Не успели утихнуть страсти вокру1 СТА-102, как американские ра­диоастрономы обнаружили загадочное излучение на волне 18 см. Еще в 1953 г. И. С. Шкловский предсказал, что в этом диапазоне должна наблюдаться радиолиния межзвездного гидроксила ОН, возникающая при переходах между компонентами так называемого «лямда-удвоения», на которые расщепляется основной вращатель­ный уровень этой молекулы. Более точный расчет, выполненный Ч. Таунсом, который учел также расщепление каждого из уровней «А удвоения» на два подуровня (рис. 1 8.1), показал, что должны наблюдаться четыре линии на частотах 1612, 1665, 1667 и 1720 МГц. Относительные интенсивности линий на этих частотах равны 1:5:9:1. Радиоизлучение какого-либо источника, прохо­дя через межзвездную среду, поглощается молекулами гидроксила, поэтому в спектре источника на соответствующих частотах должны наблюдаться линии поглощения, совершенно так же, как наблюда­
ются линии поглощения различных химических элеменюь в спект­ре Солнца и звезд в оптической области спектра.

В течение длительного времени линии поглощения ОН не уда­валось обнаружить вследствие их малой интенсивности. И только в конце 1963 г. сотрудники Массачусетского тсхноло! ического ин-

Расщепление на подуровни уровней "Л-удвоения"

Oct Вной

Вращательным уровень

s<g ё

Расщепление на подуровни уровней "Л-удвоения"

Рис. 1.8.1. Схема энергетических уровней основного состояния молекулы ОН.

Вертикальными линиями показаны переходы между уровнями Цифры ука­зывают частоты соответствующих радиолиний, в скобках даны их длины воли

Статута (США) обнар] жили две слабые линии поглощения в спект­ре ярчайшего источника Кассиопея-А на частотах i665 и 1667 МГц. Отношение интенсивностей этих линий оказа юсь в полном согла­сии с теоретически ожидаемым. Затем линии поглощения ОН были обнаружены в ядре нашей Галактики (радиоисточник Стрелец-А) и в некоторых других радиоисточника).. Казалось, ничто не предве­щало никаких неожиданностей.

Но вот в феврале 1965 г. на обсерватории Хэт Крик (США) было предпринято наблюдение радиоисточника W-49 на частоте 166/ МГц с помощью нового многоканального приемника, чтобы детально изучть профиль радиолинии гидроксила ОН. Каково же было изумление исследователей, когда вместо линии поглощения оии обнаружили на этой частоте очень узкую и очень интенсивную линию излучения! Ширина линии была в сотни раз меньше, чем у радиолинии водорода — 21 см, а ее интенсивность соответствовала яркостной температуре в сотни миллионов градусов (но современ­ным оценкам, яркоетная темпера гура источников ОН доегшает 1013 К!) Это было неожиданно п необъяснимо. Во-первых, такая вы­сокая яркостная температура не согласуется с наблюдаемой шириной
линии (ей соответств) ет температура порядка 10 К); во-вторых, мо­лекулы гидроксила (как, впрочем, и другие молекулы) не могут суще­ствовать при такой температуре, они pa ip; шшотся при температуре в несколько тысяч градусов. Все это выглядело сплошной загадкой. На­блюдение того же радиоисточника на частоте 1665 МГц еще более осложнило ситуацию. Оказалось, что эта радиолиния также иаблю дается в излучении, причем ее интенсивносгь значительно поевышает интенсивность линии ] 667 МГц. Для молекул i идроксила, как уже отмечалось, теоретическое соотношение интенсивносгей должно бьгть 5 :9, для очень плотных облаков оно может достигать 1 : 1, но ни при каких обстоятельствах интенсивность линии 16о5 МГц не может превосходить интенсивность линии 1667 МГц.

