бы постоянно “падают” на него. Это означает, что, если бы они испытывали разные ускорения из-за разной силы тяжести, Солнце разорвало бы пару Земля-Луна. “Благодаря отражателям, которые американские астронавты с кораблей «Аполлон» и советские луноходы оставили на Луне, у нас есть очень точные измерения, хотя их и немного [данные имеются в доступе]. И похоже, с большой уверенностью можно сказать, что нет никакой разницы в том, как Земля и Луна ускоряются Солнцем”, – говорит Арчибальд.

Для такого эксперимента не обязательно иметь три тела, но в нем должно присутствовать какое-то внешнее гравитационное поле. Астрономы провели гравитационные тесты с двойными системами, используя, например, пульсар и белый карлик, испытывающие притяжение гравитационного поля Галактики – так сказать, “падающие” на Галактику. Но проблема с такими тестами заключается в том, что реально Галактика приводит к крошечному ускорению системы пульсаров: она не очень сильно притягивает, поэтому разница в том, как она воздействует на два тела, также мала.

Однако в пульсарах хорошо то, что они чрезвычайно плотные объекты – такие же, как белые карлики и черные дыры, – и их энергия связи намного сильнее, чем у обычных тел. Например, для пульсара она составляет от 10 до 15 % его массы. Так что, если бы эта гравитационная энергия связи реагировала на гравитацию иначе, чем вещество, в системе нейтронных звезд это было бы гораздо заметнее.

Проблема в том, что, в то время как мы довольно много знаем о нашей Солнечной системе, мы не всегда знаем массу нейтронной звезды или ее компаньона. “Мы должны сначала узнать, как тело должно упасть в соответствии с теорией Эйнштейна, что сложно, если мы не знаем точно, насколько сильна внешняя гравитационная сила”, – говорит Арчибальд.

Например, когда астронавт Дэйв Скотт, стоя на Луне, ронял молоток и перо в 1971 году, он ронял их в условиях одинакового притяжения – и они упали одновременно. При проведении таких проверок необходимо, чтобы оба объекта падали при одном и том же гравитационном притяжении – внешнем по отношению к ним обоим. В системе Земля-Луна-Солнце гравитационное притяжение обусловлено третьим соседним телом, то есть Земля и Луна притягиваются (или “падают”) к Солнцу.

Необходимость внешнего гравитационного поля для проведения теста делала тройную систему “своего рода уникальной системой для проверки сильного принципа эквивалентности в тех условиях, которые мы не можем осуществить в системе Земля-Солнце, или в системе Луна-Солнце, или с пульсарами, которые являются просто некими объектами в гравитационном поле галактики”, говорит Линч.

Арчибальд и ее коллеги провели тест, используя свою компьютерную модель с точными параметрами, взятыми из их наблюдений, – и оказалось, что пульсар и внутренний белый карлик, конечно же, “падают” с одинаковой скоростью в гравитационном поле внешнего белого карлика, несмотря на то что нейтронная звезда намного массивнее своего компаньона по паре. Они выстроили модель, в которой допускалось нарушение сильного принципа эквивалентности и отклонение от него описывалось с помощью параметра, обозначенного дельтой. Если теория Эйнштейна верна, дельта должна была бы в точности равняться нулю. “Мы не просто брали параметры нормальной орбиты и пытались искать отклонения. В действительности мы напрямую пытались вставить наши измеренные данные в модель, построенную в предположении «неэйнштейновской физики»”, – говорит Арчибальд. Ученые смоделировали множество орбит с параметрами, в которых закладывалось отклонение от сильного принципа эквивалентности, но в результате оказалось, что те орбиты, для которых такие отклонения не вводились, то есть построенные в соответствии с теорией Эйнштейна, согласовывались с результатами их наблюдений лучше всего. Они нашли, что наилучшим значением параметра дельта был не в точности нуль, поскольку полностью шум устранить нельзя, но дельта равнялась нулю в пределах погрешности. Оказалось, что тройная система ведет себя именно так, как предсказывает теория Эйнштейна, и тест показал, что отклонения от расчетного значения равнялись всего трем миллионным.

К разочарованию некоторых ученых, эти расчеты также убили те альтернативные теории гравитации, в которых предполагалось, что пульсар и белый карлик по-разному падают в поле внешнего белого карлика. Эйнштейн снова оказался прав.

Что будет происходить дальше с общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации? По словам Зумалакарреги, эта проблема мешает ему спать по ночам. Но сейчас, по крайней мере, когда многие теории были исключены, можно сосредоточиться на немногих выживших и попытаться их улучшить. Надо надеяться, что в будущем Square Kilometer Array и другие радиотелескопы следующего поколения найдут больше необычных пульсарных систем, а это позволит ученым провести еще более точную проверку общей теории относительности, используя хронометрирование пульсаров. Обсерватория LISA, когда она будет запущена, в этом тоже должна очень помочь.

Тем не менее, говорит Арчибальд, теоретики, вероятно, несмотря ни на что, продолжат выдвигать новые теории. Одно открытие, которое астрономы надеются сделать в ближайшем будущем, поможет проверить общую теорию относительности еще точнее. Они собираются впервые исследовать систему пульсар – черная дыра с помощью либо какого-то существующего телескопа, например GBT, Arecibo или MeerKAT, либо нового телескопа из тех, которые только недавно введены в эксплуатацию или заработают в будущем, например FAST или SKA. Гравитация наиболее сильна в черных дырах, поэтому пульсар, обращающийся вокруг черной дыры, может быть идеальной тестовой массой для изучения структуры пространства-времени вблизи черной дыры. Это также поможет нам узнать больше о черных дырах, например, путем измерения их скорости вращения. В проекте под названием BlackHoleCam используется телескоп EHT и поставлена задача объединить данные по хронометрированию пульсаров и по получению изображений сверхмассивных черных дыр. Ученые надеются однажды обнаружить пульсар, обращающийся вокруг черной дыры, в идеале – вокруг Sgr А*. И если мы обнаружим больше одного пульсара, вопрос о том, что является источником избытка гамма-излучения в центре Галактики – темная материя или пульсары, – будет решен (см. главу 6). Очень скоро нейтронные звезды смогут помочь нам либо сбросить с пьедестала общую теорию относительности Эйнштейна, либо навсегда распрощаться со всеми альтернативными теориями гравитации.

Чуть глубже: Законы Кеплера и посткеплеровские параметры

Когда астрономы наблюдают пульсар и видят, что его орбита подчиняется законам движения планет Кеплера, которые описывают обращение планет вокруг Солнца, они обычно определяют ее с помощью так называемых кеплеровских параметров. Но если у орбиты обнаруживаются отклонения, ученые адаптируют кеплеровские орбиты к новым условиям, вводя так называемые посткеплеровские параметры. Эти настройки помогают ученым описать то, что они видят.

Один из таких параметров – задержка Шапиро. Компаньоны пульсаров – это плотные тела, например белые карлики, поэтому они искривляют излучаемый пульсаром свет (или, как в данном случае, радиоволны). Согласно общей теории относительности Эйнштейна, это излучение, когда оно проходит мимо компаньона пульсара, должно проваливаться вниз – в яму в ткани пространства-времени, а затем снова выбираться наверх и добираться до наших телескопов, таким образом, позже, чем если бы оно двигалось по прямой, в случае плоского пространства-времени. Задержка Шапиро не служит проверкой общей теории относительности, но эта задержка предсказывается теорией. Если предположить, что Эйнштейн прав, с помощью общей теории относительности можно использовать характеристики задержки Шапиро для вычисления массы компаньона. Кактолько эта масса станет известной, из нее относительно легко получить массу пульсара.

Но большинство гравитационных проверок основано не на измерении задержки Шапиро, а на отслеживании изменений орбиты объекта – обычно крошечных, – которые накапливаются с течением времени. Например, когда пульсар и его компаньон движутся вокруг их общего центра масс, из-за излучения гравитационных волн система теряет энергию движения по орбите, а следовательно, их общая орбита должна сужаться – и пара будет постепенно сближаться в роковом последнем танце, ведущем к столкновению. Именно этот сценарий впервые был косвенно подтвержден наблюдениями Халса и Тейлора в 1974 году и нашел прямое подтверждение в эксперименте на интерферометре LIGO, когда был зарегистрирован всплеск GW170817 гравитационных волн при слиянии двух нейтронных звезд. Это стало решающим прямым доказательством – и важной проверкой – правильности общей теории относительности.

Другой релятивистский эффект (и посткеплеровский параметр), который астрономы пытаются определить из наблюдений двойных систем, – это смещение периастра[31]. Согласно общей теории относительности, в такой системе эллиптическая орбита, которая была бы идеальным эллипсом в ньютоновской системе, не является замкнутой. За каждый оборот она чуть-чуть смещается. Это то же самое явление, что и смещение перигелия Меркурия: обращаясь вокруг Солнца, он не движется точно по одной и той же траектории, и его перигелий – точка на его орбите, в которой он находится ближе всего к Солнцу, – из-за кривизны пространства смещается на сорок три угловые секунды за столетие.

Измерение смещения периастра в двойных системах нейтронных звезд – другими словами, определение того, как быстро смещается орбита, – позволяет астрономам вычислить массы пульсаров и их компаньонов, опять же в предположении, что Эйнштейн был прав. Но если Эйнштейн был неправ и эти формулы неверны, ученые могли бы получить разные значения масс с помощью двух методов. Задержка Шапиро, которая является следствием общей теории относительности, – явление, выходящее за рамки теории тяготения Ньютона. Эйнштейн предсказал, что все отклонения от теории Ньютона должны быть связаны между собой определенным образом, и в данном случае это означает, что все они должны приводить к одним и тем же массам пульсара и его компаньона. “Если этого не происходит, значит, что-то не так с теорией Эйнштейна”, – говорит Арчибальд.

Если два посткеплеровских параметра известны, а вы затем измерите третий, станет возможно проверить, согласуется ли он со значением, предсказанным на основе двух других, опять используя теорию Эйнштейна. Добавьте четвертый параметр, и вы получите еще одну проверку теории относительности Эйнштейна. Если бы ученые обнаружили какие-либо измеримые отклонения от этих предсказаний, то общая теория относительности Эйнштейна, возможно, перестала бы служить лучшей теорией гравитации. Но до сих пор никакие измерения посткеплеровских параметров не смогли заставить нас усомниться в правильности уравнений Эйнштейна.

С точки зрения общей теории относительности большинство пульсарных систем малоинтересны – они не позволяют астрономам наблюдать какие-либо посткеплеровские параметры. Лишь несколько систем нейтронных звезд оказываются “релятивистскими”, то есть они достаточно массивны и движутся по своим орбитам достаточно быстро, чтобы эффекты общей теории относительности стало возможно наблюдать. Одна из них – двойная система Халса – Тейлора. Среди других – двойная система, которую Алекс Вольщан открыл в 1990 году, а также пульсар, вокруг которого обращаются три планеты и который они с Дейлом Фрейлом впервые обнаружили в 1992 году.

Глава 9

Быстрые радиовсплески, незавершенная глава

“Отклонена”.

В электронном письме были и другие слова, но это слово выделялось и казалось написанным ярко-красными чернилами. На дворе стоял июнь 2007 года, и Дункан Лоример, астрофизик из Университета Западной Вирджинии, впервые отправил статью, где он значился как ведущий автор, в престижный академический журнал Nature. Как и большинство ученых, Лоример всегда мечтал о публикации в журнале Nature, где его имя стояло бы на первом месте, и он считал, что ему наконец-то выпал шанс. Но его рукопись даже не отправили рецензентам – редакция британского журнала сочла, что “маловероятно, что его статья выдержит конкуренцию в условиях ограниченности объема журнала” и, кроме того, она “не представляет большого интереса для тех, кто работает в той же или смежных областях науки”.

Лоример почувствовал, как пол закачался у него под ногами. Из-за этого отказа в публикации одно из крупнейших астрофизических открытий начала XXI века, а именно быстрые радиовсплески (FRB) – загадочные, чрезвычайно мощные и сверхкороткие всплески радиоизлучения в космосе, продолжающиеся всего миллисекунды, – осталось почти незамеченным. Это открытие смогло бы помочь астрономам выяснить состав и динамику межгалактической среды, измерить напряженность межгалактических магнитных полей и пролить свет на другие загадки.

Когда-то быстрые всплески радиоизлучения считались экзотикой. Их обнаруживали редко, а поскольку импульсы были очень короткими, то определить местонахождение источника казалось невозможным. Ученые до сих пор не знают, что это за всплески и откуда они пришли, хотя интерес к нейтронным звездам был велик: основная версия состоит в том, что эти вспышки могут исходить от магнетаров. Что мы действительно знаем, так это то, что эти всплески в миллиард раз мощнее импульсов излучения типичных пульсаров, что выделяется энергия, эквивалентная энергии пятисот миллионов Солнц, и что их источниками являются объекты, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики.

Только недавно ученые научились определять местонахождение источников FRB, даже тех, от которых они зафиксировали только один всплеск. И в последние годы они зарегистрировали больше сигналов FRB, чем когда-либо прежде. Успешность этих наблюдений обязана двум обстоятельствам: более совершенным телескопам и… инопланетянам. Ну, точнее, не самим инопланетянам, а их поискам. В сообществе, включающем множество астрономов и астрофизиков, пытающихся понять природу этих загадочных сигналов, оказался эксцентричный российско-израильский миллиардер, который в своих упорных поисках разумной жизни за пределами Земли зашел так далеко, что стал соинвестором одной из самых сложных и масштабных из всех проводившихся ранее программ мониторинга радиосигналов в нашей Вселенной.

Некоторые астрономы считают, что эти вспышки могут действительно быть посланиями от инопланетян, хотя это и маловероятно. Помимо магнетарной ученые выдвигали и другие гипотезы происхождения FRB, например, некоторые считают, что быстрые радиовсплески испускаются при катаклизмах – таких как взрывы сверхновых или столкновения черных дыр с нейтронными звездами. Возможно также, что эти всплески возникают при столкновении темной материи, имеющей вид крошечных первичных черных дыр, со звездами. Или у них более прозаичное происхождение: и сигналы поступают вовсе не из космоса, а из тривиальных микроволновых печей?1

Все началось с того, что в начале февраля 2007 года студент-дипломник Дэвид Наркевич приехал на встречу со своим руководителем Лоримером для консультации. Это была обычная еженедельная встреча в Университете Западной Вирджинии, расположенном на берегу реки Мононгахила, протекающей через город Моргантаун. “Дэвид принадлежит к редкому типу людей, не испытывающих эмоциональных взлетов и падений, – шутит Лоример. – Он вошел, мы стали беседовать о том, что он сделал за прошедшую неделю, и эта встреча сначала казалась обычной”. Через несколько минут после начала разговора Наркевич вытащил график, на котором Лоример увидел невероятно высокий пик, намного превышавший все импульсы, излучаемые обычным пульсаром. Его глаза широко раскрылись. “Я воскликнул что-то вроде: «Вау, подожди минутку, что это?» – вспоминает Лоример. – Это выглядело действительно удивительно. Я просто не знал, что с этим делать”.

