В канадском Институте Периметр состоялась специальная открытая лекция выдающегося британского астрофизика Джоселин Белл Бернелл, посвященная истории открытия пульсаров. Будучи аспиранткой Кембриджского университета, она зафиксировала первый в истории науки сигнал от быстро вращающейся нейтронной звезды, преодолев скептицизм академического сообщества и несовершенство технологий своей эпохи. В рамках своего выступления исследовательница подробно рассказала о тернистом пути к открытию, природе этих уникальных космических объектов и курьезных моментах своей научной карьеры.
🌌 Открытие, изменившее астрофизику 0:32
Официальную часть вечера в заполненном до отказа зале театра Mike Lazaridis Theatre of ideas открыл директор по образовательным программам Perimeter Institute Грег Дик. Он поблагодарил спонсоров, в частности организацию BMO for Women, поддерживающую лекции с участием женщин-учёных. Затем слово взял директор Perimeter Institute доктор Нил Турок.
Представляя главную гостью, Нил Турок перечислил её многочисленные заслуги, отметив, что Джоселин Белл Бернелл в разное время возглавляла Институт физики, Королевское астрономическое общество и Королевское общество Эдинбурга. В том же году исследовательница была удостоена Специальной премии за прорыв в фундаментальной физике (Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics) за открытие пульсаров, совершенное в 1967 году. Как подчеркнул Турок, Белл Бернелл проявила исключительное благородство, пожертвовав всю сумму денежного приза на финансирование аспирантских стипендий по физике для представителей недостаточно представленных в науке групп. На лекции также присутствовала Донна Стрикленд, лауреат Нобелевской премии по физике 2018 года. Обеих выдающихся женщин институт включил в серию бесплатных образовательных плакатов «Силы природы» (Forces of Nature).
📻 Радиоастрономия и загадка квазаров 4:21
Выйдя на сцену, Джоселин Белл Бернелл с иронией заметила, что с момента открытия, сделанного ею в аспирантские годы, прошло уже 50 лет, и воспоминания могли слегка сгладиться. Она начала лекцию с объяснения базовых принципов электромагнитного спектра. Человеческий глаз видит лишь узкий диапазон, называемый видимым светом, однако космические объекты излучают волны практически во всех диапазонах:
- Ультрафиолетовое излучение, вызывающее загар и используемое в диско-лампах.
- Рентгеновские лучи, которые генерируются не только медицинскими аппаратами, но и звездами и галактиками.
- Гамма-лучи, применяемые для стерилизации инструментов и лечения рака.
- Инфракрасное излучение, миллиметровые волны, радары, микроволновые печи, а также телевизионный и радиодиапазоны.
Развитие радиоастрономии началось сразу после Второй мировой войны. Учёные, работавшие над созданием военных радаров, смогли забрать списанное оборудование (включая реквизированные немецкие радарные тарелки) в свои университеты. Одним из символов этой эпохи стал культовый британский радиотелескоп Джодрелл-Бэнк, фиксировавший сигналы на бумажные ленты. Вскоре астрономы обнаружили в небе множество ярких радиоисточников, природа которых оставалась загадкой. Их назвали квазарами из-за внешнего сходства со звездами. Загадку в 1963 году разгадал голландский астроном Мартин Шмидт, работавший в США. Он понял, что оптический спектр квазаров имеет колоссальное красное смещение, что указывало на их невероятную удаленность от Земли и, как следствие, огромную светимость.
🇬🇧 Кембридж и «синдром самозванца» 11:00
Джоселин Белл Бернелл поделилась деталями своей биографии, показав карту Британских островов. Родившаяся в Северной Ирландии, она училась в Йорке, получила степень бакалавра в Университете Глазго в Шотландии, после чего неожиданно для себя оказалась на самом «высокосветском» юге Англии — в Кембридже. Окружающие казались ей невероятно уверенными в себе и блестящими интеллектуалами, из-за чего будущая исследовательница почувствовала себя чужаком из далекого космоса.
Как объяснила Белл Бернелл, в тот момент она страдала от так называемого синдрома самозванца. Это психологическое состояние часто возникает у людей из провинции, попадающих в элитное окружение: им кажется, что их приняли по ошибке, которую вот-вот обнаружат и с позором выгонят. По словам лектора, некоторые студенты Оксфорда, где она сейчас работает, из-за этого синдрома бросают учебу в первую же неделю. Однако Белл Бернелл решила бороться: она дала себе слово работать на пределе возможностей, чтобы после неминуемого отчисления её не мучила совесть. В Кембридже того времени царила атмосфера, которую исследовательница емко описала цитатой советского физика Якова Зельдовича: «Часто ошибаются, но никогда не сомневаются».
