Сказка про юную Джоселин Белл, пульсары и телеграмму от зелёных человечков
Ник. Горькавый
История про юную девушку-астронома, которая оказалась опытнее седовласых учёных и думала быстрее самых умных компьютеров.
Другие научные сказки Ник. Горькавого печатались в журнале «Наука и жизнь» в 2010—2013 гг. и в №№ 1—3, 7, 2014 г.
После ужина Дзинтара позвала детей:
— Сегодня я расскажу вам историю про юную девушку-астронома, которая оказалась опытнее седовласых учёных и думала быстрее самых умных компьютеров.
Эта история началась в 1965 году. Джоселин Белл только что закончила университет в шотландском городе Глазго и стала аспиранткой Энтони Хьюиша, профессора Кэмбриджского университета. Хьюиш спроектировал особый радиотелескоп для приёма и анализа сигналов космических квазаров — это загадочные объекты в центрах галактик, обладающие малыми размерами и огромной светимостью. Но спроектировать телескоп — это одно, а построить его — совсем другое.
Радиотелескоп должен был занимать участок площадью 4,5 акра. На нём планировалось смонтировать 200 километров проводов стоимостью 15 тысяч фунтов стерлингов. Всю работу выполняли Джоселин Белл, четверо сотрудников группы Хьюиша и несколько студентов, помогавших им во время каникул. Через два года объект построили. Он напоминал площадку, где прачки сушат бельё, только вместо верёвок между столбами были протянуты металлические провода.
Радиоаппаратура напрямую посылала сигнал на самописцы, которые каждый день выдавали 30 метров бумажной ленты. По всей длине ленты шла непрерывная зигзагообразная кривая. Просмотреть и проанализировать её было исключительно трудной задачей. Опыта обработки радиоволн, улавливаемых телескопом из проволоки, ни у кого не было. Никто не понимал в деталях, что за сигналы будет принимать новый телескоп. Компьютеры не использовали, потому что для них ещё не были созданы программы обработки данных и поиска нужных сигналов. Чтобы анализировать данные, требовался человек-компьютер, который каждый день просматривал бы кривые радиосигналов на бумажной ленте, пытаясь распознать, где сигналят космические источники, а где — земные помехи.
Таким человеком-компьютером и стала Джоселин Белл. За время работы на радиотелескопе она проанализировала 50 километров бумажной ленты и на глаз научилась различать сигналы квазаров и помехи от земных радиостанций и устройств.
Летом 1967 года Белл обнаружила в записях самописца «гребёнку» — регулярные пики, не похожие на привычные сигналы, регистрируемые радиотелескопом. Джоселин не стала спешить с сообщением профессору Хьюишу о загадочном пульсирующем сигнале. Он то исчезал, то появлялся, но когда он был, то пики радиоизлучения шли равномерно, с периодичностью 1,33 секунды между максимумами. Вскоре Джоселин установила связь периодических сигналов с кон-кретным участком неба, после чего сообщила об открытии пульсирующего источника Энтони Хьюишу.
Профессор недоверчиво предположил, что сигнал, скорее всего, имеет земное происхождение, но Белл была уверена, что он идёт из космоса. Что за звёзды могут посылать сигналы с такой строгой периодичностью? Никто из астрономов не знал природных космических объектов, которые могли бы равномерно сигналить с частотой один раз в секунду. Для огромной звезды, даже для такой плотной, как белый карлик, пульсации с частотой около секунды были слишком быстрыми. Обычные пульсирующие или переменные звёзды меняли светимость медленно, с периодом в дни или недели.
Конечно, тут же возникла идея, что радиотелескоп поймал сигналы от инопланетян, которые в общественном сознании представлялись маленькими человечками с зелёной кожей. Может, «гребёнка», обнаруженная Белл на ленте самописца, — это телеграмма, которую посылает внеземная цивилизация, надеясь найти в космосе братьев по разуму? Первому пульсару даже присвоили обозначение LGM-1 — аббревиатура от английского выражения «little green men» — «маленькие зелёные человечки».
Гипотезу о телеграмме от братьев по разуму опровергла сама Джоселин Белл. Она открыла ещё несколько похожих пульсирующих источников, которые назвали пульсарами. Этот факт резко уменьшил число тех, кто верил в сигналы от зелёных человечков.
