Автор: Ю. П. ИЛЯСОВ

Доктор технических наук Ю. П. ИЛЯСОВ, заведующий отделом Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН)

В 1982 г. группа сотрудников ФИАНа и Всероссийского научно- исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Госстандарта РФ получила авторское свидетельство на введение пульсарной шкалы времени (с приоритетом от 1979 г.), а в 1991 г. - на метод синхронизации далеко разнесенных часов с помощью сигналов пульсаров. Почти десять лет понадобилось международному научному сообществу, чтобы признать приоритет российских физиков в этой области. В конце XX в. Морская обсерватория США (USNO) назвала три самых перспективных стандарта времени: ртутный с ионными ловушками (США), цезиевый с лазерным охлаждением (Франция) и наш - пульсарный.

А все началось в августе 1967 г., когда сотрудники Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета (Великобритания), анализируя записи наблюдений дискретных космических радиоисточников, обнаружили кратковременную помеху. Сначала она показалась просто досадной случайностью, но потом стала появляться каждый вечер. А. Хьюиш (будущий лауреат Нобелевской премии), руководивший работами, решил понаблюдать за этим "неприятным" явлением, чтобы выяснить его природу и в конечном счете, если удастся, - устранить "помеху".

В результате оказалось: "мешающий" сигнал "приходит" регулярно, но каждый раз на 4 мин раньше. Данный факт говорил о ее неземном происхождении, ибо именно на такой промежуток времени ежедневно убыстрялось появление небесных тел в заданных точках. Значит, это была вовсе не помеха, а сигнал от еще неизвестного объекта. За ним начали "охотиться", и 28 ноября 1967 г. в 19 ч 19 мин на склонении +21 ^o от небесного экватора удалось зафиксировать первые отчетливые импульсы (они приходили с периодом 1,33 с) космического "незнакомца", которого так и нарекли - 1919+21. Вскоре астрофизики открыли еще три его "собрата" (0834+06,0950+08,1133+16), и стало ясно, что ученые столкнулись с вполне закономерным явлением. За способность излучать электромагнитные волны в форме импульсов эти космические объекты назвали пульсарами, а 28 ноября 1967 г. стали считать днем их открытия. Впоследствии они явились предметом пристального наблюдения и изучения многих радиоастрономических обсерваторий мира, в том числе и нашей, расположенной в городе Пущино (Московская область), оборудованной крупнейшим диапазонным крестообразным радиотелескопом ДКР-1000 и уникальной Большой сканирующей антенной (БСА ФИАН).

Основной вопрос, возникший тогда перед учеными, касался природы новых небесных источников радиоизлучения. Исходную версию вы-

стр. 11

двинули "первооткрыватели" из кембриджской группы. По их мнению, это могли быть белые карлики, при определенных условиях способные войти в режим периодического изменения размеров, когда по мере затухания внутренней энергии их диаметр уменьшается. При таком сжатии энергия ядерных процессов внутри образования усиливается, в результате чего они вновь "раздуваются". Причем период таких вариаций достигает порядка 1 с и более.

Однако два пульсара, открытые в 1968 г. (один австралийскими астрономами в созвездии Парусов с периодом следования импульсов 0,089 с, другой - американцами в Крабовидной туманности с еще более коротким периодом - всего 0,033 с), полностью "похоронили" версию белых карликов, поскольку они, "работая" в таком режиме, просто разрушились бы.

Другое объяснение природы данного явления предложил отечественный ученый, первый директор Пущинской обсерватории ФИАН, доктор физико- математических наук В. В. Виткевич. Его идея заключалась в том, что у быстро вращающегося космического объекта существует локализованная область излучения, которая при каждом обороте попадает на "луч зрения" телескопа наблюдателя. Эта модель напоминала собой морской маяк. Столь быстро вращаться могут лишь очень компактные космические объекты диаметром в несколько десятков километров. Подобными характеристиками обладают только нейтронные звезды, но было непонятно - откуда последние черпают энергию для столь мощного радиоизлучения?