🔨 57 теннисных кортов из проволоки 14:17
В первый же день аспирантуры всем студентам-экспериментаторам выдали тяжелые инструменты для работы с металлом и кабелями. Теоретикам такие наборы не полагались. Следующие два года Джоселин Белл Бернелл провела на строительстве самодельного радиотелескопа в обсерватории в нескольких милях от Кембриджа. Ей поручили монтаж всех разъемов и штекеров, но к концу проекта она научилась профессионально махать кувалдой.
Условия работы были суровыми:
- Монтаж разъемов на дорогой кабель с низкими потерями приходилось выполнять в чистом поле, прячась от ветра в крошечных деревянных будках.
- Ветер постоянно охлаждал паяльник, что сильно затрудняло пайку.
- Ближайшая электрическая розетка находилась на расстоянии 300–400 метров.
Готовый телескоп занимал площадь, эквивалентную 57 теннисным кортам. Он состоял из более чем 2000 дипольных антенн, закрепленных на 1000 деревянных столбов. Столбы были необходимы, чтобы кабели не касались влажной травы, вызывающей короткое замыкание. Всего было израсходовано несколько тонн медной проволоки, а общая длина кабелей составила 190 километров. Телескоп работал на длине волны 3,5 метра (частота 81,5 МГц). Белл Бернелл удивило, что в Кембридже использовались старые вакуумные лампы, а не транзисторы. Руководство объясняло это тем, что транзисторы якобы слишком шумные и ненадежные.
✨ Мерцание звезд и километры бумажных лент 18:08
Научный руководитель аспирантки Энтони Хьюиш разработал метод поиска квазаров, основанный на межпланетном мерцании. Радиоволны от компактного квазара, проходя сквозь ионизированный солнечный ветер с неоднородной плотностью электронов, начинают рассеиваться. Для земного наблюдателя это выглядит как быстрая пульсация сигнала с периодом около одной секунды. Протяженные радиоисточники такого мерцания не дают. Чтобы фиксировать эти колебания, требовалось установить очень короткое время интеграции сигнала — всего 0,1 секунды.
В Кембридже тогда был всего один компьютер, занимавший огромную комнату, и доступ к нему имел только руководитель группы Мартин Райл для построения карт неба методом Фурье. Остальные ученые использовали труд аспирантов. Данные телескопа круглосуточно записывались на бумажные ленты:
- Каждый день приносил 30 метров бумажного чарта.
- Полное сканирование неба занимало 4 дня и требовало 120 метров бумаги.
- За 6 месяцев работы Белл Бернелл накопила и вручную изучила более 5 километров бумажных лент.
Ей приходилось отличать сигналы квазаров от антропогенных помех — искрящих термостатов, линий электропередач и автомобильных двигателей. Первое проявление пульсара Энтони Хьюиш изначально квалифицировал на графике как низкоуровневую помеху. Однако этот крошечный отрезок записи длиной в 5 миллиметров застрял в подсознании аспирантки. Когда аналогичный сигнал повторился из того же участка неба, она подняла архивные коробки из-под обуви, где хранились ленты, разложила их на полу и обнаружила, что всплески идеально совпадают по прямому восхождению. Более того, источник двигался со скоростью звезд — по сидерическому (звездному) времени, отстающему от солнечного на 4 минуты в сутки (23 часа 56 минут).
⏱️ В погоне за неуловимым сигналом 28:46
Чтобы детально рассмотреть сигнал, сжатый в 5 миллиметров, требовалось запустить бумажную ленту на высокой скорости. В таком режиме рулона хватало всего на 20 минут. Белл Бернелл вручную переключала самописец прямо во время прохождения источника через луч телескопа. Целый месяц она исправно выезжала в обсерваторию, но сигнал исчез, сменившись обычным шумом приемника. Хьюиш был в ярости, посчитав, что это была вспыхивающая звезда, момент которой аспирантка упустила. Как пошутила Белл Бернелл, аспиранты в лаборатории часто выполняют роль кота, которого пинают, когда всё идет плохо.
Однажды она решила пропустить полуденный выезд ради интересной лекции Кембриджского университета, посвященной старению. Приехав на следующий день, она обнаружила, что именно в её отсутствие сигнал вернулся. Чтобы реабилитироваться, она осталась караулить телескоп на вторые сутки. Всплеск повторился, и высокоскоростная запись зафиксировала четкие регулярные импульсы с периодом 1,33 секунды.
