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

Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і житті» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012, № 8, 2012, № 9, 2012, № 10, 2012, № 12, 2012, № 1, 2013, № 1, 2014, 2014, № 2 № 2014.

Після вечері Дзінтара покликала дітей:

Ентоні Х’юїш. Фото з сайту www.nobelprize.org

— Сьогодні я розповім вам історію про юну дівчину-астронома, яка виявилася досвідченішою за сивочолих вчених і думала швидше за найрозумніші комп’ютери.

Ця історія почалася 1965 року. Джоселін Белл щойно закінчила університет у шотландському місті Глазго і стала аспіранткою Ентоні Х’юїша, професора Кембриджського університету. Х’юіш спроектував особливий радіотелескоп для прийому та 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 мав 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 Х’юїша і кілька студентів, які допомагали їм під час канікул. Через два роки об’єкт побудували. Він нагадував майданчик, де пральні сушать білизну, тільки замість мотузок між стовпами були протягнуті металеві дроти.

Радіоапаратура безпосередньо посилала сигнал на самописці, які щодня видавали 30 метрів паперової стрічки. По всій довжині стрічки йшла безперервна зигзагоподібна крива. Переглянути і проаналізувати її було виключно важким завданням. Досвіду обробки радіохвиль, вловлюваних телескопом з дроту, ні в кого не було. Ніхто не розумів в деталях, що за сигнали буде приймати новий телескоп. Комп’ютери не використовували, тому що для них ще не були створені програми обробки даних і пошуку потрібних сигналів. Щоб аналізувати дані, була потрібна людина-комп’ютер, яка щодня переглядала б 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 року Белл виявила в записах самописця «гребінку» — регулярні піки, не схожі на звичні сигнали, реєстровані радіотелескопом. Джоселін не поспішала з повідомленням професору Х’юїшу про загадковий пульсуючий сигнал. 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 конкретною ділянкою неба, після чого повідомила про відкриття пульсуючого джерела Ентоні Х’юїшу.

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)

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 на секунду. Для величезної зірки, навіть для такої щільної, як білий карлик, пульсації з частотою близько секунди були занадто швидкими. Звичайні пульсуючі або змінні зірки змінювали світність повільно, з періодом у дні або тижні.

Звичайно, тут же виникла ідея, що радіотелескоп зловив сигнали від інопланетян, які в суспільній свідомості представлялися маленькими чоловічками з зеленою шкірою. Може, «гребінця», виявлена Белл на стрічці самописця, — це телеграма, яку посилає позаземна 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 у сигнали від зелених чоловічків.

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

— Що, космос не може бути так щільно населений? — запитав Андрій.

Дзинтара кивнула:

— Так, відкриття нових пульсарів підтвердило, що це не штучні, а природні джерела. Ще один учень Х’юїша — 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 докоризно похитав головою:

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

синій колір, NASA/CXC/ASU/Дж. Хестер та ін.)’)’>

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

— Ну забула, — насупилася Галатея.

Дзинтара посміхнулася і продовжувала:

Після статті Х’юїша і Белл зі співавторами всі обсерваторії світу кинулися шукати сигнали від пульсарів. Незабаром їх виявили десятки, а через півсотні років — тисячі. Серед них знайшлися мілісекундні, рентгенівські та оптичні.

Треба сказати, що періодичні сигнали від пульсарів фіксували ще за кілька років до того, як їх виявила Белл, але спостерігачі порахували їх земними перешкодами. Тільки уважність і великий досвід у 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 качатися в такт своєму руху. А рух джерела періодичних сигналів викликає зміну частоти сигналу через ефект Доплера.

Вузькоспрямоване радіовипромінювання пульсара у вигляді періодичних сигналів з частотою його обертання. Зображення з сайту Wikimedia Commons

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, що сиділи в перших рядах, злегка пригнутися, розкрутила його на мотузці. Всі присутні змогли переконатися, що частота звуку таймера, що летить у напрямку до залу, вище частоти звуку від таймера, що віддаляється.

У 1994 році по зміні періодичності сигналів одного з пульсарів були відкриті дві обертові 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 Наднової 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 Наднової — могли виникнути інопланетні цивілізації? — не відставала Галатея.

— Можливо, але доля таких цивілізацій трагічна, — вижити у вибуху Сверхнової вони не могли.

— А раптом вони встигли полетіти на космічних кораблях?

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

— Уявіть собі картину! — вигукнув Андрій. — Металеві планети обертаються навколо нейтронної кулі, яка служить маяком для всієї галактики…

Дзинтара кивнула:

— Пульсари дійсно можна використовувати як маяки. Запущені 1977 року американські космічні апарати «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які покинули Сонячну систему, несли на борту зоряну карту, в якій галактичне положення Землі було вказано 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 пульсарів. У 1974 році, через сім років після їхнього відкриття, Нобелівська премія з фізики була поділена між Мартіном Райлом — за піонерські роботи в галузі астрофізичних досліджень у радіодієстоні та Ентоні Х’юїшем — за його виняткову роль у відкритті пульсарів.

У своїй нобелівській лекції професор Х’юіш багато разів згадав тільки одного свого співробітника — Джоселін Белл, яка першою відкрила космічні сигнали пульсарів. Але, на відміну від Х’їюша, Нобелівської премії Джоселін Белл за це не отримала. Відомий британський астроном Фред Хойл та інші вчені були обурені такою несправедливістю. Хойл публічно заявив, що Белл повинна була отримати Нобелівську премію разом з Х’юїшем, 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 потому сама Белл так прокоментувала ситуацію навколо пульсарів і премії: «Висловлювалися пропозиції, що я повинна отримати частину Нобелівської премії, яка була присуджена Тоні Х’юїшу 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 потрапляю в цю категорію «.

Ще одне відкриття в області пульсарів зробили американські вчені Рассел Халс і Джозеф Тейлор. Воно пов’язане з мілісекундними пульсарами, які астрономи використовують як годинник, тому що за точністю вони перевершують земні атомні. Будь-які відхилення в частоті говорять про якісь важливі процеси 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’язане з тим, що подвійний пульсар випромінює гравітаційні хвилі, передбачені Ейнштейном, але ніким ще не відкриті. Крива зміни швидкості обігу пульсарів збігалася з теоретичною кривою, отриманою з теорії гравітації Ейнштейна більш ніж на 99 відсотків. Завдяки пульсарам теорія Ейнштейна знайшла ще одне підтвердження, а існування загадкових гравітаційних хвиль було практично доведено. За це відкриття в 1993 році Халсу і Тейлору присуджено Нобелівську премію.

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

Дзинтара 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 вписане в літопис світової науки — це беззастережне рішення історії.

Джоселін Белл Бернелл (рід. 1943) — британський астрофізик. Будучи аспіранткою Ентоні Х’юїша, вона стала в 1967 році першовідкривачем пульсарів.

Ентоні Х’юіш (рід. 1924) — співавтор відкриття пульсарів, який отримав за це в 1974 році Нобелівську премію з фізики.

Мартін Райл (1918-1984) — британський астрофізик, який отримав 1974 року Нобелівську премію з фізики разом з Ентоні Х’юїшем.

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

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

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

Пульсар (від англійської «pulsating star», скорочено — «pulsar») — космічне 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, вкритої 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 становить в середньому 2, 8· ¹⁰17 кг^/м2.

Акр — земельний захід, рівний 0,4 га. У низці країн, які використовують англійську систему заходів, наприклад у США, Канаді, Великобританії, Австралії.

Ефект Доплера — зміна частоти і довжини хвиль, що реєструється приймачем, викликана рухом їх джерела або руху прийомника.