За несколько недель до встречи Наркевич просматривал горы архивных данных из обзора Parkes Multibeam Pulsar Survey — крупнейшего на тот момент источника данных по пульсарам, находящимся в Большом и Малом Магеллановых Облаках, исследования которых начались в августе 1997 и длились до 2001 года. Лоример попросил Наркевича поискать необычный и недавно открытый пульсар, называемый вращающимся радиотранзиентом (RRAT). Лоример с любовью говорит об этих “крысах”[32] отчасти потому, что они были впервые обнаружены его женой, тоже астрономом, Маурой Маклафлин. Она обнаружила их примерно в 2004 году, через год после того, как они поженились. (“Наша свадебная программа была составлена наподобие научной статьи, где в псевдонаучной манере описывалось, как мы познакомились и все такое”, – посмеивается Лоример.)

RRAT отличаются от большинства других пульсаров тем, что совершенно невозможно предсказать, когда и как они начнут излучать радиоволны. Даже сегодня они представляют собой загадку, и представителей этой таинственной популяции чаще всего обнаруживают при регистрации одиночных всплесков, а не периодических импульсов. Астрономам известны несколько пульсаров, которые делают и то и другое: излучают и периодические импульсы, и – спорадически – одиночные. Самый известный пример – пульсар Крабовидной туманности, он время от времени испускает пучок излучения, который интенсивнее его периодических радиоимпульсов более чем в десять раз^2.

Но обычно RRAT обнаруживают по их непредсказуемым одиночным импульсам, часть из которых длится всего несколько миллисекунд, и обнаружить их можно в течение не более чем секунды в день. “Мы знаем, что это капризные объекты. Но мы быстро поняли, что это способ поиска новой разновидности нейтронных звезд, дополняющий методы поисков традиционных объектов, излучающих периодические импульсы”, – говорит Лоример.

Занимаясь изучением гигантских одиночных импульсов, исследователи вскоре поняли, что излучение их источника настолько мощное, что его можно обнаружить даже за пределами нашей Галактики. Большинство же пульсаров являются довольно слабыми источниками радиоволн, а это означает, что с помощью современных телескопов мы обычно можем обнаружить их только внутри Млечного Пути или в Большом и Малом Магеллановых Облаках. Лоример и Маклафлин надеялись найти мощные импульсы, испускаемые источниками RRAT и другими пульсарами, находящимися в более далеких галактиках, и таким образом немного раздвинуть границы. Они надеялись, что сумеют обнаружить такого рода всплески.

И вот он перед ними – гигантский одиночный импульс на графике, принесенном Наркевичем, в десять миллиардов раз более мощный, чем импульс обычного пульсара, и длившийся всего пять миллисекунд. По его дисперсии Лоример сразу понял, что он, вероятно, пришел откуда-то издалека, его источник находился за пределами нашей Галактики, где-то в направлении Малого Магелланова Облака. Когда Лоример и Наркевич посчитали дисперсию, она оказалась в десять раз больше, чем та дисперсия, которая была бы, если бы источник находился в нашей Галактике или поблизости от нее (наша Галактика имеет размер 100 000 световых лет, или около 30 килопарсек, в поперечнике). И они поняли, что он определенно находился даже не в ближайшей окрестности^3. (О дисперсионных эффектах см. в разделе “Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд” в главе 2.)

Лоример был уверен, что они сделали грандиозное открытие. В тот день он пришел домой и взволнованно сказал жене, что, возможно, они наткнулись на совершенно новый космический объект. Первые несколько недель они не могли решить, что с этим делать. “Он был настолько ярким и непонятным, что я просто решил немного отложить его в сторону”, – говорит Лоример. В тот момент на них свалилось слишком много дел сразу, причем не только на работе, где нужно было что-то решать с предполагаемым открытием, но и дома: их первому ребенку, Каллуму, только что исполнилось два года, и Маура ждала второго – Финли, который родился в июле 2007-го. И все это время и Лоример, и Маура продолжали вести занятия и руководить работами студентов-дипломников и аспирантов. “Я говорил себе примерно так: «Конечно, это выглядит великолепно, но пусть немного подождет»”, – рассказывает Лоример.

Однако в апреле он сел на самолет и полетел в обсерваторию Parkes. Перед этим он встретился со своим бывшим научным руководителем по дипломной работе Мэтью Бейлзом, чтобы вместе проанализировать данные по необычному всплеску. Мало того, что Бейлз сам пришел в возбуждение, но он своим воодушевлением и энтузиазмом заразил и Лоримера, и через несколько дней они приступили к написанию статьи. Она была готова к июню и включала график с изображением сигнала, ставший вскоре известным, – пик, возвышавшийся над сигналами всех известных на тот момент пульсаров. По словам Бейлза, сигнал выглядел настолько ошеломительно, что тогда он на какое-то время потерял сон. Снова и снова он воображал, каким удивительным стало бы это открытие, если бы сигнал и вправду оказался таким ярким и пришел настолько издалека.

Но редакция Nature отказалась напечатать статью. Лоример был расстроен, как и Бейлз, но Бейлз уже имел негативный опыт, когда шестнадцатью годами ранее ему и Эндрю Лайну пришлось отозвать статью, в которой говорилось об открытии первой планеты, обращающейся вокруг пульсара. Бейлз вспоминает, как он, чтобы подбодрить Лоримера, сказал ему: “Бог с этим Nature”. И они решили отправить статью в Science, где она и была опубликована в ноябре 2007 года, причем без единого замечания. Лоример почувствовал облегчение, хотя ему по-прежнему не давал покоя нерешенный вопрос о том, какой именно объект произвел эту гигантскую вспышку, которая вскоре будет носить его имя.

Ави Лоэб, который сейчас заведует кафедрой астрономии Гарвардского университета, вырос в Израиле, где, сколько он себя помнит, интересовался загадками возникновения жизни – как на Земле, так и в других частях Вселенной. И всегда его удивляло и раздражало, что большинство ученых вместо поисков разумной жизни в космосе все усилия направляют на то, чтобы обнаружить признаки существования простейших микробов, разыскивая их химические следы в атмосфере экзопланет. По его мнению, работы по проекту поисков внеземного разума SETI должны были бы стать мейнстримом, а вместо этого данное научное направление считается маргинальным. Во-первых, из-за того, что в научно-фантастической литературе инопланетяне всегда изображались отрицательными героями, а во-вторых, из-за разных вызывающих сомнения сообщений уфологов.

Дело не в том, что другие ученые никогда серьезно не рассматривали возможность существования разумной жизни за пределами Земли. В конце концов, еще в 1967 году, когда Джоселин Белл наткнулась на сигнал в виде гребенки при анализе данных с “Межпланетной сцинтилляционной матрицы”, сооруженной в сельской местности Кембриджшира, она также задалась вопросом, не приветствие ли это, посланное какими-нибудь инопланетянами. (Как я уже писала, именно поэтому, хотя сигнал все еще оставался загадкой, астрономы только отчасти в шутку назвали его источник LGM-1 – “маленькие зеленые человечки – 1”, – а три других пульсара, сигналы от которых обнаружила Белл, были названы, соответственно, LGM-2, LGM-3 и LGM-4.)

Раскрыть тайну “инопланетян” помогло Белл то, что вскоре она заметила второй пульсар, затем третий и четвертый, и все они находились в разных участках неба, что убедительно доказывало: это были естественные объекты, а не инопланетяне^4.

Лоримеру повезло меньше.

Сразу после того, как они с Бейлзом в ноябре 2007 года опубликовали свою статью, вызвавшую реальный интерес, ученые стали выдвигать теории происхождения странных вспышек. Примерно в то же время Лоэб по случаю оказался в Мельбурне. Он прочитал статью Лоримера и Бейлза, слегка ею заинтересовался и захотел поговорить с Бейлзом. Лоэб считал вспышки проявлением загадочного эффекта, но, как и многие другие, полагал, что это мог быть и инструментальный артефакт.

А потом все застопорилось. В течение первых шести лет после открытия ни Лоример, ни кто-либо еще не обнаружили похожих всплесков. Превалировало мнение, что тот всплеск – “обман”. И зарегистрированные на телескопе Parkes шестнадцать похожих гигантских импульсов, вызванные, как позже выяснилось, случайным открыванием дверцы во время нагрева микроволновой печки, установленной в центре для посетителей обсерватории, не укрепили доверия к результатам Лоримера. Астрономы серьезно сомневались в реальности всплеска, впервые замеченного Наркевичем, и Маура Маклафлин даже написала статью, в которой делался вывод о том, что открытие ее мужа, вероятно, было основано на ошибке^5.

А Лоэб примерно в то же время методично исследовал возможности существования разумных цивилизаций за пределами Земли и строил теории того, как мы могли бы их обнаружить. В одной своей статье он высказал предположение, что радиоантенны, используемые для обнаружения излучения атомов водорода в ранней Вселенной (каждый атом излучает на определенных длинах волн, и это их свойство помогает астрономам понять, атомы какого газа присутствовали в космосе в прошлом), также могли бы регистрировать радиосигналы от инопланетян с планет, удаленных от нас на расстояния порядка десяти световых лет. В другой статье содержалось предложение сканировать Солнечную систему с помощью космического телескопа “Хаббл”, чтобы найти сигналы искусственного происхождения от инопланетян. А еще в одной статье высказывалась идея о том, как мы можем обнаружить следы промышленного загрязнения в атмосферах экзопланет. Лоример, однако, не интересовался мирами инопланетян и не следил за работами Лоэба. Вместо этого он ждал и надеялся, что ученые заметят хотя бы еще один всплеск, такой же странный, как и тот, что в свое время увидел он^6.

И наконец это событие произошло: в 2013 году международный коллектив опубликовал статью, в которой главным автором значился Дэн Торнтон, тогда докторант Манчестерского университета. Авторы сообщали, что обнаружили четыре ярких радиовсплеска в обзоре годовых наблюдений, проведенных на телескопе Parkes^7. Ученые предположили, что всплески, скорее всего, появляются каждые десять секунд или около того, то есть примерно десять тысяч раз в день. После некоторой дискуссии всплески были названы FRB. Это название утвердилось после того, как ученые отказались от идеи называть их быстрыми радио-транзиентами, или сокращенно FaRT. К тому же, по словам Бейлза, уже были хорошо известны гамма-вспышки, называющиеся GRB, и, назвав свои вспышки радиоизлучения FRB, они сыграли на схожести аббревиатур. С течением времени все больше астрономов во всем мире стали считать эти короткие всплески радиоизлучения реальными, и постепенно загадочные FRB стали даже упоминаться в курсах физики, читаемых в университетах. Лоример прославился, хотя с теорией происхождения этих всплесков было не все ясно – подобных теорий в то время существовало больше, чем самих FRB^8.

Лоэб следил за развитием событий, но до поры до времени не хотел вмешиваться. Однажды в феврале 2014 года на обеде в Бостоне он познакомился с неким харизматичным бизнесменом, и разговор зашел о внеземной жизни, Вселенной и обо всем остальном. Это был российско-израильский предприниматель и миллиардер, венчурный инвестор Юрий Мильнер. Мильнер – физик, он хорошо известен в Кремниевой долине своими крупными инвестициями в такие IT-гиганты, как Facebook, Twitter, WhatsApp и многие другие. Но всю жизнь Мильнера больше всего привлекали поиски жизни за пределами Земли.

Год спустя, в мае, Мильнер навестил Лоэба в Гарварде и задал ему вопрос: сколько времени может потребоваться человеку, чтобы добраться до Альфы Центавра – ближайшей к нам звездной системы. Лоэб ответил, что ему нужно полгода, чтобы найти ответ и придумать технологию, с помощью которой люди могли бы туда попасть уже в течение своей жизни. Мильнер попросил Лоэба возглавить один из проектов, которые он собирался финансировать, – Breakthrough Starshot (“Прорывные технологии полетов к звездам”). Этот проект был задуман как часть более крупного венчурного проекта стоимостью сто миллионов долларов под названием Breakthrough Initiatives (“Прорывные инициативы”) – крупнейшего вливания частного капитала в исследования, связанные с поисками инопланетной жизни. Пять проектов, входящих в этот большой проект, были анонсированы на роскошном приеме в лондонском отеле в июле 2015 года. Я сопровождала Лоэба на этом банкете и видела, как он весь светился от радости.

Один из пяти проектов – Breakthrough Listen — презентовали, в частности, известный, ныне покойный, физик Стивен Хокинг и британский королевский астроном Мартин Рис. В этом проекте для обнаружения сигналов, которые могли бы посылаться внеземными цивилизациями, предполагалось задействовать многие радиотелескопы на Земле. Деньги Мильнера быстро пошли в дело: их вкладывали в оснащение существующих радиообсерваторий, включая Parkes и GBT, новейшими достижениями передовых технологий, такими как увеличенная компьютерная память и новые детекторы. Астрономы рады были получить инвестиции независимо от того, верили они в инопланетян или нет^9.

И именно в этот момент короткая вспышка радиоизлучения впервые исполнила свою партию на бис.

5 ноября 2015 года стояла солнечная, но прохладная погода. Астрофизик из Корнелла Шами Чаттерджи только-только сел за свой стол, как на экране появилось электронное письмо. Он взглянул на тему, показавшуюся ему довольно скучной: “Небольшой интересный факт, касающийся вспышки Спитлер”, и сначала не придал сообщению особого значения. Электронное письмо, отправленное аспирантом Университета Макгилла в Монреале по имени Пол Шольц, было разослано примерно сорока корреспондентам из его списка рассылки, в том числе и Чаттерджи. Все сорок были астрономами, принимавшими участие в анализе данных из крупнейшего на сегодняшний день обзора наблюдений галактической плоскости PALFA (Pulsar Arecibo L-band Feed Array, “обзор пульсаров с помощью антенного облучателя в L-диапазоне телескопа Arecibo”), проведенных на телескопе Arecibo.

Сначала Чаттерджи отправился выпить кофе, через несколько минут открыл текст… и не поверил своим глазам. “Трудно передать, насколько шокирующим и удивительным было то сообщение”, – говорит он. Автор объявлял, что один из ранее наблюдавшихся FRB, официально названный FRB 121102, а неофициально – “всплеск Спитлер”, вспыхнул во второй раз.

Этот всплеск оказался одним из двенадцати FRB, которые на тот момент были обнаружены. Он носит имя Лоры Спитлер, астронома из Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне, которая обнаружила его еще в 2014 году. На самом деле она нашла его в обзоре данных PALFA телескопа Arecibo, а сама тарелка телескопа в Пуэрто-Рико зарегистрировала эту вспышку еще двумя годами ранее, в ноябре 2012-го. Это была на тот момент единственная вспышка, которую заметили не на телескопе Parkes, а на другом радиотелескопе, и это стало важным событием для ученых – оно устранило все остававшиеся сомнения в том, что с Parkes могло быть что-то не так.

Регистрация повторного всплеска стала большой удачей. Источники вспышек излучения могли оказаться просто особо мощными пульсарами, и, если бы удалось зарегистрировать несколько импульсов от одного и того же источника, было бы намного легче убедить всех, что они реальны. Поэтому в мае и июне 2015 года сотрудники сообщества PALFA решили наблюдать небо в той его части, откуда пришел всплеск Спитлер, но используя гораздо более чувствительный, чем Parkes, телескоп Arecibo. В течение нескольких месяцев после этого Шольц с помощью суперкомпьютера тщательно проверял данные радиотелескопа. И вдруг зафиксировал вторую вспышку в том же направлении^10.

