Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Другой механизм, приводящий даже к еще более мощному излучению, связан с магнитным полем некоторых нейтронных звезд. Напряженность их магнитного поля столь велика, что они, по-видимому, являются самыми сильными магнитами во всей Вселенной. По мере затухания магнитного поля эти нейтронные звезды излучают рентгеновские и гамма-лучи, которые можно наблюдать. Такие нейтронные звезды называют магнетарами, и до сих пор ученым удалось обнаружить только около тридцати магнетаров.

“Магнетары были открыты благодаря счастливому стечению обстоятельств”, – рассказывает Хриса Кувелиоту, профессор астрофизики физического факультета Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия. Ее исследования магнетаров начались еще в 1979 году, хотя тогда она сама, магистрантка из Греции в Институте физики Общества Макса Планка в Мюнхене, об этом и не подозревала. В то время Кувелиоту занимала загадка так называемых гамма-всплесков.

Кувелиоту решила, что ее диссертация будет посвящена очень мощным вспышкам гамма-излучения, идущим из глубин космоса. Впервые такие вспышки наблюдались в июле 1967 года. Два американских разведывательных спутника Vela предназначались для регистрации гамма-излучения при взрыве атомных бомб. Находясь на земной орбите, они должны гарантировать, что никто не нарушает соглашение о запрете испытаний ядерного оружия в космосе. Неожиданно спутники зафиксировали короткую, длительностью всего две десятых секунды, вспышку гамма-излучения. Сигналы разительно отличались от возможных сигналов изготовленного на Земле ядерного оружия. Через три минуты вспышки прекратились. Затем, через четырнадцать с половиной часов, был отмечен более слабый пучок рентгеновского излучения, исходящий из того же места в далеком космосе. Благодаря атмосфере Земли никто, кроме ученых, работающих на космическую программу правительства Соединенных Штатов, не заметил этих всплесков. Откуда они взялись? Американские военные встревожились.

Позднее сходные всплески зафиксировали и другие детекторы. Всего обнаружили и изучили шестнадцать всплесков – сначала строго секретно в Лос-Аламосской национальной лаборатории министерства энергетики США, организованной во время Второй мировой войны для разработки ядерного оружия. Наконец в 1973 году ученые из Лос-Аламоса опубликовали результаты своих исследований. Они утверждали, что это внегалактические сигналы, не имеющие явно никакого отношения к земному ядерному оружию. Хотя все еще никто не понимал, что является источником этих вспышек, Кувелиоту в своей диссертации высказалась в пользу самой популярной в то время теории: вспышки возникают на финальной стадии эволюции сверхмассивной, быстро вращающейся звезды при ее коллапсе в черную дыру. Эта теория по-прежнему согласуется с современными представлениями, когда речь идет о длинных, длящихся более двух секунд, гамма-всплесках. Однако, как было показано в 2017 году, гораздо более кратковременные гамма-всплески, так называемые короткие, вызваны слиянием двух нейтронных звезд.

Из-за чрезвычайной яркости гамма-всплесков многие ученые вначале полагали, что их источник находится где-то недалеко, в пределах нашей Галактики. Это значило, что наблюдаемая мощность гамма- и рентгеновского излучения должна быть чуть ниже предела Эддингтона, определяющего максимальную светимость очень горячих и ярких звезд, которая достигается при равновесии направленных внутрь гравитационных сил и направленного наружу давления излучения.

А затем произошло нечто удивительное. 5 марта 1979 года мощная волна гамма-излучения накрыла на околосолнечной орбите две советские автоматические межпланетные станции “Венера-11” и “Венера-12”. За несколько месяцев до этого от обеих станций отделились спускаемые аппараты, вошедшие в кислотную, токсичную атмосферу нашей ближайшей планеты-соседки Венеры, после чего станции продолжили движение вокруг Солнца. Русские астрономы видели, что показания приборов, регистрирующих галактическое излучение, вполне обычные – около ста всплесков в секунду. Но, когда ранним вечером по московскому времени волна гамма-излучения накрыла станции, уровень радиации подскочил невероятно: приборы, регистрировавшие свыше двухсот тысяч импульсов в секунду, зашкаливало.