Здесь нужно сделать небольшое отступление. После открытия в 1932 г. английским ученым (будущим лауреатом Нобелевской премии) Дж. Чедвиком нейтрона, наш соотечественник, также ставший нобелевским лауреатом, Л. Д. Ландау высказал предположение о возможности существования нейтронных макро-капель, образующихся при сверхвысоких давлениях. В 1934 г. немецкие астрономы В. Бааде и Ф. Цвики (работавшие тогда в США) предсказали образование нейтронных звезд как возможных остатков от вспышки сверхновой, в результате колоссального взрыва "сбросившей" свою оболочку и сжавшейся в процессе коллапса до "шарика" диаметром порядка 20 км при массе от 1 до 2 масс Солнца. При неизменности количества движения* такой "волчок" должен раскрутиться до больших угловых скоростей с периодом вращения тела в 1 с и менее.

Еще одной вехой к раскрытию тайны пульсаров стала попытка, предпринятая в 1964 г. тогда молодым ученым, ныне академиком Н. С. Кардашевым, объяснить природу мощного радиоизлучения Крабовидной туманности, образовавшейся в результате вспышки сверхновой в 1054 г. (что, кстати, отмечено китайскими хрониками), наличием внутри нее объекта с сильным магнитным полем. По мнению Н. С. Кардашева, такое образование должно бы быть диаметром менее 100 км, вращаться с периодом менее 1 с и иметь магнитное поле около 10 ¹² Гс. Это удивительным образом совпадало с параметрами открытого позже в Крабовидной туманности пульсара. И наконец, в 1967 г. итальянский физик Ф. Пачини представил первую модель радиоизлучения быстро-

* Количество движения - мера механического движения для материальной точки, равная произведению ее массы на скорость (прим. ред.).

стр. 12

вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем.

В начале 70-х годов XX в. развернулось всестороннее исследование пульсаров (как старых, так и вновь обнаруженных) с построением их моделей и созданием теории генерации ими радиоизлучения, изучением общих и индивидуальных характеристик этих объектов. С этой целью в Пущинской радиоастрономической обсерватории ФИАНа в 1973 г. установили новый телескоп в виде антенной решетки, состоящей из 16384 вибраторов (они воспринимают сигналы пульсаров), занимающих территорию около 8 га (200 м с востока на запад и 400 - с севера на юг) - БСА ФИАН. Подробнее о технических параметрах и возможностях этого уникального сооружения расскажу ниже. Здесь же лишь отмечу: телескоп работает на метровых волнах.

Как и в Кембридже, наш инструмент улавливает сигналы пульсара, когда тот проходит местный меридиан, но зато БСА ФИАН гораздо чувствительнее и помехозащищеннее английского. К тому же он регистрирует сигналы в течение 4- 15 мин - вдвое дольше, чем аналогичные на Западе.

После создания нового радиотелескопа предстояло изучить стабильность периода вращения различных пульсаров. К данному моменту зафиксировано: период следования принимаемых импульсов у них одинаков - как у необычайно точных часов. Но каково их "поведение" при длительном интервале работы (более месяца), какие особенности будут отмечены у новой шкалы времени, если, конечно, ее признает научное сообщество? Какие методы наблюдений лучше использовать? На эти и другие вопросы мы продолжали искать ответы.

Многолетние наблюдения за нейтронными звездами, проводимые с помощью БСА ФИАН, подтвердили высокую стабильность вращения последних. Кроме того, было замечено и определено их вековое линейное замедление, которое происходит из-за того, что механическая энергия вращения пульсаров медленно убывает, ибо расходуется на излучение. У молодых звезд такое замедление на 1 с составляет примерно 10 ^-13 , а у старых до 10 ^-21 с, т.е. несколько долей пикосекунд (10 ^-12 с) за год. Данный процесс очень детерминирован и легко может быть учтен, если пульсары рассматривать как часы в космосе.

В ходе наблюдений у нас родилась поистине революционная мысль: а нельзя ли использовать стабильные пульсары для формирования новой фундаментальной шкалы времени? Эту идею мы и оформили в 1979 г. заявкой на авторское свидетельство, которое, как уже говорилось, получили в 1982 г.

