Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Пульсар, обнаруженный Чиа Мин Таном, не всегда был медленным. Образовавшийся после взрыва сверхновой пульсар сначала был молодым и энергичным и вращался гораздо быстрее. Дело в том, что коллапс ядра его материнской звезды, при котором происходит слияние протонов и электронов с образованием нейтронов, останавливается, только если давление нейтронов, невероятно сильно сжатых в крошечном объеме, уравновешивает грандиозную собственную силу тяжести ядра. Такая новорожденная нейтронная звезда, наследуя вращение от исходной звезды, крутится как сумасшедшая. Все звезды вращаются. Наше Солнце не исключение – каждые тридцать дней оно совершает оборот вокруг своей оси. Но когда массивная звезда на закате своих дней быстро сжимается во время гравитационного коллапса, скорость ее вращения резко увеличивается. Это похоже на увеличение скорости вращения фигуристки, которая внезапно прижимает к телу разведенные в стороны руки. Другими словами, звезда передает свой угловой момент сжимающемуся ядру, что обеспечивает ему огромный рост скорости вращения.

Излучение, которое эти вращающиеся остатки ядер звезд посылают в космическое пространство, позволяет нам их обнаруживать. До сих пор остается загадкой, какие именно механизмы ответственны за это излучение, но ученые рассматривают несколько сценариев. Хотя считается, что внутренняя структура всех нейтронных звезд одинакова, похоже, есть три разных источника наблюдаемого излучения. В одних случаях излучение нейтронной звезды может быть обязано только ее вращению, в других – перетягиванию вещества от звезды-компаньона. И наконец, некоторые нейтронные звезды столь сильно намагничены, что их закрученные магнитные поля могут привести к растрескиванию поверхности звезды. Происходит “звездотрясение”, сопровождающееся мощной, короткой и яркой вспышкой. Каждый из механизмов по-своему замечателен, и чем больше мы наблюдаем нейтронные звезды, тем лучше понимаем, как они устроены5.

Когда Джоселин Белл открыла четыре пульсара LGM, они казались маленькими зелеными человечками, разбросанными по небу, которые вращаются в космическом одиночестве. Эти радиопульсары расходуют на излучение собственную энергию вращения. С тех пор обнаружено более 2700[14] радиопульсаров, главным образом в Млечном Пути. Излучение таких пульсаров достаточно слабое, и наши радиотелескопы не могут обнаружить те из них, что находятся гораздо дальше. Сверхмедленный пульсар Тана – тоже один из таких радиопульсаров. Источником излучения вращающегося пульсара служат частицы, уносимые с ускорением вдоль линии, соединяющей его магнитные полюса. Когда такой поток частиц пересекает луч зрения телескопа, мы регистрируем всплеск6.

Радиопульсары бывают либо одиночными, либо они являются компонентами двойных звезд, то есть систем из двух звезд, связанных друг с другом гравитационным взаимодействием и обращающихся вокруг общего центра масс. Излучая, пульсары теряют энергию, все больше и больше “устают” и потому вращаются все медленнее и медленнее. Как и самый медленный пульсар Тана, их излучение обычно соответствует радиодиапазону, хотя некоторые из пульсаров бывают источниками рентгеновского и гамма-излучения. Редко встречаются “чудища” (их называют слабыми рентгеновскими одиночными нейтронными звездами – сокращенно X – DIN или XINS, X-ray Dim Isolated Neutron Stars), которые излучают только в рентгеновском диапазоне, что необычно для одиночных пульсаров. Таких обнаружено пока только семь, их прозвали “Великолепная семерка”. Что это на самом деле – загадка. Может, мы просто не видим исходящие от них радиоволны, поскольку эти потоки радиоизлучения не направлены на нас. Или, возможно, они чрезвычайно узкие, так что вероятность их пересечения с лучом зрения телескопа очень мала. Представьте, что кто-то рядом с вами размахивает лазерной указкой. Вероятность, что ее узконаправленный луч будет светить вам прямо в глаза, очень мала.