“Это было потрясающе”, – говорит Чаттерджи. Тогда большинство физиков полагало, что эти сверхмощные FRB в принципе не могут повторяться, ведь ни одна из одиннадцати вспышек, обнаруженных до вспышки Спитлер, не повторилась. “Все знали, что FRB не повторяются, поскольку для того, чтобы импульс проходил межгалактические расстояния, требуется огромное количество энергии, а это означает, что произошла какая-то катастрофа, а значит, не может быть никаких повторов, – говорит Чаттерджи. – И вот он: единственный FRB, найденный на Arecibo, и как раз оказался повтором”. Оправившись от изумления, он побежал по коридору и попросил своего коллегу – астронома Джима Кордеса – просмотреть его электронную почту, затем вернулся в офис и начал печатать ответ. Тем временем его почтовый ящик начал заполняться. К полуночи там оказалось пятьдесят шесть сообщений от разных астрономов.

Поскольку Шольц был автором первого послания, он чувствовал себя обязанным высказать предположение о том, что могло быть источником повторного импульса. Ясно, что многие предыдущие модели, предполагавшие катастрофическое происхождение FRB, были сразу же отвергнуты – по крайней мере, для этого всплеска, – поскольку повторная вспышка не могла быть вызвана, скажем, сверхновой или столкновением двух нейтронных звезд. И Шольц выдвинул нестандартную идею “внегалактического магнетара” – молодой, очень сильно намагниченной, быстро вращающейся нейтронной звезды. В обсуждение включились и другие участники сообщества, и Маура Маклафлин первой согласилась с предположением Шольца.

Но где находился источник? Да, он дважды посылал импульсы, но астрономы знали: чтобы определить его положение, придется ждать еще одной вспышки, в идеале увидеть ее нужно сразу на нескольких радиотелескопах, чтобы можно было сравнить сигналы. Чаттерджи и его коллеги сразу же предложили задействовать для этой цели антенную систему Very Large Array в Нью-Мексико и наблюдать эту область неба в течение десяти часов. Они считали, что именно двадцать семь тарелок – это то, что поможет определить местоположение источника вспышек. И астрономы замерли в ожидании. Десять часов антенная система сканировала небо, сигнал проверялся каждые несколько миллисекунд, но так ничего и не было обнаружено. Чаттерджи был подавлен.

Тем временем Мильнер начал терять терпение и связался с Лоэбом, попросив его сообщить последние новости насчет своей идеи об Альфе Центавра. Это был конец декабря 2015 года, вспоминает Лоэб, и в то время он находился в Израиле и собирался в Шаббат поехать на козью ферму на юге страны. Но Мильнер попросил его немедленно представить презентацию с изложением рекомендаций по технологиям, которые доставят человечество к Альфе Центавра. На следующее утро Лоэб попытался где-нибудь поблизости от козьей фермы найти место с доступом к интернету, нашел его недалеко от входа на ферму и подготовил презентацию в PowerPoint, объясняющую, как люди могут для своих межзвездных путешествий использовать космический корабль, приводимый в движение гигантским световым парусом. Две недели спустя он показал презентацию Мильнеру в его доме в Москве. Идея светового паруса все еще не выходила у него из головы, и, когда Лоэб услышал о том, что команда из Корнелла обнаружила повторную вспышку, он вспомнил свой разговор почти десятилетней давности с Бейлзом в Мельбурне относительно первого FRB. Он заинтересовался и подумал, что у него, возможно, есть идея насчет происхождения вспышек. К ней он вернется через несколько месяцев.

Прошло полгода. В апреле 2016-го Чаттерджи написал еще одну заявку с просьбой увеличить время работы на антенной системе Very Large Array до сорока часов, надеясь обнаружить еще одну вспышку от источника двух FRB. Команда PALFA получила время, но опять ничего не обнаружила. Становилось неловко, но Чаттерджи был упрям, и в августе 2016 года он снова отправил электронное письмо руководству VLA, попросив разрешения еще на сорок часов работы.

Все теряли надежду, и ситуация становилась все больше и больше похожей на ситуацию с Лоримером, который надеялся, что еще один FRB докажет, что он видел реальную вспышку. Но Чаттерджи, в отличие от Лоримера, не пришлось ждать шесть лет: наконец то, что посылало эти вспышки, решило сжалиться над ними. “Похоже, сегодня мы увидели короткую вспышку радиоизлучения”, – написал в электронном письме своим коллегам Кейси Лоу, ученый, наблюдавший за антенной системой Very Large Array в режиме реального времени. Затем источник-“репитер” послал еще импульс, потом еще – и так восемь раз. В отличие от импульсов пульсаров, всплески были спорадическими, с неравными интервалами между ними, а один раз была зарегистрирована даже “двойная вспышка” – два сигнала пришли с интервалом всего в двадцать три секунды. Чаттерджи и его команде удалось определить местонахождение источника: он вспыхивал в карликовой неправильной галактике, расположенной на расстоянии около гигапарсека (чуть более трех миллиардов световых лет) от Земли. Невероятно далеко. А учитывая часто повторяющиеся импульсы, что-то в том месте с чудовищной скоростью – менее чем за секунду – перезаряжало свой мегааккумулятор. Что бы это могло быть?

Модель, первоначально предложенная Полом Шольцем, а именно модель магнетара, начала приобретать популярность. Действительно, вспышка магнетара на таком расстоянии от Земли могла быть достаточно яркой, чтобы ее можно было зарегистрировать. И эта небольшая родительская галактика для источника вполне подходила для магнетара: в ней идет интенсивное звездообразование, а магнетары вообще имеют тенденцию образовываться из сверхновых звезд, называемых сверхъяркими сверхновыми типа I. Такое часто случается в карликовых неправильных галактиках, которые, как считается, похожи на ранние галактики, существовавшие в очень молодой Вселенной.

Сразу после Большого взрыва Вселенная была заполнена в основном водородом, гелием и небольшим количеством лития. Когда начали формироваться первые звезды, их взрывы – новые и сверхновые – “засеивали” межзвездную среду все более тяжелыми элементами, образовавшимися в результате ядерного синтеза в недрах звезд. Каждое новое поколение звезд содержало все больше и больше этих “металлов” – элементов тяжелее водорода, гелия и лития, и это увеличивало общую “металличность” Вселенной. Но астрономы считают, что карликовые неправильные галактики имеют низкую металличность, то есть они образовались из водорода и гелия, оставшихся с первых дней существования Вселенной. Таким образом, эти маленькие галактики порождают более массивные звезды, обладающие, как считается, более сильными магнитными полями. Эти звезды, умирая, превращаются в магнетары, которые, как полагают ученые, могли бы вызывать сверхмощные всплески, подобные наблюдаемым FRB^11.

Но генерация таких мощных всплесков с такой большой частотой должна привести к тому, что у любого магнетара быстро закончилось бы топливо. Вот почему некоторые ученые думают, что обнаруженным репитером мог быть очень молодой магнетар, возраст которого, вероятно,

меньше ста лет. Такие новорожденные магнетары обладают очень интенсивными нестабильными магнитными полями, которые могут испытывать драматические эпизоды перестройки и перезамыкания силовых линий, а когда поле меняет одну квазистабильную конфигурацию на другую, высвобождается огромная энергия. В нашей Галактике мы бы увидели эти всплески в виде вспышек излучения в рентгеновском или гамма-диапазоне от мягкого гамма-репитера. “Здесь мы их не видим, но из реалистичной модели следует, что мы не видим излучения высокой энергии потому, что оно поглощается туманностью”, – говорит Чаттерджи. Туманность – это расширяющееся облако из разного вещества, газа и пыли, остающееся после взрыва сверхновой. Когда силовые линии магнитного поля постоянно перезамыкаются, в туманность закачивается энергия, которая потом высвобождается в виде спорадических мощнейших взрывов. По словам Чаттерджи, при встряске от этих взрывов могут возникать радиовсплески, которым подвластны космические расстояния. Есть некоторые свидетельства правильности этой гипотезы: повторяющиеся сигналы приходят с того же направления, где находится стабильный источник радиоизлучения, которое может быть фоновым сигналом от туманности.

И все же у модели магнетара есть проблемы: до сих пор не найдено никаких FRB от магнетаров, расположенных гораздо ближе к Земле, таких как, например, источник гамма-излучения SGR 1806-20, находящийся в нашей Галактике. От него в декабре 2004 года зарегистрировали гигантский гамма-всплеск, а вот сигналов FRB из его ближнего окружения не обнаружили. Конечно, возможно, что излучение FRB от магнетаров концентрируется в узких пучках – и мы сможем обнаружить их только тогда, когда они направлены прямо на Землю.

Другая теория основывается на том, что FRB могут быть вызваны активными ядрами галактик – суперъяркими областями в центрах некоторых больших галактик, которые, как считается, подпитываются скрывающимися там сверхмассивными черными дырами. Многие активные ядра галактик выбрасывают джеты, которые могли бы генерировать FRB. Но и у этой гипотезы есть проблема: активные ядра обычно не существуют в карликовых галактиках. Резюмируя, можно сказать, что, хотя обнаружение источника-репитера было достижением, оно также породило новые научные проблемы. В частности, нужно понять, могут ли существовать два разных вида FRB-сигналов – повторяющиеся и одиночные^12.

В 2017 году, вскоре после того, как сообщество PALFA опубликовало свои удивительные результаты по определению родительской галактики источника-репитера, Лоэб высказал предположение о том, что FRB могли посылаться инопланетянами, чем вызвал ажиотаж в СМИ. Он обдумывал свою концепцию светового паруса, который помог бы доставить людей к Альфе Центавра, и решил посмотреть на проблему FRB с другой стороны. Что, подумал он, если FRB были просто побочным продуктом работы радиопередатчиков на солнечных батареях – мегамежзвездных световых парусов, которые позволяют гигантским космическим кораблям продвигаться сквозь космическое пространство? Эта идея, безусловно, помогла сделать термин FRB более привычным, хотя подавляющее большинство астрономов и астрофизиков и не согласились с теорией Лоэба^13.

“Если мы смогли обнаружить световые паруса в карликовой галактике, расположенной на расстоянии гигапарсека от нас, мы должны были бы обнаружить намного больше парусов в гораздо более близких к нам галактиках, – говорит Чаттерджи. – Эта гипотеза почти столь же правдоподобна, как то, что эта вспышка вызвана взрывом Звезды Смерти[33] в очень далекой галактике”.

В конечном итоге неважно, инопланетяне посылали сигналы или что-то другое, большинство астрономов считало, что им повезло участвовать в проекте Breakthrough Listen, который помог модернизировать их радиотелескопы и получить с их помощью важные научные результаты. Обнаружение FRB быстро стало одной из приоритетных задач этого проекта, и всего через несколько месяцев после локализации данного репитера команда проекта Breakthrough Listen, использовавшая телескоп GBT, получила дополнительные аргументы в пользу гипотезы магнетара. Во-первых, астрономы, изучив полученные на телескопе Arecibo данные наблюдений некоторых повторяющихся вспышек, поняли: кто бы или что бы их ни производило, оно должно было существовать в экстремальной, сильно намагниченной среде. Магнитное поле около источника оказалось настолько сильным, что перекручивало его радиоволны, – это явление известно как фарадеевское вращение плоскости поляризации. Данные с телескопа GBT подтвердили результат. Сканируя небо в поисках инопланетян, ученые из проекта Breakthrough Listen решили направить радиотелескоп на источник повторяющихся импульсов – и тот зарегистрировал двадцать один дополнительный всплеск излучения на еще более высоких частотах, и у всех наблюдалось одно и то же сильное фарадеевское вращение^14.

Проект Breakthrough Listen помог также и телескопу Parkes. Как я рассказывала раньше, я попала в диспетчерскую телескопа в феврале 2019 года. Чтобы добраться туда, я поднялась на пролет лестницы в круглую башню под антенной, где каждая кнопка и дверь заставляли ностальгировать по 1960-м годам. А в аппаратной уже стояли современные компьютеры, которые астрономы используют для дистанционного управления тарелкой при наблюдении пульсаров. Еще один пролет по лестнице – и я оказалась в хранилище данных. Комната была заполнена стойками накопителей с мигающими лампочками. Огромный блок жестких дисков высотой один метр и шириной 2,7 метра принадлежит Breakthrough Listen. Это сердце новейшей системы записи, превосходящей все прежние и позволяющей астрономам находить любой возможный радиосигнал в собранных за двенадцать часов данных. Бейлз, участвующий в двух проектах – и по исследованию FRB, и в Breakthrough Listen, – сделал наше с ним селфи, на котором мы улыбаемся на фоне накопителей Мильнера.

Что бы ни генерировало сигналы FRB – магнетары, инопланетяне или что-то еще, – если задаться целью локализовать их источники и собрать больше информации о них, а не только увидеть несколько FRB в разных участках неба, необходимо использовать новые технологии. Усовершенствование одиночных тарелок-ветеранов было полезным делом, но этого недостаточно. Поскольку считается, что вспышки FRB в какой-то точке Вселенной происходят ежесекундно, чтобы их зарегистрировать, нужно иметь возможность одновременно наблюдать все небо. Телескопы с одной тарелкой, такие как Parkes, GBT и Arecibo, имеют относительно небольшие поля зрения, то есть они могут рассматривать только ограниченную область неба, а это означает, что регистрация капризных всплесков FRB во многом зависит от удачи. Поэтому Мильнер обратился к телескопу MeerKAT — одному из двух предшественников Square Kilometer Array (SKA) – и включил его в проект Breakthrough Listen. Когда SKA будет построен, он будет включать примерно две тысячи высокочастотных и среднечастотных антенн и апертурных систем, а также примерно один миллион низкочастотных антенн^15. Первая антенная тарелка SKA, изготовленная и прибывшая в MeerKAT из Китая, была собрана на площадке телескопа в апреле 2019 года. Я наблюдала, как инженеры возились в электронных внутренностях ее опоры, а рядом стояла сама тарелка.

Южноафриканская антенная система и еще несколько радиотелескопов нового поколения начинают революционизировать только зарождающуюся область исследований FRB, и эта революция идет полным ходом. Две другие антенные системы недавно впервые локализовали различные единичные всплески. Одна из них, Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP), тоже предшественница SKA, расположена в Западной Австралии, а другая, антенная система Калтеха Deep Synoptic Array-10, находится в долине Оуэнс, в радиообсерватории Owens Valley Radio Observatory (OVRO) недалеко от города Биг-Пайн в Калифорнии. Кроме того, совершенно новый телескоп в Канаде – CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, “канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода”) – теперь регистрирует FRB десятками. Астрономы думают, что совсем скоро они наконец раскроют тайну источников этих всплесков. Поэтому до того, как FRB перестанут быть загадкой и станут столь же обычным делом, как, скажем, всплески гамма-излучения, я направляюсь в канадскую провинцию Британская Колумбия. Точнее, в долину Оканаган, окруженную горами, – это регион, в котором находится зона радиомолчания радиотелескопа CHIME, знаменитый также своими винами.