Аспирантка немедленно позвонила Хьюишу. Тот скептически отрезал: «Ну вот, это точно дело рук человека». Однако Белл Бернелл привела железный аргумент: источник строго следовал звездному времени (23 часа 56 минут). Если бы это был условный рабочий, возвращающийся домой на машине с плохим подавлением радиопомех, ему пришлось бы уходить с работы на 4 минуты раньше каждый день. На следующий день Хьюиш лично прибыл в обсерваторию и убедился в реальности феномена. Чтобы исключить ошибку в монтаже телескопа, сигнал перепроверили на соседнем приборе коллеги Пола и его аспиранта Робина. Из-за разницы в положении луча возникла паника — сигнал пошел с задержкой в 5 минут, но в итоге приборы Робина также зафиксировали пульсацию. Четкий шаг и огромная энергия указывали на то, что объект одновременно мал и массивен.
👽 «Зеленые человечки» и новые открытия 36:19
Измерение дистанции по дисперсии радиосигнала (когда высокие частоты доходят до Земли чуть раньше низких) показало, что объект находится на расстоянии около 200 световых лет, то есть внутри нашей Галактики. В кулуарах возникла гипотеза о «маленьких зеленых человечках» (Little Green Men, LGM-1) — искусственном сигнале внеземной цивилизации. Хьюиш предположил, что если это инопланетяне, то они должны жить на планете, вращающейся вокруг своей звезды, а значит, должен наблюдаться доплеровский сдвиг частоты импульсов. Белл Бернелл продолжила наблюдения, но обнаруженный доплеровский сдвиг отражал лишь движение самой Земли вокруг Солнца.
Перед самым Рождеством за закрытыми дверями кабинета Хьюиша состоялось экстренное совещание с участием профессора Мартина Райла и редактора научного журнала. Они понимали, что публикация одного сумасшедшего факта без объяснения выглядит сомнительно, но затягивать было нельзя. Джоселин вернулась в лабораторию после ужина раздосадованной: до конца её гранта оставалось несколько месяцев, а инопланетяне выбрали именно её телескоп и её частоту. Поздно вечером, анализируя другой проблемный участок неба, страдавший от помех мощного полярного радиоисточника, она заметила едва различимый похожий паттерн.
Выбежав из здания за пять минут до блокировки дверей жандармом, она вернулась в обсерваторию в два часа ночи 21 декабря. Стоял жуткий холод, аппаратура барахлила. Аспирантка ругалась на приборы, щелкала тумблерами и буквально отогревала технику своим дыханием. Телескоп проработал на полной мощности ровно нужные 5 минут, зафиксировав второй пульсирующий источник с периодом 1,25 секунды. Уехав на каникулы в Ирландию, Джоселин объявила о помолвке. По возвращении в Кембридж с обручальным кольцом на пальце (что в те времена считалось сигналом к скорому уходу женщины из профессии) она оперативно обнаружила на архивных лентах третий и четвертый пульсары, находившиеся на расстоянии всего одного метра друг от друга на бумажном графике. Наличие четырех объектов полностью снимало гипотезу об инопланетянах и открывало дорогу к официальной публикации.
📰 Слава, сексизм и рождение термина 45:00
Перед выходом статьи Энтони Хьюиш выступил с докладом на семинаре в Кембридже. Сидевший в первом ряду знаменитый астрофизик Фред Хойл прямо во время лекции с характерным йоркширским акцентом заявил, что объект не может быть белым карликом (как считал Хьюиш), а является остатком сверхновой — нейтронной звездой. Хойлу понадобилось всего 45 минут, чтобы с ходу выдать абсолютно верное физическое объяснение явления.
Открытие вызвало небывалый ажиотаж в прессе, однако отношение к авторам было подчеркнуто полярным:
- Энтони Хьюиша журналисты расспрашивали исключительно об астрофизическом значении открытия.
- Джоселин Белл Бернелл доставалась роль «человеческого интереса»: её спрашивали о росте, количестве бойфрендов, объеме груди и талии, а фотографы просили расстегнуть верхние пуговицы блузки.
Будучи уязвимой аспиранткой без постоянной работы, она терпела это отношение ради рекомендаций. Само название «пульсар» родилось в интервью с научным корреспондентом газеты The Daily Telegraph Нэнси Майкелис. Астрономы выбирали между пульсирующим и импульсным источником, а Майкелис предложила сокращение по аналогии с квазаром. Позже, по слухам, американская часовая компания Pulsar даже пыталась судиться с астрономами за использование этого товарного знака.