Все эти особенности заставили предположить, что мы столкну­лись с совершенно новой, неизвестной субстанцией, которую пер­вооткрыватели выразительно назвали "мистериум». В истории аст­рономии иззестны пох< >жие случаи. Так, в течение длительного вре­мени не удавалось отождествить яркие эмиссионные линии в оптических спектрах планетарных туманностей. Тогда, по анало­гии с гелием, который не бьгл известен химикам и первоначально был обнаружен тоже по спектру в атмосфере Солнца, а лишь затем найден на Земле, — предположили, что и линии излучения плане­тарных туманностей принадлежат новому химическому элементу «не — булию». Но, в отличие от гелия, для «небулия» не было места в периодической системе элементов Менделеева. Надо было искать среди известных элементов. Зата цеа «небулия» была решена в 1937 г. И. Боуэном, который показал, что «небулярные» линии излучают­ся при запрещенных перехо, (ах ионизированньгх атомов кислорода и азота Также в течение почти 70 лет астрономы не могли отожде­ствить яркие линии в спектре солнечной короньг. Предполагалось, что они излучаются особьгм элементом — «коронием». И лишь в 1940-х годах корональные линии были отождествлены с запрещен­ными переходами атомов, находящихся в очень высокой степени ионизаци. Так, самая интенсивная зеленая корональная линия (А (=« 5303 А) принадлежит тринадцати-кратно ионизированному атому железа. Конечно, в то время, когда эти линии бьгли обнару­жены, такое отождествление не могло быть сделано хотя бьг пото­му, что тогда не существовало понятие 13-кратно ионизированного атома железа, ибо в то время вообще не была еще известна совре­менная модель строения атома, состоящего из ядра и электронов. Любопьгтно однако, что на правильное решение указывалось более ста лет назад в одном из писем Махатм Синнету. Так, в письме 1882 г. говорится: «Линия короны, наблюдаемая через лучший "дифрак­ционный спектроскоп", может казаться и не совпадающей с лини­ей железа (имеется в виду линия поглощения в спекгре фотосфе­ры — Л Г.). Но тем не менее корона содержит железо, как и другие пары. Сообщать вам, из чего они состоят, — бесполезно, ибо я не в состоянии перевести слова, которыми мы для этого пользуемся, да и вещества такого нет больше нигде (по крайней мере в нашей Солнечной системе) — кроме как на Солнце»[23].

Но вернемся к «мистериуму». Имеется существенное отличие между «мистериумом», с одной стороны, и «коронием» и «небули — ем» — с другой. Линии «корония» и «небулия» не обладали ника­кими необычными свойствами, но их было трудно отождествить с известными химическими элементами. В случае «мистериума» дело обстоит как раз наоборот. Линии «мистериума» прекрасно отож — дест вляются (совпадают по частоте) с линиями гидроксила ОН. Это относится ко всем четырем линиям, ибо вскоре после обнаружения главных эмиссионных линий 1667 и 1665 МГц были обнаружены также эмиссионные линии на частотах 1612 и 1720 МГц. Труд­ность состояла не в отождествлении, а в необычном, необъяснимом поведении обнаруженных эмиссий. Это и нашло отражение в назва­нии «мистериум».

Конечно, возникло предположение, что виновниками «мисте­риума» являются «внеземные цивилизации»[24]. Это предположение было небеспочвенным. Помимо уже отмеченных удивительных осо­бенностей оказалось, что профиль линий «мистериума» в некото­рых источниках очень быстро меняется: отмечено заметное изме­нение интенсивности компонент линии ото дня ко дню. Угловые размеры источников «мистериума» оказались порядка (или мень­ше) тысячных долей угловой секунды. Наконец, в отдельных ком­понентах была обнаружена почти 100 %-ная круговая поляризация.

То ecii> источники «мистериума» обладали всеми ожидаемыми свой­ствами искусственного источника. Против гипотезы, связывающей «мистериум» с внеземными цивилизациями, юворило то, что фе­номен ассоциировался с хорошо известными в астрономии самыми обычными газовыми туманностями. Причем он оказался довольно распространенным: приметою в 50 % всех газовых туманностей было обнаружено излучение «мистериума». Надо было искать какой-го естественный (конечно, сильно неравновесный) механизм, который мог бы объяснить наблю щемые особенности эмиссии ОН. И та­кой механизм был найден — им оказалось мазерное излучение.