Волна на этом не остановилась. Через одиннадцать секунд она достигла Helios 2, аппарата НАСА, тоже двигавшегося по орбите вокруг Солнца. Затем, перекатившись через Венеру, накрыла американский зонд Pioneer Venus Orbiter. Следующей была Земля. Поток излучения достиг детекторов на трех спутниках Vela министерства обороны США, X-ray Einstein Observatory, первого рентгеновского телескопа, позволявшего получать изображение источника, и советского спутника “Прогноз-7”. Наконец, двигаясь дальше по Солнечной системе, он достиг зонда International Sun-Earth Explorer (ISEE-3), предназначенного для изучения магнитных полей вокруг Земли. К счастью, годом ранее, незадолго до запуска ISEE-3, ученые, изучающие гамма-всплески, попросили добавить туда пару детекторов гамма-излучения – эта область исследований была еще совсем новой, и такие детекторы на данном зонде не предполагались. Их запрос удовлетворили13.

Когда начали поступать данные с ISEE-3, Кувелиоту работала у себя за столом в Институте внеземной физики имени Макса Планка. До защиты диссертации у нее оставалось около года. Сначала, вспоминает Кувелиоту, все думали, что этот невероятный пик связан с инструментальной ошибкой, но, когда появились данные других спутников, стало ясно, что ошибки нет.

Вспышка длилась долю секунды, однако волна гамма-излучения, прокатившаяся по Солнечной системе, оказалась в сто раз мощнее зарегистрированной спутниками Vela в 1967 году. Кувелиоту и ее коллеги были потрясены. Все обнаруженные до этого гамма-всплески считались результатом единовременного катастрофического события – взрыва, при котором их источник исчезает. Но теперь, 5 марта 1979 года, после первого пика периодические пульсации наблюдались еще секунд сто. Периодичность этого “хвоста” была особенно удивительна. “Периодичность означала, что у компактного объекта есть поверхность. Проще говоря, что это нейтронная звезда”, – рассказывает Кувелиоту. Вскоре были зарегистрированы еще и другие, хотя и менее интенсивные, всплески. Но направление сигналов явно указывало на одно и то же место на небе, а их описание не укладывалось ни в одну из известных теорий происхождения гамма-всплесков. Кувелиоту вспоминает: “Все казалось настолько загадочным, что мы попросту растерялись”. Некоторые ученые даже предположили, что первый всплеск вызван столкновением кометы с нейтронной звездой.

Вскоре после этого удалось локализовать источник события, произошедшего 5 марта. Он находился в Большом Магеллановом Облаке и был связан с молодым остатком сверхновой N49, возраст которого составлял около пяти тысяч лет. Это значило, что источник оказался примерно в тысячу раз дальше, чем исходно предполагалось на основании его блеска, а светимость этого источника по крайней мере в миллион раз превосходила предел Эддингтона. Из-за периодичности импульсов “хвоста” черная дыра таким источником быть не могла. Но был остаток сверхновой. Могла ли являться источником нейтронная звезда? В то время было только известно, что пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие радиоволны. Однако наблюдавшийся на Земле всплеск рентгеновского излучения был слишком мощным, чтобы его можно было соотнести с радиопульсаром. Кроме того, получалось, что нейтронная звезда, если это действительно она, должна находиться не в центре остатка сверхновой, а где-то с краю. Это указывало на то, что при рождении ее выбросило из места расположения звезды-предшественницы со скоростью порядка тысячи километров в секунду – гораздо быстрее, чем любой из известных тогда пульсаров.

В течение следующих четырех лет советские ученые из Физико-технического института в Ленинграде (сейчас это Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге) зарегистрировали еще шестнадцать всплесков, идущих из того же места, – одни сильнее, другие слабее, но все менее заметные и более короткие, чем вспышка 5 марта. Еще несколько подобных событий, которые следовали группами из трех разных мест на небе, зарегистрировали позднее. Никто толком не знал, что это такое.