Два других фундаментальных астрофизических открытия сделаны примерно в тот же период, когда установили существование микроволнового фонового излучения, и оба они были сходны с ним в весьма любопытных аспектах. В первом случае – при обнаружении космических мазеров – мы убеждаемся в следующем: чтобы открытие стало открытием, ему необходимо признание, которое, в свою очередь, нуждается в изменении ряда теоретических представлений. Во втором случае – открытии пульсаров – мы еще раз утверждаемся в мысли: не следует заранее отметать то, что не находит объяснения, каким бы бессмысленным оно нам ни казалось на первый взгляд.

В 1964 г. группа специалистов из Университета Калифорнии в Беркли, возглавляемая Гарольдом Уивером, исследуя излучение Галактики на сверхвысоких частотах, обнаружила крайне загадочную серию спектральных линий в Большой туманности Ориона. Сначала они отнесли это на счет некой «тайны». Но вскоре серию идентифицировали с излучением, получающимся в результате переходов, возникающих в гидроксильном радикале – соединении атомов кислорода и водорода (OH). Из-за сходства с процессом, который можно получить в лабораторных условиях, соответствующий объект был признан космическим эквивалентом мазера. Мазер – прибор для усиления микроволнового излучения в очень узком диапазоне частот – изобретен в 1954 г. Чарльзом Таунсом и его младшими коллегами по Колумбийскому университету в Нью-Йорке. Его название является сокращением от развернутого наименования microwave amplification through stimulated emission of radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»). Принцип, лежащий в его основе, был впоследствии использован в оптическом диапазоне для создания более широко известного лазера (light amplification through stimulated emission of radiation – «усиление света с помощью вынужденного излучения»). Согласно высказанному предположению, в природе есть процессы, осуществляющие мощное усиление микроволнового излучения, исходящего от молекул OH, находящихся в источнике. После этого удалось выявить множество других аналогичных источников, обнаруженных, в частности, Массачусетским технологическим институтом и обсерваторией Джодрелл-Бэнк даже раньше, еще до того как стала понятна их природа; в некоторых случаях они состояли из других групп атомов – таких, как вода, монооксид кремния, формальдегид и метиловый спирт. Мазеры обнаружили в холодных облаках вблизи горячего ионизированного газа, а также по соседству с определенными типами звезд, обладающих мощным инфракрасным излучением.

У открытия пульсаров была своя специфика. Все началось с наблюдения, выполненного студенткой Кембриджского университета С. Джоселин Белл. Она обратила внимание на «гребенку», идущую вдоль 120‐метровой бумажной ленты, на которой записывалась вся совокупность сигналов, исходящих от участка неба над (неподвижной) антенной телескопа. Белл пыталась обнаружить, каким образом испускаемый Солнцем газ воздействует на сигналы, исходящие от радиоисточников, и техногенные радиошумы в данном случае представляли собой серьезную проблему. Необычный характер записи, сделанной 6 августа 1967 г., она заметила в октябре – сигнал выглядел как серия короткопериодических пульсаций, испускаемых одним и тем же участком неба. Белл продолжила тщательные наблюдения этого сигнала вместе с руководителем своей диссертации Энтони Хьюишем и тремя другими коллегами и обнаружила, что источник сигнала сохраняет свое местоположение, а импульсы повторяются с высокой точностью, примерно через каждые 1,3 секунды. Накануне Рождества Джоселин Белл обнаружила второй пульсирующий источник с периодом лишь ненамного меньшим, чем у первого. Когда об открытии было объявлено в журнале Nature, в Кембридже возникла шумиха, мол, ближайшие коллеги Хьюиша присвоили открытие себе. На деле, они, похоже, искренне беспокоились о том, что указанные пульсации могли иметь заурядное объяснение, связанное с техническими причинами, например с неполадками оборудования. На кембриджском семинаре, где впервые было объявлено об обнаружении первых пульсаров, всерьез обсуждалась мысль о том, что они могут нести сигнал, идущий от далеких цивилизаций, в силу чего для них подобрали аббревиатуру LGM 1–4, которая расшифровывалась как «little green men» (маленькие зеленые человечки). Это белые карлики или нейтронные звезды? Пульсировали ли они на самом деле или просто вращались? Сначала кембриджская группа остановила свой выбор на пульсации белых карликов и допустила двойную ошибку. Каким бы ни был ответ на этот вопрос, самым удивительным оказалось то, что сигналы повторялись с невероятной точностью. В настоящее время период первого открытого пульсара надежно определен с точностью до восьмого знака после запятой в десятичной системе!