Что такое мазерное излучение? Многие знают, что есть такой оптический прибор лазер — квантовый генератор и усилитель оп­тического излучения, с помощью которого можно получить очень интенсивные узконаправленные монохроматические световые пуч­ки. Аналогичный прибор, только действующий в радиодиапазоне, получил название мазер.

Как работает мазео? Рассмотрим два соседних энергетических уров­ня молекулы Ех и Ег При поглощении кванта электромагнитного изл; чения определенной частоты (Hv = Ег — Е,) молекула переходит из ниж­него состояния Е в верхнее состояние Ег Через некоторое время она вновь возвращается в нижнее состояние и при этом излучает квант той же частоты V. Переход с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить спонтанно (самопроизвольно) или под действием кван­та, с частотой, соответствующей данному переходу Е2 — Et Последний процесс называется вынужденным или индуцированным излучением. Важ­ной особенностью индуцированного и шучения является то, что «инду­цированный» квант имеет точно такую же частоту и фазу, как и «инду­цирующий», и летит в том же направлении.

В обычных условия?:, близких к термодинамическому равновесию, число молекул в нижнем состоянии гора що больше, чем в верхнем. По­этому квант, влетевший в облако газа, нмеет гораздо больше шансов по­глотиться, чем вызвать вынужденный переход с верхнего энергетическо­го уривня на нижний. В результате излучение на частоте молекулярного перехода поглощается в облаке газа, а роль вынужденного излучения сво­дится к тому, что оно несколько ослабляет величину полного поглоще­ния. Так происходит в обычных условиях. Иное дело, когда число моле кул на верхнем энергетическом уровне много больше, чем на нижнем. Тогда любой квант, влетевший в облако газа (или излученный при спои танном переходе молекулой самого этого облака), вместо того, чтобы поглотиться при переходе с нижнего состояния в вфхнее, вызывает вы­нужденный переход одной из молекул в нижнее энергетическое состоя­ние При этом излучается квант той же частоты, летящий в том же на правлении Он, в свою очередь, с преобладающей вероятностью, вызы­
вает вынужденное изл) чение другой молекулы и т. д. Возникает нараста ющин лавинообразный процесс. Причем все кванты имеют строго опре­деленную частоту и летят в од­ном направлении — направлении 3- первого «индуцирующего» кван­та. Это и есть мазерный эффект. Необходимым условием его осу­ществления является инверсная Населенность уровней, т е. пре­обладание числа молекул на вер­хнем энергетическом уровне по сравнению с нижним. Механизм, с помощью которого постоянно поддерживается инверсная засе ленность, называется накачкой Мазера Схема накачки >иш кос­мического мачера приведена на рис. 1.8.2.

Все особеннос ти эмиссион­ных линий ОН, ко. орые по­началу так удивили исследова­телей, удалось объяснить с по­мощью мазерного механизм: В дальнейшем было обнаруже­но мазерное излучение дру гих молекул в межзвездной среде: молекулы воды Н20 на частоте 22,2 ГГц (длина волны 1,35 см), молекулы метилового спирта СН3ОН на волне 1,2 см и кремния SiO в миллиметровом диапазоне спектра.

Гипотеза искусственного происхо:кдения эмиссионных линий ОН продержалась недолго. Но значение их для проблемы SETI, по-прежнему, велико. Прежде всего, как было установлено, источ­ники мазерного излучения ОН являются областями, где происхо­дит процесс звездообразования. По этому поводу И. С. Шкловский, который впервые выдвинул эту гипотезу, образно заметил: «…но­ворожденная звезда оповещает о своем рождении всю Галактику, пользуясь новейшей техникой квантовой радиофизики…». Далее, если в определенной области межзвездной среды реализуются ус­ловия для действия космического мазера, то он будет усиливать не только естественное излучение дайной частоты, но и искусственный сигнал на частоте мазер», проходящий через мазерное облако. Эта идея была использована при поиске радиосигналов ВЦ. Наконец,
частота радиолиний гидроксила (так же, как и линии водорода 21 см) относится к числу так называемых «магических» частот, на которых ведется поиск радиосш на юв. А интервал частот между линией во­дорода 1420 МГц и самой низкочастотной линией гидроксила 1612 МГц (так называемая «водяная дыра» или «водяная щель») рас­сматривается как область, отведенная космическими цивилизация­ми для межзвездной связи.