CHIME: регистрация FRB в канадском районе виноделия

Солнечно, но так холодно, что в отчаянии я пытаюсь натянуть на голову бейсболку поглубже. Начало октября 2019 года, и я нахожусь на довольно небольшом открытом пространстве, со всех сторон обрамленном горами. Передо мной огромная металлическая конструкция, состоящая из четырех открытых, расположенных недалеко друг от друга U-образных полуцилиндров длиной сто метров каждый, и все они утыканы тысячами антенн. Сделанный из металлической сетки, телескоп по форме напоминает хафпайп-парк для конькобежцев или сноубордистов, только огромный, размером с пять хоккейных полей. Это и есть CHIME.

Чем-то этот телескоп напомнил мне Molongo — австралийский детектор, предназначенный для регистрации сигналов от пульсаров (а в последнее время и сигналов FRB). Это две совершенно разные конструкции, но их масштаб и уникальные формы настолько необычны, что у меня в голове они автоматически начинают сравниваться. CHIME – новый цифровой радиотелескоп, который регистрирует сигналы с низкими частотами от 400 до 800 МГц. Он может сканировать чрезвычайно обширные области неба, его многочисленные антенны регистрируют радиоволны, а центральный компьютер строит составное изображение^16. Это самый большой телескоп в Канаде: его оборудование размещено на территории, площадь которой превышает шесть площадок Национальной хоккейной лиги, а его зона сбора данных охватывает площадь сто на сто метров.

Я приехала сюда из Лондона через Монреаль, где выросла, и зашла в свою канадскую альма-матер – Университет Макгилла. Там я побеседовала с астрономом Вики Каспи, которая, как я писала в главе 4, открыла совершенно новый способ хронометрирования магнетаров, адаптировав к рентгеновской астрономии известный метод хронометрирования радиопульсаров. В последнее время она много работала над FRB – фактически Пол Шольц, первым обнаруживший в архивных данных обзора PALFA повторный сигнал FRB от источника всплеска Спитлер в 2015 году, был ее аспирантом. Сама Каспи была главным ученым PALFA. За два года до этого открытия, в 2013-м, Каспи прочитала революционную статью Дэна Торнтона с коллегами, в которой подробно описывалось обнаружение четырех FRB на радиотелескопе Parkes — первая удача с момента обнаружения всплеска Лоримера. Именно та статья “по-настоящему заставила меня поверить в реальность сигналов FRB”, говорит Каспи.

Статья вдохновила ее и коллег на составление хитроумного плана, который показался им осуществимым, как только они узнали, на что способен CHIME.

CHIME – это часть Радиоастрофизической обсерватории Доминиона (DRAO), исследовательского центра, построенного в 1960-х годах и в какой-то момент принявшего участие в создании коррелятора, ключевого элемента VLA (Very Large Array в Нью-Мексико), его мозга, обеспечивающего эффективность его работы. Построенный коллективом космологов из Университета Макгилла (Монреаль), Университета Торонто, Университета Британской Колумбии (Ванкувер) и других, CHIME размещен на территории DRAO в основном потому, что там для него хватает места, а также из-за низкого уровня радиопомех в месте его локации, развитой инфраструктуры и опытных специалистов, в частности радиоинженеров, говорит Каспи. Первоначально цель нового телескопа была космологической: попытаться пролить свет на природу темной энергии, для чего требовалось очень точно измерить ускорение, с которым Вселенная расширяется. А поскольку телескоп может в любой момент одновременно видеть большую часть неба, перед ним поставили и другие задачи: изучение магнитных полей и нейтронных звезд в нашей Галактике, а также их хронометрирование. Это позволило бы обнаружить гравитационные волны от сталкивающихся сверхмассивных черных дыр.

“Когда CHIME построили, стало ясно, что это будет отличный детектор для регистрации быстрых всплесков радиоизлучения, – говорит Каспи, сидя в своем офисе в Университете Макгилла. – Я хотела узнать о нем как можно больше, поскольку собиралась написать заявку и получить грант, чтобы использовать его также и для поисков быстрых радиосигналов. Это была довольно серьезная заявка – мы просили миллионы долларов, так что мне пришлось многое про него узнать”.

Каспи создала группу, куда вошли несколько космологов, включая Мэтта Доббса, Кита Вандерлайна, Марка Халперна, Гэри Хиншоу и других. Они подали совместную заявку в Канадский фонд инноваций с просьбой о предоставлении гранта на приобретение дополнительного оборудования для CHIME, предназначенного для регистрации FRB. Руководителем проекта была Каспи. Заявку одобрили, и в 2015 году они получили 5,6 миллиона канадских долларов (которые вошли в общую стоимость строительства CHIME, составляющую около 20 миллионов долларов)17. Но Каспи не могла просто сидеть сложа руки и ждать, пока CHIME получит дополнительное оборудование, ей хотелось помочь в его строительстве. (Ровно так же Джоселин Белл в свое время взяла молоток и стала вбивать в землю деревянные столбики, чтобы ускорить строительство своей антенной матрицы.) Летом 2017 года Каспи работала на строительстве телескопа вместе с десятками других ученых, инженеров и студентов, подсоединяя разные кабели. По ее словам, электронные кабели укладывали в основном студенты и аспиранты. “В своей работе ученого я использую приборы, которые созданы для меня и, как правило, снабжены руководством пользователя, то есть всегда можно позвонить и спросить совета у эксперта, – смеется Каспи. – А здесь мы сами проложили сотни кабелей, одни в канавках, другие вдоль цилиндров”. Каждый кабель нужно было подключить, а затем очень точно затянуть соединение – не слишком свободно, потому что иначе возникают утечки, и не слишком туго, потому что иначе это испортит разъем. “Я была там, наверное, единственным человеком, который никогда раньше не слышал о динамометрических ключах!” – смеется Каспи.

Укладка кабелей на телескопе оказалась сложной задачей. В процессе пришлось отгонять от оборудования птиц и коров с соседних ферм, выпалывать под антеннами сорняки и следить за тем, чтобы дождь и снег не повредили телескоп. А еще поблизости водились медведи и гремучие змеи.

Каспи вспоминает, как в нескольких метрах от себя увидела змею, которая, впрочем, быстро уползла. “Она просто скользила по дороге, и меня поразила физика ее движения, то, как она управляет своим телом, – я никогда ничего подобного не видела”, – говорит Каспи. В то время как на улице стояло жаркое оканаганское лето, внутри помещений, где также пришлось возиться с кабелями, было довольно прохладно, поскольку электронику нужно охлаждать до низких температур. Вся электроника представляла собой сверхсложные печатные платы, изготовленные по индивидуальному заказу, разработанному Мэттом Доббсом – коллегой Каспи по Университету Макгилла. “Это был целый процесс, но я в то время слушала много музыки, и на самом деле все это вместе производило довольно расслабляющий терапевтический эффект, – говорит Каспи. – Целыми днями мы вместе с аспирантом Зигги Плёнисом занимались исключительно прокладкой и подключением кабелей. Под конец все пальцы у нас были ободраны. Но оно того стоило”.

Под впечатлением от рассказов Каспи я полетела в Ванкувер, а затем на небольшом винтовом самолете – в город Келоуна в канадской Британской Колумбии. Потом пару часов я ехала вдоль берега живописного озера Оканаган, минуя один виноградник за другим. Долина Оканаган славится своим уникальным микроклиматом – зима здесь мягче, чем в других местах Канады, а лето очень жаркое. Условия позволяют местным жителям в изобилии выращивать яблоки и виноград и делать фантастические вина. Вдоль знаменитой дороги Нарамата есть множество мест, где их можно продегустировать. “Мы – канадские Гавайи”, – гордо заявила мне официантка в популярном кафе, расположенном в соседнем по отношению к телескопу CHIME городе Пентиктон, примостившемся между озерами Оканаган и Скаха. Я остановилась там по дороге к радиотелескопу. В приблизительном переводе с оканаганского диалекта, на котором говорят представители коренного племени салиш, название “Пентиктон” означает “место, где стоит остаться навсегда”. Это название навеяно мерным течением реки Оканаган, берущей свое начало в озере, и я действительно почувствовала, что время здесь течет медленнее, а спокойствие почти осязаемо. После кафе я проехала мимо лесного – небольшого, но очень ухоженного – кладбища домашних животных, находящегося всего в нескольких минутах езды от радиотелескопа. Еще несколько поворотов, и табличка “Пожалуйста, выключите телефоны” очень ясно говорит мне, что CHIME близко.

Когда я подъехала к радиотелескопу, меня встретил астроном Том Ландекер. Это веселый, разговорчивый австралийский ученый и инженер, который переехал в Канаду около трех десятилетий назад и с тех пор работает в DRAO. Показывая кабели, уложенные командой студентов и ученых CHIME, он говорит мне, что телескоп был построен за небольшие деньги местной компанией, которая обычно строит супермаркеты, причем из тех же материалов. Мы поднимаемся по лестнице, чтобы добраться до вершины первого полуцилиндра, и я оглядываюсь. Природа здесь дикая, кажется, что вот-вот из леса выйдет медведь. Красота этого места потрясает, и создается впечатление, что этой кучке людей природа великодушно позволила поселиться на крошечном пятачке, чтобы они своими “радиоушами” слушали Вселенную.

Когда Каспи и ее сотрудники были заняты усовершенствованием радиотелескопа CHIME, превращая его в инструмент для исследования сигналов FRB, всего в двадцати километрах от DRAO жила семья молодого астрофизика по имени Райан Шеннон, который должен был на Рождество приехать домой в Британскую Колумбию. В том же 2007 году, когда Лоример переживал отказ Nature напечатать его статью, Шеннон был докторантом в Корнеллском университете, расположенном в городе Итака, штат Нью-Йорк, и там он делил кабинет не с кем иным, как с Лорой Спитлер.

Хотя в детстве Шеннон никогда не бывал в DRAO и хотя CHIME тогда еще не был построен, после того как он уехал из дома, ему пришло в голову, что близость к этому месту могла как-то повлиять на его решение заняться радиоастрономией. Мать Шеннона, по его словам, хотела, чтобы он после защиты диссертации в Корнелле в 2011 году работал поближе к дому. Но он переехал в Австралию, чтобы наблюдать пульсары, а на телескопе CHIME впервые побывал только 2 января 2019 года. Несколькими днями ранее он прогуливался на снегоступах по живописному лесу недалеко от родительского дома в Британской Колумбии и неожиданно столкнулся с парнем, с которым был знаком по Австралии и который в то время был постдоком в CHIME. “Мир тесен!” – смеется Шеннон. С этим молодым светловолосым ученым я встретилась в Технологическом университете Суинберна в Мельбурне непосредственно перед тем, как присоединиться к Мэтью Бейлзу в поездке на телескоп Parkes.

ASKAP: кластер антенных тарелок нового поколения в Западной Австралии

Райан Шеннон втянулся в исследования быстрых радиовсплесков постепенно. Вначале он, как и многие астрономы, специализирующиеся на пульсарах, считал их незаконченной главой в саге о нейтронных звездах (яркое определение, однажды услышанное мной от его коллеги по Корнеллу Шами Чаттерджи). И вот постепенно Шеннон и другие исследователи из CSIRO и Университета Кёртина в Австралии поняли, что прямо у них во дворе строится инструмент, который идеален для изучения FRB: ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder).

Так же как CHIME и MeerKAT, ASKAP изначально не предназначался для исследования FRB. Он был задуман до того, как Дункан Лоример обнаружил самый первый всплеск, строительство его началось в 2010 году. Основной задачей радиотелескопа ASKAP всегда оставалось изучение формирования галактик с помощью наблюдения внегалактического водорода, исследование эволюции галактик и галактических магнитных полей и, что особенно важно, получение информации об источниках непостоянных радиосигналов (радиотранзиентов) – не только пульсарах, но и источниках любых других неожиданных радиосигналов, вспыхивающих то тут, то там в небе, например FRB^18.

“К сожалению, в первое десятилетие, пока мы не осознали, что эти объекты существуют, мы пропустили почти все FRB”, – говорит Шеннон.

Примерно к 2015 году, когда стали регистрировать все больше и больше всплесков, у Шеннона и его коллег по сообществу CRAFT (Commensal Real-time ASKAP Fast Transients, “совместный проект на телескопе ASKAP по наблюдению в реальном масштабе времени быстрых транзиентов”) появилась идея. Им пришло в голову, что для регистрации загадочных сверхкоротких радиовспышек не нужна такая гигантская тарелка, как Parkes, – гораздо полезнее будет радиотелескоп с более широким полем зрения. Так родилась идея создания системы детектирования быстрых радиовсплесков на базе ASKAP. “CRAFT стал центром, в котором эти усилия сосредоточились, – говорит коллега Шеннона из Суинберна астрофизик Адам Деллер. – Сообщество пришло к выводу, что если ярких FRB относительно много, а ASKAP обладает невероятно широким полем зрения, то достаточно яркие сигналы FRB можно будет увидеть, даже если радиотелескоп еще не полностью введен в эксплуатацию”. Итак, сообщество CRAFT, членами которого являются австралийские и международные университеты и CSIRO, поставило перед собой задачу выстроить систему регистрации быстрых радиовсплесков для ASKAP. Монтаж антенной системы, включающей в себя тридцать шесть антенн по двенадцать метров в поперечнике каждая, был окончательно завершен в 2019 году, но первые FRB были обнаружены на телескопе ASKAP задолго до этого.

Не так много астрономов приезжает на ASKAP – он специально приспособлен для удаленной работы. Большое количество антенных тарелок, составляющих антенную систему и рассыпанных по почти безлюдной местности Шир-Мер-чисон в Западной Австралии, неизменно вызывает любопытство у немногочисленного коренного населения – народа ваджарри яматджи, который является законным владельцем этой земли. В рамках просветительской программы Шеннон однажды приехал к местным жителям, рассказал о телескопе и объяснил предназначение телескопа и исследований, для которых он используется. “Я думаю, они очень довольны тем, что мы тут”, – говорит он, добавив, что протестов против строительства радиотелескопа, подобных протестам на Гавайях против планов строительства телескопа на священной горе Кау, не было. “Ясно, что людям легче объяснять работу оптических телескопов, чем радиотелескопов, поскольку там вы можете увидеть картину неба своими глазами”, – добавляет Шеннон. Но местные жители тем не менее очень заинтересовались. Каждую из тридцати шести антенн они назвали своим именем, например Бундарра (звезды), Вилара (Луна) и Джирдилунгу (Млечный Путь).

Чтобы добраться туда, Шеннону пришлось лететь в Перт, а затем на небольшом самолете – в Мерчисон. Оттуда – сто пятьдесят километров до места – он летел на крохотном одновинтовом самолете (чтобы избежать пятичасовой поездки по грунтовым дорогам). “Особенно не рекомендуется ехать на машине под дождем, – смеется он, – потому что тогда все дороги покрываются грязью”.

Хотя телескопы MeerKAT и ASKAP являются предшественниками SKA и оба могут ловить сигналы FRB, технологически они устроены совершенно по-разному, что позволяет регистрировать FRB, обладающие разными характеристиками. Оба эти телескопа, как и старые телескопы Parkes и Arecibo, обозревают южную часть неба, и их расположение в Южном полушарии является более выигрышным для наблюдения центра Млечного Пути, чем если бы они располагались в Северном полушарии. Тарелки MeerKAT оснащены гораздо более чувствительными приемниками, способными обнаруживать удаленные объекты, тогда как ASKAP менее чувствителен, но зато имеет гораздо более широкое поле зрения. Это означает, что астрономы могут наблюдать гораздо больший участок неба, что позволяет им детальнее разглядывать более близкие объекты и их окружение.