🧲 Физика экстремального космоса 49:20
Сегодня пульсары определяются как сверхплотные, быстро вращающиеся нейтронные звезды, образующиеся после взрыва сверхновых с массой около 10 масс Солнца. Излучение исходит из областей над магнитными полюсами, которые не совпадают с осью вращения, создавая эффект космического маяка. К 2018 году астрономам было известно около 3000 пульсаров. Большинство из них изолированы, но есть двойные и даже тройные системы, на которых проверяются теории относительности и принципы эквивалентности Эйнштейна.
Физические характеристики пульсаров поражают воображение:
- Фантастическая плотность: Масса порядка $10^{27}$ тонн сосредоточена в шаре радиусом всего 10 километров. По аналогии лектора, если спрессовать всё население Земли (более 7 миллиардов человек) в наперсток для шитья, плотность этого наперстка сравняется с плотностью пульсара.
- Искажение пространства и времени: Сверхсильная гравитация закручивает лучи света, позволяя увидеть поверхность звезды «за горизонтом» на 20-30 градусов. Из-за гравитационного замедления времени часы на пульсаре идут в два раза медленнее земных, аналогично замедлялся бы и человеческий метаболизм.
- Смертоносный градиент: При падении на такую звезду ноги притягивались бы значительно сильнее головы, что мгновенно вытянуло бы и разорвало тело гипотетического космонавта.
- Колоссальные поля: Магнитное поле достигает $10^8$ Тесла (против 0,01 Тесла у магнита на холодильнике). Вращение поля создает колоссальное падение напряжения в 10 миллиардов вольт на сантиметр.
При этом пульсары являются совершенными космическими часами. Их точность составляет 1 долю на $10^{15}$. Со времен вымирания динозавров период вращения типичного пульсара увеличился всего на одну секунду.
🛸 Космические рекорды и новые горизонты 59:03
В настоящее время радиоастрономия выходит на новый уровень благодаря вводу в строй гигантских радиотелескопов. В Китае завершается ввод в эксплуатацию 500-метрового телескопа FAST в карстовой низменности, который уже обнаружил около 70 новых пульсаров. В Канаде (Британская Колумбия) запущен новейший цилиндрический радиотелескоп CHIME, обладающий высокой чувствительностью.
Джоселин Белл Бернелл перечислила самые удивительные рекорды в этой области:
- Самый быстрый пульсар: PSR J1748-2446ad совершает около 700 оборотов в секунду. На аудиозаписи его сигнал сливается в высокий свист, напоминающий кухонный блендер.
- Планетные системы: Вопреки теории, у некоторых пульсаров обнаружены экзопланеты, фиксируемые по доплеровскому колебанию самой звезды.
- Самая круглая орбита: Орбита одного из пульсаров идеальна — отклонение от идеального круга составляет всего 5 микрон при общей протяженности в 500 тысяч километров.
- Невероятная скорость падения: Любой предмет, падающий на поверхность пульсара, ударяется о нее на половине скорости света.
💬 Вопросы и ответы 1:04:20
В ходе сессии вопросов и ответов Джоселин Белл Бернелл успокоила публику, заявив, что Земле не угрожает детонация нейтронных звезд или близких сверхновых. Ближайший кандидат на взрыв — Бетельгейзе в созвездии Ориона — находится на безопасном расстоянии в 65 световых лет (опасная зона составляет менее 25 световых лет).
Отвечая на вопрос о вовлечении молодежи в науку, лектор рассказала о проекте гражданской науки Zooniverse, выросшем из Оксфордского студенческого проекта Galaxy Zoo, где волонтеры со всего мира помогают классифицировать миллионы галактик по фотографиям.
Особое внимание Белл Бернелл уделила гендерному дисбалансу в физике. По её наблюдениям, англоязычные страны (Австралия, США, Канада, Великобритания) и страны Северной Европы находятся ниже среднемирового уровня по проценту женщин-астрономов. В то же время в Южной Америке и католических странах Южной Европы (Италия, Франция, Испания) женщин в этой науке значительно больше. Это, по мнению исследовательницы, доказывает, что дело не в возможностях женского мозга, а исключительно в местной культуре и организации общества.
В заключение лектор объяснила феномен исчезновения первых пульсаров межзвездной сцинтилляцией (мерцанием в пространстве между звездами), которая имеет циклы в несколько недель. Она также вспомнила курьезный случай 1957 года из обсерватории Макдональд в Техасе, когда простая посетителься с лицензией пилота заметила визуальное мигание пульсара в Крабовидной туманности на частоте 30 Гц, но ассистент отмахнулся от нее, списав всё на обычное мерцание звезд.