Еще более драматическая история произошла в связи с открыти­ем пульсаров. Это случилось в 1967 г., когда 3ai адка «мистериума» уже была решена. По мнению И. С. Шкловского, открытие пульса­ров можно отнести к числу самых выдающихся открытий XX. века. Как и всякое истинное открытие, оно было сделано совершенно случайно.

В июле 1967 г. на Маллардской радиоастрономической обсер­ватории Кембриджского университета (Англия) вступил в строй новый радиотелескоп метрового диапазона волн. Егс антенна со­стоит из 2048 диполей, расположенных в 16 радов по 128 диполей в каждом в направлении восток-запад, образуя прямоугольник раз мером 470 х 45 м. Телескоп предназначался для исследования ра­диоисточников методом мерцаний Мерцания вози] жают при рас­сеянии радиоволн на неоднородностях межзвездной среды и по­зволяют оценить некоторые параметры источника, например, его угловые размеры. Эффект аналогичен мерцанию звезд при распро­странении света в земной а. мосфере. Работа проводилась под оуко- водством известного радиоэоронома А. Хыэиша, впоследствии удо­стоенного Нобелевской премии. Для регистрации быстрых изме­нений радиопотока (мерцаний) использовалась радиоприемная аппаратура с малой пос гоянной времени Это обстоятельство ока­залось решающим для обнаружения пульсаров.

Наблюдения проводились на частоте 81,5 МГц, в полосе 1 МГц, с постоянной времени 0,1 с. Почт и сразу же после начала наблюде­ний, в августе 1967 г., был зарегистрирован довольно сильный сш нал в виде периопччески повторяющихся импульсов. Длительность каждо­го импульса состав/шла 0,3 с, а период их повторения 1,337 с, т. е. промежуток времени между импульсами составлял около 1 cei унды. Дальнейшие наблюдения позволили уточнить значение периода и по­казали, что он сохраняется постоянным с точностью до 10~7(!).

Излучение было обнаружено молодой аспиранткой Джоселин Белл, именно она обратила внимание на периодически появляю­щиеся импульсные сигналы. Поначалу этому не придали большого значения, так как радиоастрономы довольно часто регистрируют импульсные помехи от наземных радиолокационных станций, са­молетных радаров и других технических средств, созданных людь­ми. По своим характеристикам принятые сигналы напоминали по­добные помехи. Однако дальнейшие исследования показали, что источник импульсных сигналов занимает неизменное положение среди звезд, для земных помех это невозможно. Измерение коор­динат источника и сравнение с имеющимися каталками показало, что в этом месте на небе ранее никаких радиоисточников не наблю­далось Был оценен параллакс источника, он не превышал 2 угло­вые минуты, следовательно, расстояние до источника больше 1 ООО астрономических единиц[25], т. е. он находится за пределами Солнечной системы. Итак, был обнаружен космический источник импульсных сигналов! Ничего подобного ранее не наблюдалось, да и вообразить такое было трудно.

Впоследствии, кО! да были обнаружены другие гакие-же источ­ники, они получили название пульсары (от английского слова puis ■ — импульс). Пульсар, впервые обнаруженный группой Хьюиша, полу­чил обозначение CP 1919, что означает: кембриджский пульсар с координатами по прямому восхождению 19h 19"’.

Излучение пульсара CP 1919 наблюдалось в виде серии импуль­сов длительност ью около 1 минуты, затем в течение 3 минут излуче­ние отсутствовало, а потом импульсы поячлялись вновь. Амплитуда импульсов менялась от одной серии к другой и вну три каждой се­рии — от одного импульса к другому. Наиболее мощные импульсы имели плотность потока порядка 20 янских[26], в то время как сред­няя за минуту плотность потока не превышала 1 Ян.