Каждая антенна ASKAP оснащена системой, называемой фазированной антенной решеткой, технология которой в каком-то смысле похожа на технологию, позволяющую нам делать снимки камерой. Большинство радиотелескопов, имеющих в своем распоряжении одну тарелку, обычно являются однопиксельными, а вот Parkes благодаря установленному в его фокальной плоскости многолучевому (матричному) приемнику является тринадцатипиксельным. Все тарелки ASKAP, работая вместе, формируют виртуальный тридцатишестипиксельный телескоп, что подразумевает значительное улучшение поля зрения.

Чтобы поймать сигнал FRB, нужно, чтобы тарелки смотрели в разных направлениях, примерно так устроен глаз мухи. Это объясняет, почему, хотя строительство ASKAP еще не было закончено и задействовано было всего десять тарелок, астрономы уже поймали двадцать сигналов FRB^19. Это очень хороший результат, смеется Шеннон, “учитывая, что в предыдущем десятилетии ученые зарегистрировали всего двадцать семь FRB”.

Помимо регистрации быстрых радиовсплесков с помощью антенных решеток, сотрудники ASKAP применили некую новейшую методику для регистрации источников всплесков, включая единичные. Команда предложила повернуть тарелки в одном направлении так, чтобы все они смотрели на одну и ту же область неба, и ждать вспышки FRB. Заставить все тридцать шесть антенн работать синхронно очень сложно технически. Но при такой конфигурации телескоп становится радиоинтерферометром, похожим на MeerKAT, и в таком режиме можно получать очень четкие изображения выбранных космических объектов. Идея состоит в том, что, как только вспышка FRB действительно произойдет, нужно в течение миллисекунды наблюдать ту часть неба, где произошла вспышка, и в течение этой миллисекунды заснять изображение места, откуда этот всплеск пришел, причем в реальном времени^20. “Тогда вы бы увидели только вспышку и ничего больше, потому что вспышка затмевает все остальное”, – говорит Шеннон. Но искать FRB постоянно с помощью интерферометрии невозможно – вычислительная нагрузка была бы слишком большой. Поэтому, по словам вступившего в разговор Деллера, исследователи придумали хитрый трюк, заключавшийся в том, чтобы искать FRB так же, как высматривают добычу глаза мухи, но уже после сложения сигналов со всех тарелок, когда чувствительность антенной системы увеличена за счет того, что все тарелки направлены на один и тот же участок неба. Если ASKAP обнаруживает сигнал FRB, в течение примерно секундного интервала с телескопов запускается выгрузка необработанных данных для выполнения интерферометрических измерений и построения изображений в автономном режиме, и в этом случае процесс может идти медленнее, чем в реальном времени.

Утром 25 сентября 2018 года Шеннон и его коллега Адам Деллер просматривали результаты наблюдений за прошедшую ночь. И когда они увидели, что все антенны уверенно зарегистрировали быстрый радиовсплеск, они обрадовались. Затем они попытались определить его местонахождение, для чего Деллер взял исходные, сырые данные, обработал их и получил изображение. По словам Деллера, технически это было очень сложно, ведь “просто заметить быстрый радиовсплеск не так трудно, а вот для получения изображения, позволяющего определить, откуда он появился, требуется множество дополнительных калибровок”. Сигналы от всех тарелок должны быть точно упорядочены по времени, причем с субнаносекундной точностью, а для построения изображения нужно еще и провести их цифровую обработку. Процесс сбора всех данных и расчета корреляций занял у Деллера два дня, но в конце концов ему удалось построить изображение на экране компьютера, которое представляло собой карту с меткой, указывающей, откуда пришел FRB. “И мы воскликнули что-то вроде: «Боже, там есть галактика!» Это был действительно очень волнующий момент”, – улыбается Деллер.

Удивительно, но команда обнаружила, что родительская галактика источника всплеска находится примерно в четырех миллиардах световых лет от нас и сильно отличается от той, откуда посылает свои всплески репитер. “Эта галактика крупнее, и там меньше звездообразования, – говорит Шеннон. – В ней гораздо больше старых звезд”. Кроме того, похоже, что, в то время как репитер находится в очень плотной и довольно сильно намагниченной плазме, в соответствии с теорией, согласно которой магнетары находятся внутри плотных намагниченных остатков сверхновой, среда, в которой произошла однократная локализованная вспышка, совсем другая. Мы также знаем, что первый репитер соответствовал очень яркому радиоисточнику, при этом не будем забывать, насколько далеко от нас он находился. “В случае зарегистрированного нами источника всплеска мы ничего такого не видим, – говорит Шеннон. – Так имеют ли вообще эти объекты что-то общее друг с другом?”

На той же неделе в августе 2019 года, когда была опубликована статья Шеннона о локализации единичного всплеска, вышла еще одна статья, написанная командой радиообсерватории OVRO Калифорнийского технологического института, расположенной в горах Сьерра-Невада. Калтеховские астрономы, используя десять антенн по четыре с половиной метра в поперечнике, образующих антенную систему Deep Synoptic Array-10 (предшественницу будущей антенной системы Deep Synoptic Array со ста десятью антеннами), определили положение источника FRB, чья родительская галактика находится на расстоянии 7,9 миллиарда световых лет от нас. Этот единичный всплеск также произошел в галактике с очень слабым звездообразованием^21.

Шеннон считает, что события, вызвавшие эти две вспышки, могли произойти с быстро эволюционирующей двойной системой, например, это могло быть слияние белых карликов или нейтронных звезд. Может оказаться, что все повторяющиеся всплески генерируются молодыми магнетарами, а единичные возникают при слияниях или еще каких-то катастрофах. Как что-то может породить такой мощный радиовсплеск, на много порядков превышающий все то, что мы находим в нашем Млечном Пути? “Пульсары – удивительные объекты. А эти штуки еще в миллиард раз удивительнее”, – взволнованно говорит Шеннон.

Теперь и на родине Шеннона, в Канаде, телескоп CHIME ловит FRB десятками. В январе 2019 года команда CHIME сообщила об обнаружении шести повторяющихся всплесков от FRB 180814. J0422 + 73, и это был второй зарегистрированный репитер после всплеска Спитлер и один из тринадцати FRB, обнаруженных CHIME на этапе проведения пусконаладочных работ в июле и августе 2018 года^22.

Позже в том же году, когда был завершен монтаж канадского телескопа, астрономы зарегистрировали еще семнадцать всплесков: про восемь они сообщили в августе и еще про девять – в январе 2020 года^23. Второй репитер астрономы локализовали в октябре 2019 года – его родительская галактика очень похожа на наш Млечный Путь, но совершенно не похожа на галактику, в которой живет источник первых повторяющихся всплесков. К тому времени, когда эта книга выйдет в свет, будет обнаружено еще много всплесков FRB – благодаря работе CHIME, ASKAP, Parkes и других телескопов, охотящихся за FRB по всему миру, ведь теперь астрономы гораздо лучше понимают, что они ищут[34].

Медленно, но верно эта незаконченная глава о тайнах происхождения быстрых радиовсплесков, кажется, приближается к финишу. Что касается теории SETI, то гипотеза Лоэба об отправляемых инопланетянами сигналах FRB, по словам Лоримера, не противоречит фундаментальным законам – энергетический баланс согласуется с наблюдениями. Он лично предпочитает находить природным явлениям в космосе простейшее объяснение, но считает, что теории, выглядящие научными, не должны отбрасываться, пока они не будут опровергнуты с помощью наблюдений. Окончательный ответ может появиться в ближайшее время. Астрономы уверены, что они найдут объяснение происхождению этих завораживающих радиовсплесков в небе в ближайшем будущем – а пока большинство делают ставки на нейтронные звезды.

Эпилог

“Мы сделаны из звездного вещества”. Эту ставшую знаменитой фразу однажды произнес Карл Саган. Более того, как я узнала за последние несколько лет, немалая часть окружающего нас мира тоже состоит из того же вещества, что и нейтронные звезды. А для образования большинства тяжелых элементов, таких как серебро, золото, платина и многие другие, требовалась энергия и особые условия, которые могли возникнуть только при столкновении двух нейтронных звезд.

Регистрация гравитационных волн, образованных при столкновении двух далеких от нас нейтронных звезд, оказалась одним из важнейших научных достижений последнего десятилетия. Для решения этой задачи объединились ученые, работающие в самых разных областях физики, и это стало поворотным моментом в новом подходе к исследованиям в области астрофизики. Так возникла многоканальная астрономия. Полученный результат, состоящий в измерении и распознавании гравитационных волн, а также возможности наблюдения и локализации произошедших очень давно, на расстоянии миллионов световых лет от нас, катастрофических событий, гораздо важнее, чем просто обнаружение ряби в ткани пространства-времени, доказывающее правоту теории Эйнштейна. Эти прорывные открытия снабдили ученых дополнительными “органами чувств” для восприятия Вселенной и открыли новое поле для захватывающих исследований, которые могут помочь нам понять природу многих явлений, все еще остающихся для нас загадкой. И наконец, ученые приблизились к тому, чтобы сконструировать инструменты, необходимые для изучения внутреннего строения нейтронных звезд, которое, несмотря на десятилетние исследования, по-прежнему остается одной из самых больших тайн космоса. Понимание того, как устроены нейтронные звезды, не только позволит нам выяснить, что заставляет эти сверхплотные объекты выживать, но еще и даст нам представление о фундаментальных принципах функционирования Вселенной.

Именно то, что на наших глазах с невероятной скоростью раскрывается тайна нейтронных звезд и их роли в космосе, заворожила меня и заставила объездить весь мир. Я познакомилась с учеными, работающими на самом переднем крае физики, благодаря которым мы – обычные люди – можем понять, как живет и развивается наша Вселенная. Эта книга – дань уважения всем ученым и мыслителям, астрономам, космологам, астрофизикам, физикам-ядерщикам и специалистам по физике элементарных частиц, а также исследователям, занятым изучением гравитационных волн, – всем тем, кто изучает различные загадочные свойства нейтронных звезд. Тем, кто из года в год неустанно регистрирует время прихода радиоимпульсов от пульсаров, рассеянных по небу. Их точные вычисления и разработанные ими прорывные технологии позволили нам чрезвычайно точно измерить массы этих далеких объектов и расстояние до них, и это невероятные достижения. Это также дань уважения инженерам, создающим новое поколение ультрасовременных телескопов и детекторов для регистрации электромагнитных волн и космических частиц всех сортов. К этим удивительным инструментам относятся радиообсерватория Square Kilometer Array (SKA), строящийся Центр по исследованию антипротонов и ионов (FAIR) – ускоритель, с помощью которого будут изучать условия во внутреннем ядре нейтронной звезды, а также лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) – космический детектор низкочастотных гравитационных волн, который должен быть запущен в космос в 2034 году и который вместе с антенными системами для хронометрирования пульсаров сможет рассказать нам, действительно ли сверхмассивные черные дыры в центре галактик сливаются. В течение следующего десятилетия или чуть позже эти инструменты будут введены в эксплуатацию, и тогда наше понимание устройства космоса радикально изменится.

Наша Вселенная усыпана мертвыми звездами, у которых закончилось топливо и которые или умерли тихой смертью и стали белыми карликами, или исчезли, запустив напоследок мощный фейерверк, ничего не оставив после себя, кроме черной дыры, окруженной горячими облаками из газа и пыли. Но помимо них во Вселенной существуют еще космические зомби – нейтронные звезды. Сверхплотные, в одном-двух шагах от превращения в черную дыру, они живут посмертной жизнью: излучают радиоволны, гамма-лучи, рентгеновские лучи и, возможно, посылают загадочные быстрые радиовсплески. Некоторые нейтронные звезды к настоящему времени стали невидимками, прячущимися в глубинах космоса, где их невозможно обнаружить, другие вращаются с невообразимой скоростью, постоянно подпитываясь потоком вещества от своих верных спутников по двойной системе.

Это отнюдь не конец нашего путешествия в мир научных открытий. Раскрывая все новые и новые секреты нейтронных звезд, мы продолжаем постигать самые глубокие тайны нашей Вселенной. И есть еще много того, что нам предстоит открыть.

Благодарности

Эта книга посвящается моим сыновьям Тиму и Гаю. Я очень надеюсь, что, когда вы прочтете ее, наш загадочный мир заинтересует вас и вам захочется распутать эту удивительную, таинственную паутину, за которой скрываются секреты Вселенной.

Кроме того, я посвящаю эту книгу Фрицу Цвикки. Если бы не его гениальность, мы, возможно, никогда бы не обнаружили удивительную связь между крошечными нейтронами и поражающими воображение облаками в глубоком космосе – взрывами сверхновых, символизирующими конец существования массивных звезд. Из них образуются эти невероятные, сверхплотные вращающиеся шары, которые называют нейтронными звездами.

Хочу от всей души поблагодарить ученых, а их было очень много, с которыми я встречалась во время своих поездок, и тех, кто нашел время прочесть рукопись этой книги до ее публикации. Это, в частности, Кейт Александер, Вилл Арментроут, Энн Арчибальд, Дэвид Бакли, Мэтью Бейлз, Гордон Бейм, Эдо Бергер, Джоселин Белл Бернелл, Славко Богданов, Марика Бранчези, Рене Бретон, Александр Вольщан, Алан Вон, Адам Деллер, Фернандо Камило, Виктория Каспи, Ставрос Кацаневас, Джеймс Корд, Майкл Крамер, Хриса Кувелиоту, Эндрю Лайн, Том Ландекер, Тим Линден, Райан Линч, Ави Лоэб, Малкольм Лонгейр, Дункан Лоример, Дик Манчестер, Самая Ниссанке, Скотт Рэнсом, Джоселин Рид, Аниш Роши, Джон Саркисян, Трейси Слейтер, Мигель Зумалакарреги, Чиа Мин Тан, Крис Томпсон, Анна Уоттс, Джейсон Хесселс, Анна Хо, Джордж Хоббс, Дэниел Хупер, Шами Чаттерджи, Катерина Хациоанну, Райан Шеннон, Рональд Экерс, Ханс-Томас Янка, Офер Ярон и многие другие.

Я хочу сказать спасибо всем, кто помогал мне, включая Ангуса Флауэрса, который отвез меня к радиоинтерферометру Square Kilometer Array в Южной Африке и помог организовать необходимые интервью, Фрэнка Нюйенса, представителя по связям с общественностью института ASTRON в Нидерландах, который сопровождал меня в поездке по болотистым полям к месту расположения LOFAR, Роба Холлоу из CSIRO, который помог мне с интервью в Австралии, Натали Баттерфилд из NRAO, которая сопровождала меня в поездке к радиотелескопу Green Bank, и многих других.