— Что, космос не может быть так плотно населён? — спросил Андрей.
Дзинтара кивнула:
— Да, открытие новых пульсаров подтвердило, что это не искусственные, а природные источники. Ещё один ученик Хьюиша — Фред Хойл предположил, что источником сигналов могут быть не белые карлики, а нейтронные звёзды. Время показало правильность его предположения.
— А что такое нейтронная звезда? — спросила Галатея.
Андрей укоризненно покачал головой:
— Мы же совсем недавно слушали сказку про Карла Шварцшильда и узнали, что нейтронная звезда — это то, что остаётся после взрыва Сверхновой, — маленькая звезда размером в несколько километров и плотностью больше плотности атомного ядра, что-то вроде шара из нейтронов.
— Ну забыла, — насупилась Галатея.
Дзинтара улыбнулась и продолжала:
— После статьи Хьюиша и Белл с соавторами все обсерватории мира бросились искать сигналы от пульсаров. Вскоре их обнаружили десятки, а спустя полсотни лет — тысячи. Среди них нашлись миллисекундные, рентгеновские и оптические.
Надо сказать, что периодические сигналы от пульсаров фиксировали ещё за несколько лет до того, как их обнаружила Белл, но наблюдатели посчитали их земными помехами. Только внимательность и большой опыт в распознавании сигналов разного вида позволили Белл выделить периодические сигналы пульсаров из общего шума.
Периодичность сигналов от пульсаров меняется только в исключительных случаях, например если возле них есть планеты. Эти планеты двигаются вокруг пульсара, заставляя его слегка качаться в такт своему движению. А движение источника периодических сигналов вызывает изменение частоты сигнала из-за эффекта Доплера.
Суть эффекта Доплера Джоселин Белл продемонстрировала в штаб-квартире ЮНЕСКО на лекции, посвящённой Году астрономии. Она принесла с собой таймер от кухонной плиты и, попросив нобелевских лауреатов, сидевших в первых рядах, слегка пригнуться, раскрутила его на верёвке. Все присутствующие смогли убедиться, что частота звука таймера, летящего по направлению к залу, выше частоты звука от удаляющегося таймера.
В 1994 году по изменению периодичности сигналов одного из пульсаров были открыты две вращающиеся вокруг него планеты массой около четырёх масс Земли каждая. Это была первая планетная система, открытая рядом с пульсаром.
— А на планетах вокруг пульсаров живут маленькие зелёные человечки? — оживилась Галатея.
— Вряд ли. Обычные планеты в такой системе уничтожены взрывом Сверхновой звезды, после которого остался лишь диск тугоплавких металлических частиц. Потом из них образовались планеты второго поколения, но на них нет жизни, потому что излучение пульсара убивает всё живое.
— А на первых планетах — до взрыва Сверхновой — могли возникнуть инопланетные цивилизации? — не отставала Галатея.
— Возможно, но судьба таких цивилизаций трагична, — выжить во взрыве Сверхновой они не могли.
— А вдруг они успели улететь на космических кораблях?
— Для такого способа спасения инопланетным цивилизациям нужно было развивать космические технологии, учиться строить огромные межпланетные корабли и жить в космосе, что потребовало бы уйму времени. Но даже самые разумные существа редко составляют планы на долгий период, хотя бы на тысячелетие.
— Представьте себе картину! — воскликнул Андрей. — Металлические планеты вращаются вокруг нейтронного шара, который служит маяком для всей галактики…
Дзинтара кивнула:
— Пульсары действительно можно использовать как маяки. Запущенные в 1977 году американские космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», покинувшие Солнечную систему, несли на борту звёздную карту, в которой галактическое положение Земли было указано относительно 14 пульсаров с известной частотой. Если инопланетяне за пределами нашей Солнечной системы получат эту картинку, а её легко расшифрует любое разумное существо, то смогут найти дорогу к нам.
Но вернёмся к пульсарам. В 1974 году, спустя всего семь лет после их открытия, Нобелевская премия по физике была поделена между Мартином Райлом — за пионерские работы в области астрофизических исследований в радиодиапазоне и Энтони Хьюишем — за его исключительную роль в открытии пульсаров.
