Чтение онлайн

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 неба3. “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 пульсаров4.

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 устроены5.

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 всплеск6.

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.