Я хотела бы поблагодарить моего мужа Тима Вебера, а также бывшего коллегу по WIRED UK Мэтта Рейнольдса. Они помогли мне отредактировать черновой вариант рукописи. А еще спасибо Джеффу Дину, бывшему редактору Harvard University Press, который спросил, хочу ли я вообще написать такую книгу, моему редактору Джеймсу Брандту и выпускающему редактору Джули Карлсон за их важные, глубокие замечания в процессе редактирования и всем остальным, кто помогал мне в подготовке этой книги и во время поездок.

Я была очень рада, встретив во время своих поездок так много талантливых женщин: астрономов, астрофизиков, исследователей гравитационных волн. Мы привыкли к тому, что в таких областях, как астрономия и физика, доминируют мужчины. До паритета еще далеко, но все больше и больше потрясающих женщин занимаются исследованием космоса. Я сама женщина-физик и горжусь героинями этой книги.

Хочется поименно отметить некоторых выдающихся женщин-ученых. Вера Рубин, выследившая темную материю; охотница за инопланетянами Джилл Тартер (она была прообразом главной героини снятого на телескопе Arecibo в Пуэрто-Рико фильма “Контакт”, которую играла Джоди Фостер); охотница за кометами Кэролин Шумейкер; жившая на два века раньше Каролина Гершель; Кэролин Порко, один из ведущих мировых ученых, занимающихся изучением колец планет; Маргарет Геллер, изучающая строение галактик и распределение в них темной материи. И конечно, все замечательные астрономы, занимающиеся изучением пульсаров, с которыми я встречалась во время своих поездок или интервьюировала по телефону. Это Кейт Александер, Энн Арчибальд, Джоселин Белл Бернелл, Марика Бранчези, Виктория Каспи, Санкфул Кромарти, Хриса Кувелиоту, Самая Ниссанке, Джоселин Рид, Трейси Слейтер, Рене Спивак, Анна Уоттс, Анна Хо, Катерина Хациоанну и многие, многие другие.

Кроме того, есть еще все эти удивительные, бесстрашные женщины-космонавты. Первой была советский космонавт Валентина Терешкова, полетевшая в космос в 1963 году; Салли Райд стала первой американкой, полетевшей в космос; Мэй Джемисон – первая женщина-космонавт – афроамериканка. Но в моей жизни особенно важную роль (о чем я помню всегда) сыграла Жюли Пейетт – вторая канадская женщина, летавшая в космос, которая затем стала генерал-губернатором Канады. В конце девяностых я была еще подростком: носила мешковатые джинсы, смотрела “Беверли-Хиллз, 90210” и слушала Майкла Джексона. Как-то на стене нашей школы, колледжа Монт-Сент-Луис на севере Монреаля, я увидела портрет Жюли Пейетт. Узнав, что она тоже училась в этой школе и что вот-вот, 27 мая 1999 года, как раз когда я буду оканчивать школу, она полетит в космос, я неожиданно поняла, что тоже хочу быть космонавтом. Поэтому я решила написать ей письмо (настоящее письмо, электронных тогда еще не было!) и попросить совета: какие предметы следует для этого изучать в университете. Я не думала, что Жюли Пейетт мне ответит, но она прислала открытку – рождественскую открытку с виртуальной рождественской елкой на Международной космической станции. Я до сих пор отношу эту открытку к наиболее ценным своим сокровищам.

Она писала: “Я очень ценю твое письмо и твое желание стать космонавтом. В твоем возрасте я тоже мечтала об этом. Самое важное: выбрать область науки, которая тебе нравится, и проявить себя – добиться максимально хороших результатов. А затем тебе просто надо будет подать заявление в Канадское космическое агентство, когда объявят следующий набор. Немного усилий и дисциплины – и однажды весь мир будет у твоих ног”.

Хотя я и не стала космонавтом (частично из-за того, что у меня недостаточно хорошее зрение, чтобы управлять реактивным самолетом), я пошла по ее стопам и поступила на инженерный факультет, а потом стала астрофизиком. Но больше всего я благодарна ей за то, что влюбилась в космос – навсегда. Спасибо тебе, Жюли.

Я надеюсь, дорогие читатели, что вы любите космос так же, как я, и что вам понравилось путешествовать со мной по всему миру и за его пределы, далеко вглубь Вселенной. И еще я надеюсь, что эта книга подвигнет молодых людей, прочитавших ее, уйти с головой в выбранную для себя область науки. Потому что нам нужны люди, которые не останавливаются и движутся вперед.

А особенно нам нужны люди, которые время от времени хотят поднять глаза и посмотреть вверх.

Список литературы

Во многих местах, где цитата или авторский текст не сопровождается ссылкой, источник сведений – интервью, которое автор взяла лично, по телефону или по электронной почте.

Глава 1. Столкновение, которое сотрясло космос

1 B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs. Physical Review X. 9, no. 3 (Sept. 4, 2019): 031040.

2 B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Physical Review Letters. 119 (Oct. 16, 2017): 161101.

3 E. Hamilton. What Is Multi-Messenger Astronomy? UW News. https://news.wisc.edu/what-is-multi-messenger-astronomy/

4 LIGO Congratulates IceCube on Multi-messenger Astronomy Success. News release, LIGO Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, July 16, 2018. www.ligo.caltech.edu/WA/news/ligo20180716

5 B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star \Merger. Astrophysical Journal Letters. 848, no. 2 (Oct. 16, 2017): L12.

6 J. Kluger. Marica Branchesi. Time 100: The Most Influential People of 2018, April 30 – May 7, 2018. https://time.com/collection/most-influential-people-2018/5238152/marica-branchesi/

7 Neutron Stars. Imagine the Universe! NASA, Goddard Space Flight Center, March 2017. https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/neutron_stars1.html

8 R. N. Manchester. Millisecond Pulsars, Their Evolution and Applications. Journal of Astrophysics and Astronomy. 38 (Sept. 2017): 42.

9 C. Skelly. NASA Continues to Study Pulsars, 50 Years after Their Chance Discovery. NASA, Aug. 1, 2017. www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasa-continues-to-study-pulsars-50‑years-after-their-chance-discovery

10 B. P. Abbott et al. GW170817.

11 Astronomers See Light Show Associated with Gravitational Waves. News release 2017–30, Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics, Oct. 16, 2017.

12 S. Perkins. Neutron Star Mergers May Create Much of the Universe’s Gold. Science News, Mar. 20, 2018. www.science.org/content/article/neutron-star-mergers-may-create-much-universe-s-gold

13 Isaac Newton’s Apple Tree. Department of Physics, University of York. www.york.ac.uk/physics-engineering-technology/about/newtonsapple-tree/

14 T. Davis et al. Understanding Gravity – Warps and Ripples in Space and Time. Australian Academy of Science. www.science.org.au/curious/space-time/gravity

15 Gravity Investigated with a Binary Pulsar. Press release, Royal Swedish Academy of Sciences, Oct. 13, 1993. www.nobelprize.org/prizes/physics/1993/press-release/

16 Timeline. LIGO website. www.ligo.caltech.edu/page/timeline

17 H. Johnston. Virgo Bags Its First Gravitational Waves. Sept. 27, 2017. https://physicsworld.com/a/virgo-bags-its-first-gravitational-waves/

18 Virgo in a Nutshell. Virgo website. http://public.virgo-gw.eu/virgoin-a-nutshell/

19 Memorandum of Understanding between VIRGO on One Side and the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) on the Other Side. Mar. 20, 2014. https://dcc.ligo.org/LIGO-M060038/public

20 J. Chu. LIGO and Virgo Make First Detection of Gravitational Waves Produced by Colliding Neutron Stars. MIT News Office, Oct. 16, 2017. https://news.mit.edu/2017/ligo-virgo-first-detection-gravitational-waves-colliding-neutron-stars-1016

21 B. P. Abbott et al. GW170817.

22 R. C. Essick. LIGO / Virgo G298048: Fermi GBM Trigger 524666471 / 170817529: LIGO / Virgo Identification of a Possible Gravitational-Wave Counterpart. GCN Circular, Aug. 17, 2017. https://gcn.gsfc.nasa.gov/other/G298048.gcn3

23 First Ever Optical Photons from a Gravitational Wave Source. GW170817 / SSS17a, UCSC News. https://ziggy.ucolick.org/sss17a

24 Team. GRAWITA, Gravitational Waves at INAF. www.grawita.inaf.it/team-2

25 C. Day. Bursts from the Cold War. Physics Today, Aug. 6, 2013. https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.5.010233/full/

26 J. Chu. LIGO and Virgo Make First Detection.

Глава 2. Открытие нейтронных звезд… и маленькие зеленые человечки?

1 J. Bell Burnell. Pliers, Pulsars, and Extreme Physics. Astronomy & Geophysics. 45, no. 1 (Feb. 1, 2004): 1.7–1.11.

2 S. Devons. Rutherford’s Laboratory. Department of Physics, The Cavendish Laboratory, University of Cambridge. www.phy.cam.ac.uk/history/years/rutherford

3 1963: Maarten Schmidt Discovers Quasars. Carnegie Institution for Science. https://cosmology.carnegiescience.edu/timeline/1963.html

4 A. G. Levine. Holmdel Horn Antenna. The Large Horn Antenna and the Discovery of Cosmic Microwave Background Radiation. APSPhysics (2009). www.aps.org/programs/honors/history/historicsites/penziaswilson.cfm

5 L. Badash. Ernest Rutherford, British Physicist. Encyclopedia Britannica, Aug. 26, 2019.

6 James Chadwick. Biographical. The Nobel Prize, Dec. 9, 2019. www.nobelprize.org/prizes/physics/1935/chadwick/biographical/

7 A. S. Burrows. Baade and Zwicky: ‘Super-novae’, Neutron Stars, and Cosmic Rays. PNAS. 112, no. 5 (Feb. 3, 2015): 1241–1242.

8 W. Clavin. Zwicky Transient Facility Opens Its Eyes to the Volatile Cosmos. California Institute of Technology, Nov. 14, 2017. www.caltech.edu/about/news/zwicky-transient-facility-opens-its-eyesvolatile-cosmos-80369

9 A. S. Burrows. Baade and Zwicky.

10 J. R. Oppenheimer, G. M. Volkoff. On Massive Neutron Cores. Physical Review. 55, no. 4 (1939): 374–381.

11 V. Trimble. Oppenheimer, J. Robert. The Biographical Encyclopedia of Astronomers, 2007. https://doi.org/10.1007/978‑0‑387‑30400‑7_1037

12 J. Sarkissian. Parkes and 3C273: The Identification of the First Quasar. CSIRO. www.parkes.atnf.csiro.au/people/sar049/3C273/

13 1963: Maarten Schmidt Discovers Quasars.

14 J. L. Linsky et al. The Origin of Radio Scintillation in the Local Interstellar Medium. Astrophysical Journal. 675, no. 1 (2008).

15 J. Bell Burnell. Pliers, Pulsars, and Extreme Physics.

16 M. Longair. A Brief History of Radio Astronomy in Cambridge. Cavendish Astrophysics, University of Cambridge, 2016. www.astro.phy.cam.ac.uk/about/history

17 J. Bell Burnell. Pliers, Pulsars, and Extreme Physics.

18 Там же.

19 K. Kellermann, B. Sheets. Serendipitous Discoveries in Radio Astronomy. Proceedings of a Workshop Held at the National Radio Astronomy Observatory GreenBank, West Virginia (May 4–6, 1983): 160–170. https://library.nrao.edu/public/collection/02000000000280.pdf

20 Там же.

21 J. Bell Burnell. Pliers, Pulsars, and Extreme Physics.

22 K. Kellermann, B. Sheets. Serendipitous Discoveries.

23 Там же.

24 Там же.

25 A. Hewish et al. Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source. Nature. 217, no. 5130 (Feb. 1968).

26 Anthony Michaelis. Telegraph, Mar. 28, 2008. www.telegraph.co.uk/news/obituaries/1583056/Anthony-Michaelis.html

27 T. Gold. The Origin of Cosmic Radio Noise. Proceedings of Conference on Dynamics of Ionized Media, University College, London, 1951; F. Pacini. Energy Emission from a Neutron Star. Nature. 216 (1967): 567–568.

28 T. Gold. Taking the Back off the Watch. Berlin: Springer-Verlag, 2012.

29 Nature’s Astronomical Highlights. Nature Astronomy (Jan. 2, 2017). www.nature.com/collections/fmnhltzzlj/pulsars

30 R. N. Manchester. Pulsars at Parkes. CSIRO Astronomy and Space Science, Australia Telescope National Facility, Nov. 4, 2011. www.atnf.csiro.au/research/conferences/Parkes50th/ProcPapers/manchester.pdf

31 About Parkes Radio Telescope. CSIRO, Apr. 26, 2019. www.csiro.au/en/about/facilities-collections/atnf/parkes-radio-telescope

32 Tim O’Brien. Observations of Pulsars. Сourse website for Frontiers of Modern Astronomy, Jodrell Bank Observatory, University of Manchester. www.jb.man.ac.uk/distance/frontiers/pulsars/section4.html

33 The Voyage to Interstellar Space. NASA, Mar. 27, 2019. www.nasa.gov/feature/goddard/2019/the-voyage-to-interstellar-space

Глава 3. Когда взрываются звезды

1 A. Azua-Bustos. Unprecedented Rains Decimate Surface Microbial Communities in the Hyperarid Core of the Atacama Desert. Nature Scientific Reports. 8, no. 16706 (Nov. 12, 2018).

2 Very Large Telescope: The World’s Most Advanced Visible-Light Astronomical Observatory. European Southern Observatory. www.eso.org/public/teles-instr/paranal-observatory/vlt/

3 ALMA: In Search of Our Cosmic Origins. European Southern Observatory. www.eso.org/public/unitedkingdom/teles-instr/alma

4 A. S. Eddington. The Internal Constitution of the Stars. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1926; R. H. Fowler. On Dense Matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 87, no. 2 (Dec. 10, 1926). https://doi.org/10.1093/mnras/87.2.114

5 K. Thorne. Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. New York: Norton, 1995. [К. Торн. Черные дыры и складки времени. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.]

6 Discovers Neutron, Embryonic Matter. New York Times, Feb. 28, 1932. www.nytimes.com/1932/02/28/archives/discovers-neutron-embryonic-matter-dr-james-chadwick-describes-it.html

7 W. Baade, F. Zwicky. Cosmic Rays from Super-Novae. PNAS. 20, no. 5 (May 1, 1934): 259–263.

8 A. S. Burrows. Baade and Zwicky.

9 D. G. Yakovlev et al. Lev Landau and the Concept of Neutron Stars. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 56, no. 3 (2013). [Д. Г. Яковлев и др. Л. Д. Ландау и концепция нейтронных звезд. УФН. Т. 183, стр. 307 (2013).]

10 H. T. Cromartie et al. Relativistic Shapiro Delay Measurements of an Extremely Massive Millisecond Pulsar. Nature Astronomy. 4 (2020): 72–76. www.nature.com/articles/s41550‑019‑0880‑2

11 J. de Swart. Deciphering Dark Matter: The Remarkable Life of Fritz Zwicky. Nature, Sept. 3, 2019. www.nature.com/articles/d41586‑019‑02603‑7

12 A Surprise from the Pulsar in the Crab Nebula. News release, European Southern Observatory, Nov. 20, 1995. www.eso.org/public/news/eso9532

13 How Many Stars Are There in the Universe? European Space Agency. www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Herschel/How_many_stars_are_there_in_the_Universe

14 The Dawn of a New Era for Supernova 1987A. Hubblesite, NASA, Feb. 24, 2017. https://hubblesite.org/contents/news-releases/2017/news-2017–08.html

15 Там же.