Еще до открытия первого пульсара итальянский астроном Франко Пачини предположил, что быстро вращающиеся нейтронные звезды могут испускать радиоволны. Однако это должно сопровождаться множеством различных физических процессов. Начинается все с того, что материнская звезда передает своему потомку не только вращение, но и магнитный поток (составляющая магнитного поля, перпендикулярная заданной поверхности). Так нейтронная звезда обзаводится магнитным полем. Хотя у пульсара, как и у намагниченного бруска, который показывают на уроке физики в школе, есть два магнитных полюса, магнитные линии пульсара ведут себя совсем не так. Магнитные линии бруска выходят из южного полюса и идут к северному, откуда они выходят опять, образуя непрерывные, бесконечные замкнутые контуры.

Когда нейтронная звезда вращается, силовые линии магнитного поля тоже вращаются одновременно с ней – они привязаны к поверхности, как бороздки на вращающейся граммофонной пластинке. И, как ребенок на карусели, чем дальше от звезды, тем быстрее они вращаются. Но бесконечно скорость вращения увеличиваться не может: при каком-то радиусе она становится больше скорости света. В этот момент совместное вращение силовых линий и звезды заканчивается – в противном случае силовые линии поля будут двигаться быстрее скорости света, что невозможно.

Эта виртуальная граница, за которой совместное вращение невозможно, называется световым цилиндром. Любая магнитная силовая линия, не умещающаяся под световым цилиндром, остается незамкнутой. Излучение расходится внутри конуса, ограниченного последними замкнутыми силовыми линиями, заканчивающимися на световом цилиндре. Световой цилиндр имеет каждый вращающийся магнит, включая Землю. Но магнитное поле Земли достаточно слабое – на поверхности оно меняется от 0,25 до 0,65 гаусса, и концы цилиндра так далеко, что никакой роли он не играет. Однако магнитное поле нейтронной звезды настолько мощное, что это действительно важно.

Эти открытые силовые линии могут ускорять частицы, как мотор. Вблизи двух магнитных полюсов они срывают с поверхности нейтронной звезды лавину частиц. Эти частицы, главным образом электроны, обладающие большой энергией, несутся вдоль открытых силовых линий внутри узких конусообразных пучков, не обязательно направленных вдоль оси вращения пульсара. Взаимодействуя с магнитными силовыми линиями, частицы ускоряются и испускают радиоволны, распространяющиеся в космосе в том же направлении, что и движущиеся частицы. Пульсар можно заметить, если один из несущихся через пространство потоков направлен в сторону Земли. Как уже говорилось раньше, пульсар, наподобие морского маяка, испускает лучи непрерывно, но он вращается вокруг своей оси, и поэтому мы видим повторяющиеся вспышки света.

Со временем, по мере того как все больше и больше частиц уносится с поверхности нейтронной звезды, пульсар замедляется. В какой-то момент лишенный энергии пульсар начинает вращаться слишком медленно, магнитные силовые линии уже не могут срывать электроны с поверхности нейтронной звезды, и излучение должно будет прекратиться. Считается, что примерно 965 лет назад, когда пульсар в Крабовидной туманности был молод, его период вращения составлял шестнадцать миллисекунд. Сегодня он равен тридцати трем миллисекундам, и пульсар продолжает замедляться, а его период увеличивается примерно на 1,3 миллисекунды в столетие. Чем сильнее начальное магнитное поле, тем быстрее замедляется пульсар. Магнитное поле молодых пульсаров порядка 1012-1013 гауссов. (Для сравнения: магнитное поле магнитика, который вешают на холодильник, порядка ста гауссов.) Такой пульсар остается активным от десяти до ста миллионов лет. Это значит, что из всех нейтронных звезд, рожденных за 13,7 миллиарда лет существования Вселенной, около 99 % не излучают в радиодиапазоне: даже если они продолжают медленно вращаться, свет их маяков погас. Они пересекли линию смерти и растворились в небытии космоса, перебравшись на кладбище нейтронных звезд.