Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров

В работе Бааде и Цвикки было много правильных идей. Они подошли к проблеме сверхновых звезд как теоретики, но использовали весь имевшийся в их распоряжении наблюдательный материал. Начали они с того, что решили разобраться в проблеме происхождения космических лучей. Космическими лучами называют высокоэнергичные частицы, лавиной падающие на Землю из космического пространства. Частицы такой большой энергии, какая встречается в космических лучах, ученые до сих пор не научились получать на самых мощных ускорителях. Откуда берутся эти частицы? Где их источник? Бааде и Цвикки впервые сказали: космические лучи могут генерироваться при вспышках сверхновых звезд. Два явления были объединены: сверхэнергичные частицы и сверхъяркие звездные вспышки. Таким было первое правильное предсказание Бааде и Цвикки. Вторая их идея была еще интереснее, и если можно так выразиться, еще правильнее. Бааде и Цвикки предсказали нейтронные звезды.

Вот как они рассуждали.

Оптическая светимость сверхновой звезды в максимуме яркости в сотни миллионов раз больше светимости Солнца. Солнце ежесекундно излучает около 4*10^З3 эргов — эта энергия уносится в космос квантами света всех длин волн. Значит, оптическое излучение сверхновой звезды составляет приблизительно 4*10⁴¹ эрг/с. Чтобы учесть излучение в невидимых диапазонах — ультрафиолетовом, инфракрасном и других, — Бааде и Цвикки увеличили оптическую светимость в 10 миллионов раз. Полная (или, как говорят астрономы, болометрическая) светимость сверхновой в максимуме яркости оказывается в таком случае около 10⁴⁸ эрг/с. Сверхновая светит несколько месяцев и за такой короткий срок успевает излучить до 10⁵³ эргов энергии.

Такие числа приводились в статье Бааде и Цвикки. А теперь несколько чисел для сравнения. Вся тепловая энергия, заключенная в обычной звезде, составляет около 10⁴⁷ эргов — в миллион раз меньше. Для того чтобы рассеять в пространстве все вещество Солнца, нужно совершить работу, равную 7*10⁴⁸ эргов — в 15 тысяч раз меньше, чем излучает сверх новая! Ясно, что при вспышке сверхновой со звездой происходит нечто катастрофическое. Во время вспышки новой звезды излучается 10⁴⁵ эргов. Такой взрыв звезда еще способна выдержать без ущерба для своего «здоровья», у нее вполне достаточно энергии и не для одной подобной вспышки. Но уж взрыва такого масштаба, как сверхновая, звезда перенести не в состоянии.

Нужно, впрочем, сказать, что множитель 10 миллионов, на который Бааде и Цвикки увеличили оптическую светимость сверхновой, довольно произволен. Современные оценки показывают, что полная энергия, излученная сверхновой за время вспышки, достигает 10⁵¹ эргов. Но существа дела эта поправка не меняет. Звезда не может пережить подобную катастрофу. Во что же она превращается? Если звезда погибает, что представляет собой ее «труп»?

Вот что писали Бааде и Цвикки:

«Со всеми подобающими оговорками мы выдвигаем гипотезу, что сверхновая представляет собой переходную стадию от обычной звезды к нейтронной, состоящей главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно высокой плотностью. Поскольку нейтроны могут быть упакованы гораздо более тесно, чем обычные ядра и электроны, энергия «гравитационной упаковки» в холодной нейтронной звезде может стать большой и при определенных условиях во много раз превосходить значения, соответствующие типичным ядерным упаковочным множителям. Предположение, что сверхновые испускают космические лучи, весьма удовлетворительно согласуется с большинством основных наблюдений космических лучей».

Идеи Бааде и Цвикки опередили свое время лет на тридцать! «Виновато» было богатое творческое воображение этих ученых. До них никто не предсказывал новых типов небесных тел. Новые явления на небе обычно открывают астрономы-наблюдатели. И лишь в процессе интерпретации наблюдений начинает проявлять себя творческое воображение теоретика. Тем интереснее, что нейтронные звезды были предсказаны теоретически.

Важно, что, занявшись проблемой происхождения космических лучей и сказав, что такие лучи рождаются во вспышках сверхновых, Бааде и Цвикки не остановились, как это обычно бывает (автор обрадован тем, что в голову пришла хорошая идея, и дальше уже не думает). Они задались вопросом: что происходит со звездой после взрыва?

В 1934 году еще не было даже предварительных правильных идей о том, как эволюционируют звезды. Нейтрон был открыт всего за год до сдачи в печать статьи Бааде и Цвикки. Теории ядерных превращений практически не существовало. Идея Бааде и Цвикки, казалось бы, ни из чего не следовала — чистая фантазия. Им пришлось преодолеть колоссальную психологическую инерцию. Нужно было отойти от привычного представления о звездах. Нужно было придумать тела, совершенно необычные. Далее, нужно было выйти за пределы одного класса явлений. Шире посмотреть на предмет исследований: привлечь данные из теории звездной эволюции (в то время скудные и зачастую неверные), сведения о ядерных превращениях (известных довольно плохо) и так далее. Нужно было представить себе процесс образования нейтронной звезды, вообразить все следствия такой катастрофы, как взрыв сверхновой. Нужно было отрешиться от представления о звезде как о статичном газовом шаре, рассмотреть процесс в динамике. И наконец, нужно было представить возможные наблюдательные следствия — ведь нейтронные звезды предстояло искать!

А как же классический метод проб и ошибок? Если бы Бааде и Цвикки действовали обычным образом, они непременно ошиблись бы. Ведь вероятность случайно сделать верную пробу, едва ступив на поле проб и ошибок, очень мала. Может быть, Бааде и Цвикки просто повезло?

Конечно, дело не в случае. Ясно, что к истине можно пробиться быстрее, если систематически пробовать все возможности. Не упуская ни одной. Истина будет обнаружена обязательно — вопрос во времени.

Цвикки создал морфологический метод, названный им методом направленной интуиции. Метод, заставляющий исследователя видеть не только тот путь, что привычен, что перед глазами, но и все боковые ответвления, все возможные варианты.

Известен такой анекдот. Знаменитый немецкий микробиолог Р. Кох работал в своей лаборатории возле сосуда, окутанного паром и дымом. В комнату вошел помощник.

— Угадай, — обратился к нему Кох, — что здесь варится?

Ассистент перечислил все известные ему бактерии, но Кох отрицательно качал головой. Не дождавшись правильного ответа, он, смеясь, сказал:

— Да там же сосиски…

Вот прекрасный пример того, как психологическая инерция не позволяет разглядеть все возможные варианты явления. Метод, разработанный Цвикки, позволил это сделать. Цвикки предложил строить на бумаге так называемые морфологические ящики — таблицы, где на одной оси записаны основные параметры будущей теории (механизма, конструкции, явления), а на другой оси — все возможные значения этих параметров.

В начале тридцатых годов Цвикки только начинал размышлять о морфологическом методе. Но и тогда сумел использовать его для предсказания нейтронных звезд. Много позднее он написал об этом в книге «Морфологическая астрономия», опубликованной в 1957 году. В 1971 году Цвикки был в Москве и рассказал об открытии нейтронных звезд на лекции в Московском университете.

«За основной параметр одной из осей морфологического ящика, — рассказывал Цвикки, — я взял характерные размеры звезды. Эти размеры являются комбинациями мировых постоянных: постоянной Планка, постоянной тяготения, скорости света, массы протона, а также массы и заряда электрона. Пусть самая большая из возможных комбинаций соответствует звездам-гигантам. Вторая комбинация постоянных меньше в 20 раз. Пусть она соответствует звездам-карликам, таким, как наше Солнце. Следующая характерная длина еще в тысячу раз меньше. В звездных масштабах она соответствует размерам белых карликов — около 10 тысяч километров. Обычно все исследователи здесь и останавливаются. Но давайте отбросим инерцию. Нам нужно избавиться от психологической инерции в представлениях о размерах звезд. Пересилим себя и пойдем дальше. Очередное сочетание постоянных дает характерную длину в несколько сотен раз меньшую, чем предыдущая. Что это — звезда размером в несколько километров?! Первое, что хочется сказать, — это невозможно! Но мы должны заставить себя забыть это слово. Пусть возможно. Что это за звезда? Подсчитаем ее плотность. Разделим массу, равную массе Солнца, на объем шара радиусом в один километр. Получим невероятное значение: 100 миллиардов тонн в кубическом сантиметре! Обычное вещество из атомных ядер и электронов при такой плотности существовать не может — не позволяют электрические силы отталкивания. Нужны нейтральные частицы. Мы их знаем — это нейтроны. Звезда состоит из нейтронов, тесно прижатых друг к другу. Но для того чтобы сжать звезду до такой огромной плотности, возражает психологическая инерция, нужно совершить колоссальную работу против сил тяжести, скомпенсировать потенциальную энергию тяготения. Для нейтронной звезды величина этой потенциальной энергии около 10⁵³ эргов. Но… ведь как раз такая энергия выделяется при взрыве сверхновой! Вот и решение. Да, нейтронные звезды могут существовать. Более того, никакие другие звезды, кроме нейтронных (гиганты, обычные и белые карлики), не могут объяснить такого огромного выделения энергии во вспышке. Отлично. Теперь можно остановиться, продумать эту идею, полученную методом направленной интуиции. Но… разве уже все ячейки заполнены? Есть еще одна характерная длина, еще одна комбинация мировых постоянных — на восемнадцать порядков меньше предыдущей длины! Этой длине соответствует звезда с радиусом… 10^-13 сантиметров. Размер электрона. Звезда, сжатая почти в точку. Да можно ли назвать такие объекты звездами? Если и звездами, то поистине адскими…»