16 O. Yaron et al. Confined Dense Circumstellar Material Surrounding a Regular Type II Supernova. Nature Physics. 13 (Feb. 13, 2017): 510–517.

17 A. Morris. Birth of a Black Hole or Neutron Star Captured for First Time. News release, Northwestern University, Jan. 10, 2019. https://news.northwestern.edu/stories/2019/01/birth-of-a-black-hole-orneutron-star-captured-for-first-time/

18 Stellar Evolution – The Birth, Life, and Death of a Star. NASA, Sept. 4, 2003. www.nasa.gov/audience/forstudents/9–12/features/stellar_evol_feat_912.html

Глава 4. Зомби и звездотрясения

1 ASTRON (Netherlands Institute for Radio Astronomy). LOFAR. www.astron.nl/telescopes/lofar/

2 Restoration Dwingeloo Radio Telescope Kicks Off. News release, ASTRON (Netherlands Institute for Radio Astronomy), Apr. 27, 2012. www.astron.nl/news-and-events/news/restoration-dwingelooradio-telescope-kicks

3 ASTRON. LOFAR.

4 Там же.

5 P. Ghosh. Rotation and Accretion Powered Pulsars. Vol. 10. Hackensack, NJ: World Scientific, 2007.

6 W. Becker, G. Pavlov. Pulsars and Isolated Neutron Stars. ArXiv pre-print service, Aug. 19, 2002. https://arxiv.org/pdf/astroph/0208356.pdf

7 R. N. Manchester. Millisecond Pulsars.

8 M. Matsuoka, K. Asai. Simplified Picture of Low-Mass X-Ray Binaries Based on Data from Aquila X-1 and 4U 1608–52. Publications of the Astronomical Society of Japan. 65, no. 2 (Apr. 25, 2013): 26.

9 Там же.

10 F. Reddy. With a Deadly Embrace, ‘Spidery’ Pulsars Consume Their Mates. Goddard Space Flight Center, NASA, Aug. 7, 2017. www.nasa.gov/content/goddard/with-a-deadly-embrace-spidery-pulsars-consume-their-mates/

11 A. Archibald. The End of Accretion: The X-Ray Binary / Millisecond Pulsar Transition Object PSR J1023 + 0038. APS Physics. (Apr. 2015).

12 Unique Double Pulsar Tests Einstein’s Theory. News release, Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester. www. jb.man.ac.uk/doublepulsar/news/press3.html

13 C. Kouveliotou et al. Magnetars. Scientific American. 288, no. 2 (Feb. 2003).

14 F. P. Gavriil et al. Magnetar-like X-ray Bursts from an Anomalous X-ray Pulsar. Nature. 419 (2002): 142–144.

15 V. M. Kaspi et al. A Major Soft Gamma Repeater-like Outburst and Rotation Glitch in the No-Longer-so-Anomalous X-ray Pulsar 1E 2259 + 586. Astrophysical Journal Letters. 588, no. 2 (Apr. 11, 2003).

16 Multibeam Receiver Description. CSIRO. www.atnf.csiro.au/research/multibeam/instrument/description.html

17 D. A. Swartz et al. The Ultraluminous X-ray Source Population from the Chandra Archive of Galaxies. Astrophysical Journal. Suppl., ser. 154, no. 2 (2004).

18 Doppler Shift. Imagine the Universe! NASA, Goddard Space Flight Center, May 5, 2016. https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/spectrum/doppler_more.html

19 American Institute of Physics online history archive. World Fame I. https://history.aip.org/history/exhibits/einstein/fame1.htm

Глава 5. Путешествие к центру нейтронной звезды

1 Polarization Light Waves and Color. Lesson 1. How Do We Know Light Is a Wave? Polarization. The Physics Classroom. www.physicsclassroom.com/class/light/Lesson-1/Polarization

2 V. Radhakrishnan, N. Manchester. Detection of a Change

of State in the Pulsar PSR 0833–45. Nature. 222 (1969): 228–229; P. E. Reichley, G. S. Downs. Observed Decrease in the Periods of Pulsar PSR 0833–45. Nature. 222 (1969): 229–230.

3 R. N. Manchester. Pulsars at Parkes.

4 J. R. Oppenheimer, G. M. Volkoff. On Massive Neutron Cores.

5 V. Gribov et al. Arkady Migdal. Physics Today. 44, no. 12 (1991): 92.

6 Superfluids. University of Oregon. http://abyss.uoregon.edu/~js/glossary/superfluid.html

7 S. Balibar. The Discovery of Superfluidity. Journal of Low Temperature Physics. 146, nos. 5–6 (Mar. 2007): 441–470.

8 E. Gibney. Neutron Stars Set to Open Their Heavy Hearts. Nature News. May 31, 2017. www.nature.com/news/neutron-stars-setto-open-their-heavy-hearts-1.22070

9 R. R. Silbar, S. Reddy. Neutron Stars for Undergraduates. ArXivpre-print service, Nov. 26, 2003. https://arxiv.org/pdf/nucl-th/0309041.pdf

10 G. Ashton et al. Rotational Evolution of the Vela Pulsar during the 2016 Glitch. Nature Astronomy. 3 (2019): 1143–1148.

11 M. Riordan. The Discovery of Quarks. Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Apr. 1992. www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-5724.pdf

12 J. M. Lattimer. Neutron Star Structure and the Equation of State. Astrophysical Journal. 550, no. 1 (2001).

13 H. T. Cromartie et al. Relativistic Shapiro Delay Measurements.

14 Our History: A Passion for Discovery, a History of Scientific Achievement. Brookhaven National Laboratory. www.bnl.gov/about/history

15 FAIR – The Universe in the Lab. Facility for Antiproton and Ion Research in Europe. https://fair-center.eu/

16 Shapiro Delay. COSMOS – The SAO Encyclopedia of Astronomy. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/S/Shapiro+Delay

17 T. Damour. 1974: The Discovery of the First Binary Pulsar. ArXivpre-print service, Feb. 17, 2015. https://arxiv.org/pdf/1411.3930.pdf

18 M. Kramer. Pulsars and General Relativity. Max Planck Institute for Radio Astronomy, Sept. 15, 2010. www.mpifr-bonn.mpg.de/1038767/Kramer_pulsars.pdf

19 M. C. Miller et al. PSR J0030 + 0451 Mass and Radius from NICER Data and Implications for the Properties of Neutron Star Matter. Astrophysical Journal Letters. 887, no. 1 (Dec. 12, 2019); T. E. Riley et al. A NICER View of PSR J0030 + 0451: Millisecond Pulsar Parameter Estimation. Astrophysical Journal Letters. 887, no. 1 (Dec. 12, 2019).

20 The Neutron Star Interior Composition Explorer Mission. Goddard Space Flight Center, NASA. https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/nicer

21 A. Watts. Constraining the Neutron Star Equation of State Using Pulse Profile Modelling. AIP Conference Proceedings. 2127, no. 1 (2019).

22 K. Nandra et al. Athena: The Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics. European Space Agency, 2013. www.cosmos.esa.int/documents/400752/400864/Athena+Mission+Proposal/18b4a058-5d43-4065‑b135-7fe651307c46

23 Using Gravitational Wave Observations to Learn about Ultra-Dense Matter. LIGO, Aug. 12, 2019. www.ligo.org/science/Publication-GW170817ModelSelection/index.php

Глава 6. Как нейтронные звезды убивают теории темной материи

1 Making (Galactic) History with Big Data: First Global Age Map of the Milky Way. News release, Max Planck Institute for Astronomy, Jan. 8, 2016. www.mpia.de/news/science/2016–01‑milky-way-agemap

2 South Africa’s MeerKAT Telescope Discovers Giant Radio ‘Bubbles’ at Centre of Milky Way. News release, SKA Telescope, Sept. 12, 2019. www.skatelescope.org/news/MeerKAT-discovers-giant-radio-bubbles

3 Dark Energy, Dark Matter. NASA, Dec. 8, 2019. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

4 G. Bertone, D. Hooper. A History of Dark Matter. ArXiv preprint service, May 24, 2016. https://arxiv.org/pdf/1605.04909.pdf

5 T. Linden, B. J. Buckman. Pulsar TeV Halos Explain the Diffuse TeV Excess Observed by Milagro. Physical Review Letters. 120, no. 121101 (Mar. 23, 2018).

6 Fermi Bubbles. Goddard Space Flight Center, NASA. https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/constellations/pages/bubbles.html

7 L. Goodenough, D. Hooper. Possible Evidence for Dark Matter Annihilation in the Inner Milky Way from the Fermi Gamma Ray Space Telescope. ArXiv pre-print service, Nov. 11, 2009. https://arxiv.org/pdf/0910.2998.pdf

8 T. R. Slatyer et al. The Characterization of the Gamma-Ray Signal from the Central Milky Way: A Case for Annihilating Dark Matter. Physics of the Dark Universe. 12 (June 2016): 1–23.

9 C. Moskowitz. Dark Matter May Be Destroying Itself in Milky Way’s Core. Nature News. Apr. 8, 2014. www.nature.com/news/darkmatter-may-be-destroying-itself-in-milky-way-s-core-1.15018

10 National Radio Quiet Zone. National Radio Astronomy Observatory (NRAO). https://science.nrao.edu/facilities/gbt/interference-protection/nrqz

11 Green Bank Observatory. GBO website. https://greenbankobservatory.org

12 R. Lynch. The Hunt for New Pulsars with the Green Bank Telescope. ArXiv pre-print service, Mar. 21, 2013. https://arxiv.org/pdf/1303.5316.pdf

13 Pulsar Dispersion Measure. COSMOS – The SAO Encyclopedia of Astronomy. https://astronomy.swin.edu.au/cms/astro/cosmos/p/Pulsar+Dispersion+Measure

14 C. Weniger et al. Strong Support for the Millisecond Pulsar Origin of the Galactic Center GeV Excess. Physical Review Letters. 116, no. 051102 (Feb. 4, 2016); S. K. Lee et al. Evidence for Unresolved Gamma-Ray Point Sources in the Inner Galaxy. Physical Review Letters. 116, no. 051103 (Feb. 4, 2016).

15 R. K. Leane, T. R. Slatyer. Dark Matter Strikes Back at the Galactic Center. ArXiv pre-print service, Apr. 19, 2019. https://arxiv.org/pdf/1904.08430.pdf

Глава 7. Как пульсары обзаводятся планетами

1 E. Tasker. The Planet Factory: Exoplanets and the Search for a Second Earth. New York: Bloomsbury, 2017. [Э. Таскер. Фабрика планет: экзопланеты и поиски второй Земли. М.: АНФ, 2019.]

2 Telescope Description. Arecibo Observatory website. www.naic.edu/ao/telescope-description

3 C. DuBois. Planets from the Very Start. PennStateUniversity, Sept. 1, 1997. https://news.psu.edu/story/140842/1997/09/01/research/planetsvery-start

4 A. Wolszczan, D. A. Frail. A Planetary System around the Millisecond Pulsar PSR1257 + 12. Nature. 355, no. 6356 (1992): 145–147.

Глава 8. Гигантские научные инструменты Вселенной

1 W. Becker. Pulsar Timing and Its Application for Navigation and Gravitational Wave Detection. Space Science Reviews. 214 (Feb. 2018): 30.

2 C. M. F. Mingarelli. Probing Supermassive Black Hole Binaries with Pulsar Timing. Nature Astronomy. 3 (2019): 8–10.

3 South Pole Telescope. University of Chicago, Dec. 9, 2019. https://pole.uchicago.edu/spt

4 Astronomers Capture First Image of a Black Hole. News release, European Southern Observatory, Apr. 10, 2019. www.eso.org/public/unitedkingdom/news/eso1907

5 Event Horizon Telescope. https://eventhorizontelescope.org

6 A. M. Ghez et al. The Accelerations of Stars Orbiting the Milky Way’s Central Black Hole. Nature. 407, no. 6802 (Sept. 2000): 349–351.

7 Supermassive Black Hole Sagittarius A*. NASA, Aug. 29, 2013. www.nasa.gov/mission_pages/chandra/multimedia/black-hole-SagittariusA.html

8 Event Horizon Telescope.

9 Supermassive Black Hole. COSMOS – The SAO Encyclopedia of Astronomy. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/S/Supermassive+Black+Hole

10 R. Pfeifle et al. A Triple AGN in a Mid-Infrared Selected Late Stage Galaxy Merger. ArXiv pre-print service, Aug. 7, 2019. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538–4357/ab3a9b

11 Princeton Scientists Spot Two Supermassive Black Holes on Collision Course with Each Other. News release, Princeton University, July

10, 2019. www.princeton.edu/news/2019/07/10/princeton-scientistsspot-two-supermassive-black-holes-collision-course-each-other

12 G. Hobbs. Gravitational Wave Research Using Pulsar Timing Arrays. National Science Review. 4, no. 5 (Dec. 19, 2017): 707–717.

13 H. T. Cromartie et al. Relativistic Shapiro Delay Measurements.

14 Gravitational Wave Mission Selected, Planet-Hunting Mission Moves Forward. European Space Agency, June 20, 2017. https://sci.esa.int/web/cosmic-vision/-/59243‑gravitational-wave-mission-selectedplanet-hunting-mission-moves-forward

15 M. Bailes. MeerTime – the MeerKAT Key Science Program on Pulsar Timing. ArXiv pre-print service, Mar. 18, 2018. https://arxiv.org/abs/1803.07424

16 D. Goldberg. Why Can’t Einstein and Quantum Mechanics Get Along? Gizmodo, Sept. 8, 2013. https://io9.gizmodo.com/why-canteinstein-and-quantum-mechanics-get-along-799561829

17 E. Siegel. Dark Matter Winners and Losers in the Aftermath of LIGO. Medium, Dec. 19, 2017. https://medium.com/starts-with-a-bang/dark-matter-winners-and-losers-in-the-aftermath-of-ligo-f34ab04fcb

18 D. Perrodin. Radio Pulsars: Testing Gravity and Detecting Gravitational Waves. Physics and Astrophysics of Neutron Stars. (Jan. 10, 2019): 95–148.

19 M. Burgay. The Double Pulsar System in Its 8th Anniversary. ArXivpre-print service, Oct. 3, 2012. https://arxiv.org/abs/1210.0985

20 Там же.