В своей нобелевской лекции профессор Хьюиш много раз упомянул только одного своего сотрудника — Джоселин Белл, которая первой открыла космические сигналы пульсаров. Но, в отличие от Хьиюша, Нобелевской премии Джоселин Белл за это не получила. Известный британский астроном Фред Хойл и другие учёные были возмущены такой несправедливостью. Хойл публично заявил, что Белл должна была получить Нобелевскую премию вместе с Хьюишем, тем более что, согласно завещанию Нобеля, премия по физике может делиться между тремя учёными. То есть место для Белл было, но оно осталось незанятым.
Несколько лет спустя сама Белл так прокомментировала ситуацию вокруг пульсаров и премии: «Высказывались предложения, что я должна получить часть Нобелевской премии, которая была присуждена Тони Хьюишу за открытие пульсаров… Я полагаю, что Нобелевские премии потеряли бы свой авторитет, если бы они присуждались студентам-исследователям, за исключением особенных случаев, и я не думаю, что я попадаю в эту категорию».
Ещё одно открытие в области пульсаров сделали американские учёные Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Связано оно с миллисекундными пульсарами, которые астрономы используют как часы, потому что по точности они превосходят земные атомные. Любые отклонения в частоте говорят о каких-то важных процессах в пульсаре. Халс и Тейлор, исследуя двойной пульсар (пару пульсаров, вращающихся один вокруг другого), заметили, что они постепенно сближаются, словно их что-то тормозит. Это сближение, как оказалось, связано с тем, что двойной пульсар излучает гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном, но никем ещё не открытые. Кривая изменения скорости обращения пульсаров совпадала с теоретической кривой, полученной из теории гравитации Эйнштейна более чем на 99 процентов. Благодаря пульсарам теория Эйнштейна нашла ещё одно подтверждение, а существование загадочных гравитационных волн было практически доказано. За это открытие в 1993 году Халсу и Тейлору присуждена Нобелевская премия.
— Выходит, пульсары принесли Нобелевские премии нескольким мужчинам, но только не их первооткрывателю — женщине! — возмущённо воскликнула Галатея.
Дзинтара вздохнула:
— К сожалению, это так. Джоселин Белл вошла в историю науки как первооткрыватель пульсаров, но Нобелевская премия за их открытие присуждена не ей. Настоящие учёные понимают, что научное открытие такого уровня само по себе величайшая ценность и любые награды за него уже несущественны. Имя Джоселин Белл навсегда вписано в летопись мировой науки — это безоговорочное решение истории.
***
Квазары — самые яркие объекты во Вселенной, представляющие собой активные ядра галактик, компактные и очень мощные источники излучения.
Акр — земельная мера, равная 0,4 га. Применяется в ряде стран, использующих английскую систему мер, например в США, Канаде, Великобритании, Австралии.
Пульсар (от английского «pulsating star», сокращённо — «pulsar») — космический источник радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков.
Нейтронная звезда — один из конечных продуктов эволюции звёзд. Состоит из нейтронной сердцевины, покрытой слоем вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Средняя плотность вещества нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра, которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8·1017 кг/м2.
Джоселин Белл Бернелл (род. 1943) — британский астрофизик. Будучи аспиранткой Энтони Хьюиша, она стала в 1967 году первооткрывателем пульсаров.
Энтони Хьюиш (род. 1924) — соавтор открытия пульсаров, получивший за это в 1974 году Нобелевскую премию по физике.
Мартин Райл (1918—1984) — британский астрофизик, получивший в 1974 году Нобелевскую премию по физике вместе с Энтони Хьюишем.
Рассел Халс (род. 1950) — американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике 1993 года.
Джозеф Тейлор (род. 1941) — американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике 1993 года.
Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемое приёмником, вызванное движением их источника или движения приёмника.
Статьи по теме
- Сказка о Королевстве Кривых Пространств и дневных звёздах
- Сказка о Джоне Адамсе и Урбене Леверье, поймавших Нептун на математический крючок
- Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд
- Сказка об астрономе Слайфере, который открыл разбегание Вселенной
- Сказка о Б2ФХ, доказавших что мы — инопланетяне
Читайте в любое время