Это позволяет понять, почему пульсары не были обнаружены ранее, до эксперимента Хьюиша. Обычный радиоастрономический приемник (радиометр) регистрирует среднюю мощность сигнала за время накопле­ния длительностью т. Эта величина (ее называют также постоянной вре мени) аналогична длительности экспозиции при фотографических на­блюдениях. Чем больше постоянная времени, тем чувствительнее радио­метр, тем более слабое излучение он может обнаружить Поэтому ради> «астрономы всегда стремились наблюдать с максимально возможной постоянной времени. Но для регистрации отдельных импульсов необхо димо, чтобы постоянная времени не превышала промежуток времени между импульсами, иначе будет Japei истрирована лишь средняя за пери­од мощность сигнгла. Эта средняя мощность значительно меньше пико вой мощности импульса, и поэтому ее трудней обнаружить. Для пульсара CP 1919 средняя плотность потока значительно ниже предельно обнару- жимой для предшествовавших обзоров неба на метровых волнах, поэто­му он не мог быть обнаружен. Но если бы даже с повышением чувстви­тельности удалось зарегистрировать среднюю мощность излучения, ин­формация об импульсном характере сигнала при постоянной времени, превышающей промежуток между импульсами, была бы полностью по­теряна. Наилучшие условия обнаружения импульсных сигналов реализу­ются, когда постоянная времени не превышает длительности одного им­пульса. Это условие оказалось выполненным в эксперименте Хыоиша, так как, готовясь наблюдать кратковременные вариации раднопотока, связанные с мерцаниями, исследователи использовали очень малую (со­вершенно не свойственную радиоастрономическим наблюдениям) посто­янную времени 0,1 с. Если бы она была больше 1,337 с, никаких импуль­сных си1 налов не было бы зарегистрировано

Надо отметить, что здесь сыграло роль еще одно обстоят^,ьстпо. Как показали дальнейшие исследования, истинная длительность импульса пуль­сара значительно меньше 0,1 с, она не превышает 40 милисекунд. Однако при распространении в межзвездной среде, из за разности групповой ско­рости электромагнитных волн на разных частотах, низкочастотные со­ставляющие импульса запаздывают по отношению к высокочастотным, в результате импулпе «растягивается», длительность его увеличивается. На­блюдаемая в эксперименте Хыоиша длительность импульса 0,3 с пульсара CP 1919 определялась величиной запаздывания между крайними частот нммн составляющими в полосе 1 МГц (полоса приема) на частоте 81,5 МГц. По счастливой случайности эта величина оказалась порядка постоянной времени приемной аппаратуры и при том несколько больше ее, т. е. реали­зовались наилучшие условия обнаружения импульсных сигналов

Обнаружение пульсара CP 1919 поставило перед исследователя ми сложную проб, [ему — о природе источника. Астрономам хоро­шо были известны многочисленные переменные звезды различных гипов, наблюдаемые в оптическом диапазоне спектра. Однако они не дают импульсного излучения: при изменении блеска излучение звезды не падает до нуля. Да и временной масштаб процессов со­всем иной. Изменения блеска звезд вызваны либо пульсациями их поверхности, либо затмением одной звезды другой в двойной сис­теме. Затменно-переменные звезды имеют периоды от долей суток до 104 с} гок, пульсирующие звезды — от долей до нескольких десят­ков суток. Наибольшей стабильностью периодов обладают цефеиды, при этом их периоды составляют от 1 до 50 суток. Но периодов порядка одной секунды не извест то в мире переменных звезд!

Наблюдаемые параметры пульсара — импульсный характер ра­диоизлучения, очень малый период следования импульсов и его вы­сочайшая стабильность (наиболее впечатляющее свойство!), чередо­вание периодов излучения и периодов «выключения — источника, из­менение интенсивности импульсов — все это наводило исследователей на мысль, что они столкнулись с каким-то организованным сигна лом искусственного происхождения. Поскольку версия о земных помехах не подтвердилась, оставалось предположить, что обнаружен сигнал внеземной цивилизации. Эта возможность рассматривалась настолько серьезно, что группа Хьюиша решила засекретить свое от крытие. Даже на ближайшей обсерватории Джодрелл Бэнк ничего не знали об открытии загадочного источника. Впоследствии в одном из газетны> ин ервыо А. Хьюиш рассказывал:

«Когда мы впервые увидели эти радиоволны, перенесенные на бумаг) нашими самописцами, нас охватил страх. Да-да, страх. Нам захотелось взять все эти бумажки, записи, расчеты — и сжечь. Дело было в ноябре19. Неделю мы пребывали в ужасном волнении, ник­то не знал, что и думать, какое решение принять. Я совсем лишился сна. <…> Это очень серьезная проблема, и нельзя допустить, чтобы решали ее астрономы иль журналисты, или политические деятели одной какой-нибудь страны»[27].