21 S. Ransom et al. A Millisecond Pulsar in a Stellar Triple System. Nature. 505 (Jan. 23, 2014): 520–524.

22 Equivalence Principle. Encyclopaedia Britannica website. www.britannica.com/science/equivalence-principle

Глава 9. Быстрые радиовсплески, незавершенная глава

1 D. Cossins. Fast Radio Bursts: We’re Finally Decoding Messages from Deep Space. New Scientist, May 8, 2019. www.newscientist.com/article/mg24232291-900‑fast-radio-bursts-were-finally-decoding-messages-from-deep-space/

2 E. Keane. High Time-Resolution Astrophysics. Jodrell Bank Observatory, University of Manchester, Apr. 17, 2008. www.jb.man.ac.uk/~ekean/my_damtp_presentation.pdf

3 J. O’Callaghan. Mysterious Outburst’s Quiet Cosmic Home

Yields More Questions Than Answers. Scientific American, June 27, 2019. www.scienticamerican.com/article/mysterious-outburstsquiet-cosmic-home-yields-more-questions-than-answers

4 K. Kellermann, B. Sheets. Serendipitous Discoveries.

5 C. Woolston. Microwave Oven Blamed for Radio-Telescope Signals. Nature. May 8, 2015. www.nature.com/news/microwave-ovenblamed-for-radio-telescope-signals-1.17510

6 H. W. Lin et al. Detecting Industrial Pollution in the Atmospheres of Earth-Like Exoplanets. Astrophysical Journal Letters. 792, no. 1 (Aug. 12, 2014).

7 D. Thornton et al. A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances. Science. 340, no. 6141 (July 5, 2013). https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1307/1307.1628.pdf

8 D. Cossins. Fast Radio Bursts.

9 Breakthrough Initiatives. https://breakthroughinitiatives.org/

10 S. Chatterjee. Focus on the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102. Astrophysical Journal. https://iopscience.iop.org/journal/0004-637X/page/Focus _on_FRB_121102

11 The Chemical Composition of the Universe. COSMOS – The SAO Encyclopedia of Astronomy. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/C/Chemical+Composition

12 D. Lorimer. Fast Radio Bursts: Nature’s Latest Cosmic Mystery. Aspen Center for Physics. http://aspen17.phys.wvu.edu/Lorimer.pdf

13 Could Fast Radio Bursts Be Powering Alien Probes? News release, Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics, Mar. 9, 2017. www.cfa.harvard.edu/news/2017–09

14 Breakthrough Listen Detects Repeating Fast Radio Bursts from the Distant Universe. News release, Breakthrough Initiatives, Aug. 29, 2017. https://breakthroughinitiatives.org/news/13

15 Breakthrough Listen, the World’s Biggest SETI Program, to Incorporate the Southern Hemisphere’s Biggest Radio Telescope – the MeerKAT array – in Its Existing Search for Extraterrestrial Signals & Technosignatures. News release, Breakthrough Initiatives, Oct. 2, 2018. https://breakthroughinitiatives.org/news/23

16 The Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Is a Revolutionary New Canadian Radio Telescope Designed to Answer Major Questions in Astrophysics & Cosmology. CHIME website. https://chime-experiment.ca

17 Over $ 100M in Research Infrastructure Support to McGill. Press release, McGill University, May 29, 2015. www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/over-100m-research-infrastructure-support-mcgill-253109

18 The Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) Telescope. CSIRO. www.csiro.au/en/Research/Facilities/ATNF/ASKAP

19 R. Shannon. A Fly’s Eye FRB Survey with ASKAP. Swinburne University and Ozgrav, June 2018. http://caastro.org/wp-content/uploads/2018/06/Shannon-FRB2018.pdf

20 T. Stephens. Astronomers Make History in a Split Second with Localization of Fast Radio Burst. News release, University of California Santa Cruz, June 27, 2019. https://news.ucsc.edu/2019/06/fastradio-burst.html

21 W. Clavin. Fast Radio Burst Pinpointed to Distant Galaxy. News release, California Institute of Technology, July 2, 2019. www.caltech.edu/about/news/fast-radio-burst-pinpointed-distant-galaxy

22 M. Amiri et al. A Second Source of Repeating Fast Radio Bursts. Nature. 566 (2019): 235–238.

23 B. C. Andersen et al. CHIME/FRB Detection of Eight New Repeating Fast Radio Burst Sources. Astrophysical Journal Letters. 885, no. 1 (October 31, 2019). https://iopscience.iop.org/article/

10.3847/2041–8213/ab4a80; E. Fonseca et al. Nine New Repeating Fast Radio Burst Sources from CHIME/FRB. Astrophysical Journal Letters. 891, no. 1 (Feb. 26, 2020). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041–8213/ab7208

1. Интерферометр Virgo, расположенный в Италии недалеко от Пизы. С помощью этого детектора и лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), состоящей из двух установок, находящихся в США, 17 августа 2017 года ученые смогли зарегистрировать слияние нейтронных звезд и определить точное положение места, где произошло это событие. (Сообщество Virgo / CCO 1.0 / Science Photo Library)

2. Слияние нейтронных звезд в представлении художника. Столкнулись две миниатюрные нейтронные звезды – каждая около 20 километров в диаметре, – но их драматичное столкновение вызвало распространение возмущения ткани пространства-времени по всей Вселенной. (NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet)

3. Телескоп Parkes – один из старейших радиотелескопов – был построен в Австралии в 1961 году. Известен он не только тем, что на нем проведена огромная работа по наблюдению пульсаров, но и тем, что с его помощью в 1969 году велась прямая телевизионная трансляция высадки на Луну астронавтов с космического корабля “Аполлон-11”. (CSIRO)

4. Я (автор) стою на отражателе телескопа Parkes. После того как мы с Джоном Саркисяном, ученым, ответственным за эксплуатацию телескопа, ступили на поверхность этой грандиозной антенны, инженер из диспетчерской включил программу – и антенна стала перемещаться вместе с нами. Ощущения были совершенно нереальные. (© Катя Москвич)

5. Крабовидная туманность – остаток сверхновой в созвездии Телец. Она стала знаменитой 10 ноября 1968 года, когда астроном Ричард Лавлейс и его коллеги обнаружили, что внутри нее прячется молодой пульсар, что доказывало: нейтронные звезды представляют собой сколлапсировавшие ядра массивных звезд. (Снимок любезно предоставлен Дж. Хестером и А. Лоллом / NASA, ESA – Европейское космическое агентство)

6. ALMA – Атакамская большая антенная система миллиметрового/субмиллиметрового диапазона. В настоящее время это крупнейший в мире радиотелескоп. Состоит из шестидесяти шести антенн и расположена в гигантской пустыне Атакама на высоте 5000 м над уровнем моря. (Снимок любезно предоставлен Клемом и Эдри Бакри-Нормье / NASA, ESA)

7. LOFAR – крупный радиотелескоп, основная часть элементов которого находится в Нидерландах, а еще несколько элементов расположены в других европейских странах. (Нидерландский институт радиоастрономии [ASTRON])

8. Миллисекундные пульсары начинают свою жизнь как обычные пульсары, но существующие в паре с партнером – другой звездой, обычно белым карликом. Со временем пульсар начинает перекачивать материю от своего партнера, поглощает его и ускоряет собственное вращение до невероятных скоростей, как правило, до одного оборота за несколько миллисекунд. (ESA – Европейское космическое агентство)

9. Телескоп MeerKAT находится в провинции Северный Кейп (в Южной Африке, в районе Кару, примерно в десяти часах езды от Кейптауна) в зоне радиомолчания. Телескоп включает в себя шестьдесят четыре антенны и является одним из предшественников более грандиозного строящегося телескопа – Square Kilometre Array, который будет включать в себя гораздо больше антенн в Южной Африке и Австралии. (Южноафриканская радиоастрономическая обсерватория [SARAO])

10. Телескоп Lovell, расположенный недалеко от Манчестера, в Джодрелл-Бэнк (Англия), наблюдает небо с 1957 года. С его помощью был проведен ряд важных исследований пульсаров, благодаря чему обнаружено много новых пульсаров. (Cнимок любезно предоставлен Энтони Холлоуэем из Манчестерского университета)

11. Это изображение центра Млечного Пути, полученное с помощью телескопа MeerKAT, – лучшее на сегодняшний день. Как известно, межзвездные газ и пыль поглощают и рассеивают свет, ограничивая возможности оптических телескопов, в то время как радиоволны свободно проходят сквозь них. Область Sgr A* (Стрелец A*) чуть правее центра изображения является домом для центральной сверхмассивной черной дыры нашей Галактики. (Южноафриканская радиоастрономическая обсерватория [SARAO])

12. Телескоп Green Bank, расположенный в Западной Вирджинии, является крупнейшим полноповоротным радиотелескопом в мире. Диаметр отражателя составляет 100 метров. Если в центре нашей Галактики действительно есть миллисекундные пульсары, именно этот телескоп когда-нибудь сможет помочь нам их обнаружить. (Обсерватория Green Bank)

13. Обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико, построенная в начале 1960-х годов, благодаря которой было обнаружено множество пульсаров и быстрых радиовсплесков. К тому же оттуда было отправлено в космос радиопослание для инопланетян, а еще там снимались два голливудских блокбастера: “Контакт” и “Золотой глаз”. (© Катя Москвич)

14. CHIME (Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода) – радиоинтерферометр, расположенный в Британской Колумбии, живописном винодельческом регионе Канады. Телескоп с его четырьмя антеннами, каждая из которых оснащена огромными цилиндрическими параболическими отражателями, может десятками регистрировать быстрые радиовсплески. (Снимок любезно предоставлен Андре Ренаром из института Данлэпа, сообщества CHIME)

15. Телескоп South Pole Telescope в Антарктиде – часть глобальной сети Event Horizon Telescope, по размеру соизмеримой с планетой. С его помощью получено первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры в центре одной из соседних с нами галактик – Мессье 87. (Снимок любезно предоставлен Джейсоном Галличчио)

Примечания

1

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, “лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория”. – Здесь и далее, если не указано иное, прим, перев.

2

Верхняя граница массы предков нейтронных звезд пока известна плохо. Она может достигать и шестидесяти масс Солнца. – Прим. науч. ред.

3

Японский детектор KARGA (Kamioka Gravitational Wave Detector, “детектор гравитационных волн Камиока”) вступил в строй в феврале 2020 года. – Прим. науч. ред.

4

Всемирное координированное время (UTC) – стандарт, по которому ученые проверяют часы. Отличается на целое число секунд от атомного времени и на дробное число секунд от всемирного времени.

5

Здесь речь идет о скорости света в вакууме. – Прим. науч. ред.

6

Более общепризнанным считается следующее соотношение температур звезд с их цветом: от 7000 до 10000 градусов – белые, от 6000 до 7000 – желтовато-белые, от 5000 до 6000 – желтые, от 3500 до 5000 – оранжевые, от 2400 до 3500 – красные. – Прим. науч. ред.

7

По современным данным, первый пульсар находится в несколько раз дальше. – Прим. науч. ред.

8

“Напротив” на небесной сфере – в созвездии Гидра. – Прим. науч. ред.

9

Премия по фундаментальной физике ежегодно присуждается за значительные достижения в области фундаментальной физики. Учреждена в 2012 году израильским предпринимателем российского происхождения Юрием Мильнером. Джоселин Белл получила специальную премию в три миллиона долларов за “фундаментальный вклад в открытие пульсаров и вдохновляющее лидерство в научном сообществе”.

10

CSIRO – австралийское Государственное объединение научных и прикладных исследований.

11

Имплозия – направленный внутрь взрыв.

12

В русскоязычной литературе употребляется термин “предел Оппенгеймера – Волкова”.

13

По состоянию на сентябрь 2022 года самая тяжелая нейтронная звезда – PSR J0952-0607 – имеет массу, равную 2,35 массы Солнца. Она упоминается в главе 4. – Прим. науч. ред.

14

По состоянию на сентябрь 2022 года известно более 3300 пульсаров. – Прим, науч. ред.

15

По данным на сентябрь 2022 года, известно около пятисот миллисекундных пульсаров, то есть пульсаров с периодом менее десяти миллисекунд. – Прим, науч. ред.

16

По состоянию на сентябрь 2022 года всего известно более сорока таких пульсаров. – Прим. науч. ред.

17

Глитч – от английского glitch, что означает “сбой”.

18

В оригинале употребляется английское слово burst, которое помимо значения “всплеск” имеет еще значение “толчок”.

19

Бэкенд – программно-аппаратный раздел сервиса, отвечающий за функционирование его внутренней части.

20

По состоянию на сентябрь 2022 года известно семь таких объектов. – Прим, науч. ред.

21

См. примечание на стр. 100. – Прим. науч. ред.

22

Открытие ускорителя перенесено на 2025 год. – Прим. науч. ред.

23

В астрономии эта гора знаменита тем, что в ее честь на южном небе названо созвездие Столовая Гора. – Прим. науч. ред.

24

Правда, оцененная им масса темной материи оказалась завышенной.

25

Это значит, что скорости звезд не зависят от расстояния до центра галактики.

26

См. примечание на стр. 100. – Прим. науч. ред.

27

Такие планеты называются экзопланетами.

28

Летом 2020 года зеркало вновь было повреждено, на этот раз лопнувшим тросом, одним из тех, на которых над чашей телескопа подвешен купол с облучателем. В сентябре того же года оборвался еще один трос – ив зеркале рефлектора появилась тридцатиметровая пробоина. В связи с этим дальнейшее использование телескопа было признано небезопасным, и Национальный научный фонд США принял решение о полном закрытии объекта, отметив, что ремонту он не подлежит.

29

Текст написан до начала демонтажа телескопа в конце 2020 года.

30

Такая фотография была представлена 12 мая 2022 года. – Прим. науч. ред.

31

Ближайшая к звезде точка орбиты небесного тела, движущегося вокруг этой звезды.

32

По-английски слово “крыса”, rat, звучит почти так же, как RRAT.

33

Звезда Смерти – вымышленная боевая космическая станция, оснащенная сверхмощным лазерным оружием, из сериала “Звездные войны” режиссера Джорджа Лукаса.

34

За два года, прошедших после написания книги, были зарегистрированы сотни всплесков FRB, а также несколько новых источников FRB, из которых один находится в пределах Млечного Пути. – Прим. науч. ред.

Content

Катя Москвич
Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Пролог

Глава 1 Столкновение, которое сотрясло космос

Чуть глубже: Происхождение золота

Чуть глубже: Почему килоновая была голубой?

Глава 2 Открытие нейтронных звезд… и маленькие зеленые человечки?

Чуть глубже: Межзвездная среда – пристанище нейтронных звезд

Глава 3 Когда взрываются звезды

Чуть глубже: Всплеск пульсаров

Чуть глубже: Смерть массивной звезды

Глава 4 Зомби и звездотрясения

Чуть глубже: Многолучевой приемник

Чуть глубже: Экзотический мир рентгеновских источников

Чуть глубже: Хронометрирование пульсаров

Глава 5 Путешествие к центру нейтронной звезды

Глава 6 Как нейтронные звезды убивают теории темной материи

Глава 7 Как пульсары обзаводятся планетами

Глава 8 Гигантские научные инструменты

Чуть глубже: Законы Кеплера и посткеплеровские параметры

Глава 9 Быстрые радиовсплески, незавершенная глава

Эпилог

Благодарности

Список литературы

Глава 1. Столкновение, которое сотрясло космос

Глава 2. Открытие нейтронных звезд… и маленькие зеленые человечки?

Глава 3. Когда взрываются звезды

Глава 4. Зомби и звездотрясения

Глава 5. Путешествие к центру нейтронной звезды

Глава 6. Как нейтронные звезды убивают теории темной материи

Глава 7. Как пульсары обзаводятся планетами

Глава 8. Гигантские научные инструменты Вселенной

Глава 9. Быстрые радиовсплески, незавершенная глава

Примечания