Томас Голд из Корнельского университета, похоже, был первым, кто догадался, что пульсары являются теми самыми долго разыскиваемыми нейтронными звездами, теоретическая возможность существования которых дискутировалась, начиная с 1930‐х гг. После открытия первого пульсара (названного CP 1919, что означает, кембриджский пульсар с прямым восхождением 19^h 19^m) и его отождествления Голдом были продолжены всесторонние теоретические исследования нейтронных звезд. Магнитное поле нейтронных звезд, как предсказывала теория, должно быть в триллион (10¹²) раз сильнее, чем у Земли, и оно вносит существенный вклад в излучение, идущее от этих звезд. С другой стороны, примерно тысяча (или около того) нейтронных звезд нашей Галактики, открытые методами радиоастрономии, испускают подавляющую часть своей энергии посредством крайне высокоэнергетических фотонов – рентгеновских лучей или гамма-квантов. Впервые их опознали по крошечным импульсам на базе относительно слабого радиооборудования, и это можно считать большой удачей. По поводу радиопульсаров решили так: это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие посредством синхротронного механизма подобного тому, который мы уже рассматривали в этой главе (см. с. 888). Получающееся радиоизлучение исходит из областей, расположенных в непосредственной близости от звезды. Как мы увидим далее, пульсары, испускающие рентгеновские лучи, были обнаружены позже, в 1971 г., с помощью спутниковых наблюдений, и, согласно теории, излучение пульсаров подобного типа исходит от полюсов звезды. Известны пульсары, излучающие и на других длинах волн. Во всех случаях наблюдаемые нами пульсации представляют собой типичный эффект маяка; улавливаемый нами импульс возникает всякий раз, когда максимум излучения пробегает через наше поле зрения.

Неожиданная ценность исторических астрономических свидетельств уже иллюстрировалась нами на примере Крабовидной туманности, появившейся в 1054 г. Интерес к этому объекту еще более возрос после того, как обнаружилось, что в центре него находится пульсар. Вращаясь со скоростью около тридцати трех оборотов в секунду, он – один из наиболее быстрых из более чем тысячи других пульсаров, открытых до конца минувшего тысячелетия. Его высокая скорость – следствие его относительной молодости (теория предсказывает замедление вращения с течением времени, поскольку энергия звезды рассеивается), а потому исторические свидетельства предоставляют важные исходные данные для понимания всего механизма. Эти изменения крайне незначительны, но измеримы (о чем свидетельствует точность, с которой определен период пульсара CP 1919). Однако не все изменения плавные. Часто наблюдаются скачкообразные изменения периода, чему можно найти самые разнообразные объяснения, например, исходя из гипотетического представления о разломах, возникающих в твердой коре звезды. Астрогеология неожиданно расширила свои границы, выйдя далеко за пределы Солнечной системы и охватив такие области, как изучение звездотрясений. Несмотря на то что сегодня существует разделяемая всеми по меньшей мере стержневая основа теории, объясняющей поразительно большое количество явлений, наблюдаются некоторые разногласия в отношении природы механизма того, как работает нейтронная звезда. Это и не удивительно, поскольку состояние вещества в центре нейтронной звезды представляет собой один из наиболее сложных вопросов фундаментальной физики, что нетрудно понять, приняв во внимание существующие там громадные плотности.

Пульсары предоставили дополнительные возможности для решения такой фундаментальной задачи, как проверка общей теории относительности Эйнштейна; это касается гравитационных эффектов. В предыдущей главе мы видели, как Эйнштейн объяснил (к удовольствию по меньшей мере своих сторонников) едва заметное смещение перигелия Меркурия. В 1974 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли звездную систему, где соответствующее прецессионное смещение должно было происходить в десять тысяч раз быстрее. Это оказалась двойная нейтронная звезда с орбитальным периодом восемь часов, один из компонентов которой – пульсар. Тейлор выполнял наблюдения в течение двадцати лет и в ходе этой работы обнаружил постепенное уменьшение размеров орбиты. Таким образом, он нашел еще одно наглядное подтверждение теории Эйнштейна, предположив, что это уменьшение вызвано потерей энергии системы, происходящей в результате гравитационного излучения – другого следствия общей теории относительности. (Движущаяся система гравитационных масс порождает колебания самого пространства, в результате чего ее энергия уменьшается.)

Чем больше обнаруживали пульсаров, тем чаще пересматривались данные относительно скорости их вращения. В январе 2006 г. измерение осевого вращения одного из двойных пульсаров дало величину 716 оборотов в секунду, в то время как предыдущее измерение, считавшееся верным в течение 24 лет, давало 642 оборота в секунду. Новым чемпионом стал один из 33 пульсаров в шаровом скоплении Терзян 5. Он движется по круговой орбите с периодом 1,0944303 суток. Семь десятичных знаков после запятой красноречивее всяких слов говорят о современной хронометрии, однако настоящей звездой этого шоу является массивный объект, который совершает оборот вокруг своей оси быстрее взмаха пчелиного крылышка.