В настоящее время правовые и политические проблемы, возни­кающие в связи с возможным обнаружением сигналов ВЦ, изучают ся в Международной Астронавт ической Академии совместно с Меж­дународным институтом космического нрава. Но в то время иссле­дователи столкнулись с совершенно неожиданной ситуацией.

Волнение Хыоиша улеглось, когда были открыты еще три пуль­сара: CP 0834, CP 0950. CP 1133. Все они обладали сходными характеристиками. Это давало основание полагать, что действительно открыт новый, неизвестный ранее класс радиоисточников. Думать, что четыре сходные цивилизации, расположенные в разных местах Галактики, одновременно удостоили нас своим вниманием, види­мо, считалось слишком самонадеянным. Хотя, в принципе, одно­временное обнаружение нескольких цивилизаций, особенно при изотропном (всенаправленном) излучении, вполне возможно. Об­суждалась также возможность того, что пульсары являются навига­ционными маяками или частями коммуникационной сети, связыва­ющей высокоразвитые цивилизации. Однако эти возможности пред­ставлялись уже мало вероятными. Как бы там ни было, завеса сек­ретности была снята, и в феврале 1968 г. в «Nature» появилась ста­тья А. Хыоиша с сотрудниками об открытии пульсара CP 1919[28].

Статья вызвала настоящий бум. Начались интенсивные поиски и изучение пульсаров. К настоящему времени известно более 1000 пульсаров. Подробно изучены их характеристики. Некото рые пульсары излучают также в оптическом и рентгеновском диапа­зоне. Вначале предполагали, что пульсары связаны с радиальными колебаниями (пульсациями) белых карликов. Однако после того как были открыты коротко-периодические пульсары (с периодом мень­ше одной секунды) от этой гипотезы пришлось отказаться. Сейчас общепринятым является представление, что пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда.

Нейтронные звезды возникают в результате сжатия на заключит ель ном этапе звездной эволюции, когда источники ядерной энергии звезд уже исчерпаны. Нейтронная звезда имеет массу порядка массы Солнца, а радиус всего 10-20 км! Плотность вещества в ее недрах чудовищно велика (~ 1014 г/см3). При такой плотности разрушены не только атомы, но н атомные ядра, происходит превращение протонов в нейтроны, так что вещество звезды состоит, в основном, из нейтронов (отсюда и ее название). При сжатии звезды ее угловой момент вращения сохраняется и, следовательно, угловая скорость с уменьшением радиуса возрастает. Когда звезда сожмется до размеров нейтронной, период ее вращения со­ставляет от долей секунды до нескольких секунд; это как раз соотве т­ствует периоду пульсаров Импульсное излучение пульсара объясняется тем, что на поверхности нейтронной звезды имеется активная изучаю­щая область, которая генерирует излучение в узком конусе. При враще нии нейтронной „везды наблюдатель будет регистрировать излучение, когда конус направлен в его сторону Излучение будет повторяться через про­межутки времени, равные периоду вращения нейтронной звезды

Существование нейтронных звезд было предска ано теоретически еще в 193С е годы. Долгое время они оставались чисто гипотетическими объек­тами. Обнаружение пульсарог позволило наблюдать нейтронные звезды и получить важные данные об их строении.

Так закончилась история с «зелеными человечками», «посылаю­щими» нам удивительно регулярные импульсные сигналы. После «мистериума» и пульсаров других сенсационных открытий в астро­номии, которые можно было бы связать с внеземными цивилиза­циями, больше не отмечалось. Поиски сигналов ВЦ вступили в спо­койную фазу. Каково же состояние радиопоисков к началу нового века?