Каковы же преимущества у нашего предложения? Ведь к моменту его выдвижения международным научным сообществом в качестве эталона уже была принята одна эфемеридная секунда, как 1/31556925,9747 часть тропического года на 1900 г. на 0 января в 12 ч. эфемеридного времени* (решением Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза - МАС, 1995 г. и постановлением Международного бюро мер и весов, 1956 г.). В 1967 г. установлена и атомная секунда, равная 9 192 631 770 периодам колебаний, излучаемых изотопом цезия ¹³³ Cs (XIII Генеральная конференция по мерам и весам). Все национальные центры времени и частоты мира руководствуются этими определениями и отслеживают свои шкалы в соответствии с названными значениями. Однако каждое государство пользуется своими эталонными хранителями, поэтому, естественно, возникает серьезная проблема единства измерений и сопоставлений национальных шкал, что и делает служба Международного бюро времени в Париже. Сравнения показали: в разных странах качество эталонов (в настоящее время это водородные устройства - мазеры) совсем неодинаковое. В результате относительная точность воспроизведения номинальной частоты квантового стандарта* составляет примерно 10 ^-12 -10 ^-13 , т.е. за год часы, корректируемые по ним, разойдутся на несколько микросекунд, что в некоторых областях техники просто недопустимо. Отсюда следует: единый для всех хранитель временного интервала крайне необходим.

Пульсары для такой цели подходят почти идеально. Они едины для всех пользователей, расположены вне Солнечной системы, доступны для наблюдений в любой точке земного шара, долговечны (время их жизни оценивается в миллионы лет). Удобна и величина периода их вращения - около секунды или даже ее долей. Если образовать групповой хранитель шкалы из более чем двух подобных звезд, то легко увидеть - данная шкала становится автономной и не нуждается в сличениях ни с какой другой.

Однако реализовать нашу идею оказалось непросто. Во-первых, из-за вращения Земли вокруг своей оси и ее обращения по околосолнечной орбите расстояние от пунк-

Запись импульсов радиоизлучения пульсара 0329+54.

* Эфемеридное время - независимая переменная в уравнениях движения небесных тел (прим. ред.).

* Квантовые стандарты частоты - устройства для точного измерения частоты колебаний, основанного на измерении частоты квантовых переходов (в СВЧ и оптических спектрах) атомов, ионов или молекул из одного состояния в другое. Используются в навигации и службе времени в качестве эталонов (прим. ред.).

стр. 13

Перспективные стандарты времени:

a - эфемеридная секунда;

b - атомная секунда;

c - шкала пульсарного времени.

та наблюдения до пульсара и, следовательно, время прохождения от него импульса постоянно меняются. Логично было бы найти точку в пространстве, лишенную указанных недостатков. Например, центр масс Солнечной системы. Названный барицентром, для такой цели он оказался бы наиболее подходящим. Этому способствовало то, что момент прихода импульса от пульсара в центр и на наземные радиотелескопы легко взаимоувязываются тремя математическими соотношениями, являющимися надежным алгоритмом ведения пульсарной шкалы.

Другая проблема, вставшая перед нами, заключалась в трудности регистрации приходящих от пульсаров сигналов. Спектральная плотность их потока составляет всего сотые доли Ян*. Для сравнения отметим: плотность потока излучения передатчика мощностью 10 Вт, установленного на Луне, была бы в миллион раз выше. И наконец, точному измерению момента прихода импульса мешают как внешние, так и внутренние помехи, или, как говорят специалисты, шумы.

Все перечисленное свидетельствует: для установки, на которой можно вести шкалу пульсарного времени, необходим большой радиотелескоп, лучше полноповоротный, на котором длительное время накапливались бы импульсы пульсара. Кроме того, для увеличения чувствительности антенны нужно использовать широкую полосу частот при приеме. Требуются также устройства, позволяющие "относить" измеренный момент прихода импульса на определенную метрологическую базу, иными словами, - высокоточная система сличения местных часов на радиотелескопе, в нашем случае - со шкалой Госэталона. Процесс этот осуществляется с помощью приемников сигналов времени Госэталона РФ.

