Казка про юну Джоселін Белл, пульсари і телеграму від зелених чоловічків

Пульсар в Крабовидної туманності. Зображення складено з оптичного фото (червоний колір, NASA / HST / ASU / Дж. Хестер і ін.) І рентгенівського знімка (синій колір, NASA / CXC / ASU / Дж. Хестер і ін.).

Джоселін Белл (фото 1977 року). Фото: Robin Scagell / SPL.

Джоселін Белл біля радіотелескопа, побудованого своїми руками. Внизу - «гребінка» на паперовій стрічці самописця - сигнали від пульсара. Зі статті Джоселін Белл (Annals New York Academy of Sciences, 1977).

Ентоні Хьюіш. Фото: www.nobelprize.org.

Вузьконаправлене радіовипромінювання пульсара у вигляді періодичних сигналів з частотою його обертання. Фото: Wikimedia Commons.

<

>

Після вечері Дзінтарі покликала дітей:

- Сьогодні я розповім вам історію про юну дівчину-астронома, яка виявилася досвідченіше сивочолих вчених і думала швидше найрозумніших комп'ютерів.

Ця історія почалася в 1965 році. Джоселін Белл щойно закінчила університет в шотландському місті Глазго і стала аспіранткою Ентоні Хьюіша, професора Кембриджського університету. Хьюіш спроектував особливий радіотелескоп для прийому і аналізу сигналів космічних квазарів - це загадкові об'єкти в центрах галактик, що володіють малими розмірами і величезною світністю. Але спроектувати телескоп - це одне, а побудувати його - зовсім інше.

Радіотелескоп повинен був займати ділянку площею 4,5 акра. На ньому планувалося змонтувати 200 кілометрів проводів вартістю 15 тисяч фунтів стерлінгів. Всю роботу виконували Джоселін Белл, четверо співробітників групи Хьюіша і кілька студентів, які допомагали їм під час канікул. Через два роки об'єкт збудували. Він нагадував майданчик, де прачки сушать білизну, тільки замість мотузок між стовпами були протягнуті металеві дроти.

Радіоапаратура безпосередньо посилала сигнал на самописці, які кожен день видавали 30 метрів паперової стрічки. По всій довжині стрічки йшла безперервна звивиста крива. Переглянути та проаналізувати її було виключно важким завданням. Досвіду обробки радіохвиль, що вловлюються телескопом з дроту, ні у кого не було. Ніхто не розумів в деталях, що за сигнали буде приймати новий телескоп. Комп'ютери не використали, бо для них ще не були створені програми обробки даних і пошуку потрібних сигналів. Щоб аналізувати дані, була потрібна людина-комп'ютер, який кожен день переглядав би криві радіосигналів на паперовій стрічці, намагаючись розпізнати, де сигналять космічні джерела, а де - земні перешкоди.

Такою людиною-комп'ютером і стала Джоселін Белл. За час роботи на радіотелескопі вона проаналізувала 50 кілометрів паперової стрічки і на око навчилася розрізняти сигнали квазарів і перешкоди від земних радіостанцій і пристроїв.

Влітку 1967 Белл виявила в записах самописця «гребінку» - регулярні піки, які не схожі на звичні сигнали, реєстровані радіотелескопом. Джоселін не стала поспішати з повідомленням професору Хьюіша про загадкове пульсуючому сигналі. Він то зникав, то з'являвся, але коли він був, то піки радіовипромінювання йшли рівномірно, з періодичністю 1,33 секунди між максимумами. Незабаром Джоселін встановила зв'язок періодичних сигналів з кон-конкретним ділянкою неба, після чого повідомила про відкриття пульсуючого джерела Ентоні Хьюіша.

Професор недовірливо припустив, що сигнал, швидше за все, має земне походження, але Белл була впевнена, що він йде з космосу. Що за зірки можуть посилати сигнали з такою суворою періодичністю? Ніхто з астрономів не знав природних космічних об'єктів, які могли б рівномірно сигналити з частотою один раз в секунду. Для величезної зірки, навіть для такої щільної, як білий карлик, пульсації з частотою близько секунди були занадто швидкими. Звичайні пульсуючі або змінні зірки міняли світність повільно, з періодом в дні або тижні.

Звичайно, тут же виникла ідея, що радіотелескоп зловив сигнали від інопланетян, які в суспільній свідомості представлялися маленькими чоловічками із зеленою шкірою. Може, «гребінка», виявлена ​​Белл на стрічці самописця, - це телеграма, яку посилає неземна цивілізація, сподіваючись знайти в космосі братів по розуму? Першому Пульсару навіть присвоїли позначення LGM-1 - абревіатура від англійського виразу «little green men» - «маленькі зелені чоловічки».

Гіпотезу про телеграму від братів по розуму спростувала сама Джоселін Белл. Вона відкрила ще кілька схожих пульсуючих джерел, які назвали пульсарами. Цей факт різко зменшив число тих, хто вірив в сигнали від зелених чоловічків.

- Що, космос не може бути так щільно заселений? - запитав Андрій.

Дзінтарі кивнула:

- Так, відкриття нових пульсарів підтвердило, що це не штучні, а природні джерела. Ще один учень Хьюіша - Фред Хойл припустив, що джерелом сигналів можуть бути не білі карлики, а нейтронні зірки. Час показав правильність його припущення.

- А що таке нейтронна зірка? - запитала Галатея.

Андрій докірливо похитав головою:

- Ми ж зовсім недавно слухали казку про Карла Шварцшильда і дізналися, що нейтронна зірка - це те, що залишається після вибуху наднових, - маленька зірка розміром в декілька кілометрів і щільністю більше щільності атомного ядра, щось на зразок кулі з нейтронів.

- Ну забула, - насупилася Галатея.

Дзінтарі посміхнулася і продовжувала:

- Після статті Хьюіша і Белл з співавторами все обсерваторії світу кинулися шукати сигнали від пульсарів. Незабаром їх виявили десятки, а через півсотні років - тисячі. Серед них знайшлися мілісекундним, рентгенівські і оптичні.

Треба сказати, що періодичні сигнали від пульсарів фіксували ще за кілька років до того, як їх виявила Белл, але спостерігачі вважають їх земними перешкодами. Тільки пильність і великий досвід в розпізнаванні сигналів різного виду дозволили Белл виділити періодичні сигнали пульсарів із загального шуму.

Періодичність сигналів від пульсарів змінюється тільки у виняткових випадках, наприклад якщо біля них є планети. Ці планети рухаються навколо пульсара, змушуючи його злегка гойдатися в такт своєму руху. А рух джерела періодичних сигналів викликає зміна частоти сигналу через ефект Доплера.

Суть ефекту Доплера Джоселін Белл продемонструвала в штаб-квартирі ЮНЕСКО на лекції, присвяченій Року астрономії. Вона принесла з собою таймер від кухонної плити і, попросивши нобелівських лауреатів, сиділи в перших рядах, злегка пригнутися, розкрутила його на мотузці. Всі присутні мали змогу переконатися, що частота звуку таймера, що летить у напрямку до залу, вище частоти звуку від удаляющегося таймера.

У 1994 році зі зміни періодичності сигналів одного з пульсарів було відкрито дві що обертаються навколо нього планети масою близько чотирьох мас Землі кожна. Це була перша планетна система, відкрита поруч з Пульсаром.

- А на планетах навколо пульсарів живуть маленькі зелені чоловічки? - пожвавилася Галатея.

- Навряд чи. Звичайні планети в такій системі знищені вибухом наднових зірки, після якого залишився лише диск тугоплавких металевих частинок. Потім з них утворилися планети другого покоління, але на них немає життя, тому що випромінювання пульсара вбиває все живе.

- А на перших планетах - до вибуху наднових - могли виникнути інопланетні цивілізації? - не відставала Галатея.

- Можливо, але доля таких цивілізацій трагічна, - вижити під час вибуху наднових вони не могли.

- А раптом вони встигли відлетіти на космічних кораблях?

- Для такого способу порятунку інопланетним цивілізаціям потрібно було розвивати космічні технології, вчитися будувати величезні міжпланетні кораблі і жити в космосі, що вимагало б багато часу. Але навіть самі розумні істоти рідко складають плани на довгий період, хоча б на тисячоліття.

- Уявіть собі картину! - вигукнув Андрій. - Металеві планети обертаються навколо нейтронного кулі, який служить маяком для всієї галактики ...

Дзінтарі кивнула:

- Пульсари дійсно можна використовувати як маяки. Запущені в 1977 році американські космічні апарати «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які покинули Сонячну систему, несли на борту зоряну карту, в якій галактичне положення Землі було зазначено щодо 14 пульсарів з відомою частотою. Якщо інопланетяни за межами нашої Сонячної системи отримають цю картинку, а її легко розшифрує будь-яка розумна істота, то зможуть знайти дорогу до нас.

Але повернемося до пульсара. У 1974 році, через всього сім років після їх відкриття, Нобелівська премія з фізики була поділена між Мартіном Райлі - за піонерські роботи в області астрофізичних досліджень в радіодіапазоні і Ентоні Хьюишем - за його виняткову роль у відкритті пульсарів.

У своїй Нобелівської лекції професор Хьюіш багато разів згадав тільки одного свого співробітника - Джоселін Белл, яка першою відкрила космічні сигнали пульсарів. Але, на відміну від Хьіюша, Нобелівської премії Джоселін Белл за це не отримала. Відомий британський астроном Фред Хойл і інші вчені були обурені такою несправедливістю. Хойл публічно заявив, що Белл повинна була отримати Нобелівську премію разом з Хьюишем, тим більше що, згідно із заповітом Нобеля, премія з фізики може ділитися між трьома вченими. Тобто місце для Белл було, але воно залишилося незайнятим.

Кілька років по тому сама Белл так прокоментувала ситуацію навколо пульсарів і премії: «Були пропозиції, що я повинна отримати частину Нобелівської премії, яка була присуджена Тоні Хьюіша за відкриття пульсарів ... Я вважаю, що Нобелівські премії втратили б свій авторитет, якби вони присуджувалися студентам -дослідникам, за винятком особливих випадків, і я не думаю, що я попадаю в цю категорію ».

Ще одне відкриття в області пульсарів зробили американські вчені Рассел Халс і Джозеф Тейлор. Пов'язане воно з мілісекундними пульсарами, які астрономи використовують як годинник, тому що по точності вони перевершують земні атомні. Будь-які відхилення в частоті говорять про якихось важливих процесах в пульсарі. Халс і Тейлор, досліджуючи подвійний пульсар (пару пульсарів, що обертаються один навколо іншого), помітили, що вони поступово зближуються, немов їх щось гальмує. Це зближення, як виявилося, пов'язано з тим, що подвійний пульсар випромінює гравітаційні хвилі, передбачені Ейнштейном, але ніким ще не відкриті. Крива зміни швидкості обігу пульсарів збігалася з теоретичної кривої, отриманої з теорії гравітації Ейнштейна більш ніж на 99 відсотків. Завдяки пульсара теорія Ейнштейна знайшла ще одне підтвердження, а існування загадкових гравітаційних хвиль було практично доведено. За це відкриття в 1993 році Халса і Тейлору присуджена Нобелівська премія.

- Виходить, пульсари принесли Нобелівські премії кільком чоловікам, але тільки не їх першовідкривач - жінці! - обурено вигукнула Галатея.

Дзінтарі зітхнула:

- На жаль це так. Джоселін Белл увійшла в історію науки як першовідкривач пульсарів, але Нобелівська премія за їх відкриття присуджена не їй. Справжні вчені розуміють, що наукове відкриття такого рівня саме по собі найбільша цінність і будь-які нагороди за нього вже несуттєві. Ім'я Джоселін Белл назавжди вписано в літопис світової науки - це беззастережне рішення історії.

***
Квазари - найяскравіші об'єкти у Всесвіті, що представляють собою активні ядра галактик, компактні і дуже потужні джерела випромінювання.

Акр - земельна міра, що дорівнює 0,4 га. Застосовується в ряді країн, що використовують англійську систему заходів, наприклад в США, Канаді, Великобританії, Австралії.

Пульсар (від англійського «pulsating star», скорочено - «pulsar») - космічний джерело радіо-, оптичного, рентгенівського і гамма-випромінювань, що приходять на Землю у вигляді періодичних сплесків.

Нейтронна зірка - один з кінцевих продуктів еволюції зірок. Складається з нейтронної серцевини, покритої шаром речовини у вигляді важких атомних ядер і електронів. Середня щільність речовини нейтронної зірки в кілька разів перевищує щільність атомного ядра, яка для важких ядер складає в середньому 2,8 · 1017кг / м2.

Джоселін Белл Бернелл (рід. 1943) - британський астрофізик. Будучи аспіранткою Ентоні Хьюіша, вона стала в 1967 році першовідкривачем пульсарів.

Ентоні Хьюіш (рід. 1924) - співавтор відкриття пульсарів, який отримав за це в 1974 році Нобелівську премію з фізики.

Мартін Райл (1918-1984) - британський астрофізик, який отримав в 1974 році Нобелівську премію з фізики разом з Ентоні Хьюишем.

Рассел Халс (рід. 1950) - американський астрофізик, лауреат Нобелівської премії з фізики 1993 року.

Джозеф Тейлор (нар. 1941) - американський астрофізик, лауреат Нобелівської премії з фізики 1993 року.

Ефект Доплера - зміна частоти і довжини хвиль, що реєструється приймачем, викликане рухом їх джерела або руху приймача.