А теперь еще раз четко определим: что же собой представляет радиотелескоп как наблюдательный комплекс? Прежде всего, это большая антенна, сложная приемная аппаратура, служба времени, компьютер. Таким требованиям полностью удовлетворял приемный комплекс АС-102/64, построенный в Пущине на базе упомянутой БСА ФИАН и работающий в метровом диапазоне. С 1976 г. на нем ведут наблюдения и измерения момента прихода сигналов от нескольких выбранных стабильных (с частотой вращения 1 Гц) пульсаров. Два из них - 0834+06 и 1919+21 - оказались самыми подходящими. За более чем 20 лет их мониторинга точное время прихода сигнала разошлось с предсказанным (вычисленным) не более чем на несколько десятков микросекунд, что находится в пределах случайных вариаций измерений. Значит, пульсары "работают" как самые высококлассные часы, и их относительная погрешность за 20 лет составила всего 10 ^-13 - 10 ^-14 с. Ничто подобное для квантовых стандартов в настоящее время просто недостижимо на таких больших отрезках времени.

Как ни удобны для наблюдения были нормальные или "секундные" пульсары, но в природе есть и другие, вращающиеся с гораздо большей скоростью, и для них существующая аппаратура не подходила, ибо в метровом диапазоне волн короткие импульсы сильно "растягиваются" при прохождении в межзвездной среде, состоящей из облаков разреженной плазмы. Расчеты показали: для наблюдения столь "быстрых" нейтронных звезд больше подходит дециметровый диапазон волн. С обнаружением миллисекундных пульсаров (1983 г.) зарубежные специалисты также стали поддерживать нашу идею построения пульсарной шкалы.

* Этой единицей в радиоастрономии измеряют мощность принимаемого излучения в полосе частот в 1 Гц, собираемой на площади 1 м ² , т.е. 1 Ян = 10 ^-26 Вт/Гц м ² (прим. ред.).

стр. 14

стр. 15

Остаточное уклонение пульсара 1937+21.

Для реализации задуманного в 1991 г. в ФИАНе начали создавать новую установку дециметрового диапазона. За основу взяли антенную систему ТНА- 1500 (одну из крупнейших в мире), разработанную Особым конструкторским бюро Московского энергетического института, с полноповоротным зеркалом диаметром 64 м. Приемное многоканальное устройство мы создавали совместно с Научно-исследовательским радиофизическим институтом (Нижний Новгород), а прецизионную службу времени - во взаимодействии с Институтом метрологии времени и пространства Госстандарта. Кроме того, наши специалисты усовершенствовали алгоритмы предвычислений момента прихода импульса и синхронизацию запуска аппаратуры.

С 1993 по 1996 г. весь комплекс оборудования проходил испытания на пункте космической связи Особого конструкторского бюро Московского энергетического института на Медвежьих озерах Московской области. Затем его перебазировали в другой пункт космической связи около города Калязин (Тверская область), где был создан второй ТНА-1500. Это было связано с тем, что здесь уровень помех значительно меньше, чем под Москвой. Последнее обстоятельство в немалой степени способствовало тому, что наблюдение самого быстрого пульсара 1937+21 (период вращения - 1,55 мс), начатое в 1996 г., продолжается и по сей день. Данные, полученные почти за 6 лет мониторинга, показывают действительно высокие стабильные свойства выбранной реперной (опорной) нейтронной звезды, подтверждением чему служат расхождения в предвычисленных и полученных моментах прихода ее импульса в пределах среднеквадратичного значения 2 - 3 мкс. Это значит, что по сигналам пульсара можно предсказать момент появления события в шкале времени на год вперед и более с погрешностью в несколько микросекунд.

Предложенная отечественными специалистами и реализуемая сейчас в нашей стране пульсарная шкала времени находит все больше сторонников. Ныне практически в каждом большом радиоастрономическом центре мира ведут регулярный мониторинг пульсаров и измеряют моменты прихода их импульсов, что лишний раз доказывает значительный вклад российских ученых в развитие фундаментальной метрологии.

Иллюстрации предоставлены автором.

Постоянный адрес данной публикации: