Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

В то время как шел поиск научного объяснения природы мягких повторяющихся гамма-всплесков, астрономы, работающие в рентгеновском диапазоне, были озадачены другим явлением. За год до того, как 5 марта 1979 года вспышка достигла Земли, НАСА запустило Einstein X-ray Observatory – первую орбитальную обсерваторию, способную фокусировать рентгеновские лучи, идущие от далеких объектов. Наряду со многими другими зондами, волна гамма-излучения накрыла и ее, но серьезных повреждений не причинила.

Однако в том же году Einstein X-ray Observatory обнаружила еще нечто новое. Астрономы уже знали целый ряд рентгеновских пульсаров и считали, что все они существуют парами, а их излучение обязано аккреции вещества звезды-компаньона. В декабре 1979 года Филипп Грегори и Грег Фалман из Университета Британской Колумбии в Канаде, использовавшие эту обсерваторию для изучения некоторых радиопульсаров, заметили ярко сияющий точечный источник рентгеновского излучения в созвездии Кассиопея на расстоянии примерно десяти тысяч световых лет от Земли. Этот источник, чем-то напоминавший газовое облако, Грегори и Фалман назвали 1E 2259 + 586 и предположили, что этот объект представляет собой нейтронную звезду внутри своего “дома” – остатка сверхновой. В рентгеновском диапазоне светимость обнаруженного объекта в сотни раз превосходила светимость Солнца.

Несмотря на длительные поиски, астрономы так и не обнаружили компаньона звезды в созвездии Кассиопея, а значит, источником ее энергии не могла быть аккреция. Излучение нельзя было объяснить и вращением: радиоволн они не зафиксировали, а поскольку период вращения звезды составлял семь секунд, скорость потери энергии и замедление вращения звезды слишком малы, чтобы объяснить подобную яркость в рентгеновском диапазоне. Механизм излучения нового пульсара оставался загадкой. Используя усовершенствованную аппаратуру, астрономы продолжали искать звезду-компаньона, но безрезультатно. Ее не удавалось обнаружить ни с помощью глубоких оптических наблюдений, ни при попытках применить хронометрирование, чтобы обнаружить так называемый доплеровский сдвиг частоты, обязанный движению двух тел друг относительно друга.

Вместо этого астрономы обнаружили еще три одиночных, очень ярких рентгеновских источника с периодом испускания импульсов, близким к шести секундам. (Сильно намагниченные нейтронные звезды, излучающие в рентгеновском диапазоне за счет аккреции вещества звезды-соседа, вращаются гораздо быстрее.) Теперь, когда пришлось иметь дело с четырьмя новыми странными “чудищами”, стало ясно: пришло время признать, что это новый класс нейтронных звезд. В марте 1995 года на конференции в Ла-Хойя, Калифорния, Томпсон и Дункан высказали предположение, что такие пульсары тоже могут быть магнетарами. Они назвали их аномальными рентгеновскими пульсарами (AXP, Anomalous X-ray Pulsar).

Томпсон и Дункан пояснили: наподобие переходного маховика молодые магнетары, вращаясь и быстро замедляясь, должны излучать радиоволны. Электрические токи, обуславливающие их огромные магнитные поля, медленно затухают на протяжении тысяч лет, что делает молодые магнетары яркими и непрерывно действующими источниками рентгеновского излучения. Годами эта модель оставалась лишь одной из нескольких приемлемых теорий. Но Томпсон и Дункан показали, что, если AXP – на самом деле магнетары, такие же как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков, они время от времени должны демонстрировать яркие вспышки, которые астрономы должны иметь возможность обнаружить. Однако для наблюдения этого явления исследователям нужен был какой-то новый метод. Идея пришла в голову Виктории Каспи, астрофизику из Университета Макгилла в Монреале.

Я встретилась с Каспи дождливым октябрьским днем. Клены за окном ее кабинета соревновались в выборе самых ярких осенних оттенков желтого и красного. Каспи – хрупкая, невысокая женщина с копной красиво вьющихся волос и, кажется, неизменной улыбкой. У нее огромный опыт исследования радиопульсаров. В аспирантуре Каспи много занималась хронометрированием пульсаров и, в частности, миллисекундных пульсаров на основании данных обсерватории Аресибо. Это было только самое начало мониторинга временной динамики пульсаров — очень точной регистрации времени прихода импульсов для определенного числа разбросанных по небу пульсаров. Каспи точно знала, как “сохранять период” – отслеживать каждое вращение нейтронной звезды в течение длительного времени. “Я знала, что главное – иметь результаты двух наблюдений, разделенных небольшим временным интервалом, часом или двумя, затем третьего измерения, выполненного несколькими часами позже, а затем надо увеличивать интервалы до тех пор, пока не будет достаточно наблюдать их только раз в месяц”, – рассказывает Каспи.

Но это были радиопульсары. Однажды, в 1995 году, когда Каспи после защиты диссертации работала в Калифорнийском технологическом институте, она услышала доклад физика Тома Принса об аномальных рентгеновских пульсарах. Эти системы ее заинтриговали. Как раз в то время Дункан и Томпсон выдвинули предположение, что это могут быть магнетары, и Каспи хотела помочь разгадать загадку. За несколько месяцев до этого приступила к работе орбитальная рентгеновская обсерватория RXTE, и она подумала, что было бы интересно проверить, применим ли к AXP метод отслеживания периода, использованный ею при исследовании радиопульсаров. Каспи не слишком много знала о RXTE, но ее друг и коллега из Массачусетского технологического института Дипто Чакрабарти знал достаточно, и поэтому план исследования они составили вместе. “Этот проект требовал очень больших ресурсов телескопов, но был одобрен”, – говорит Каспи. Метод хронометрирования сработал, что стало понятно сразу же после получения первого пакета данных RXTE. Выяснилось, что, в отличие от достаточно нестабильных аккрецирующих рентгеновских пульсаров, аномальные рентгеновские пульсары вращаются вполне стабильно.

Для Каспи это служило доказательством того, что AXP излучают не за счет аккреции вещества звезды-компаньона в двойной системе. Но это еще не доказывало, что это магнетары, и поэтому она продолжила систематические наблюдения. Метод хронометрирования, главное в котором – сохранение согласованности периодов, дает возможность обнаруживать внезапные, очень малые изменения периода вращения подобных объектов, и однажды они с Чакрабарти такое изменение зарегистрировали. Это было первое наблюдение так называемого глитча аномальных рентгеновских пульсаров. Хотя обычно радиопульсар представляет собой очень точные астрономические часы, при глитче период вращения пульсара внезапно становится короче – нейтронная звезда начинает вращаться быстрее, а затем ее скорость вращения постепенно восстанавливается до прежнего значения (подробнее о глитче см. главу 5). “Это важно, поскольку до того глитч наблюдался только у радиопульсаров. И это стало еще одним убедительным свидетельством в пользу того, что AXP имеют больше общего с одиночными радиопульсарами, чем с аккрецирующими пульсарами”, – рассказывает Каспи. Как следовало из измеренных Каспи и Чакрабарти скоростей замедления вращения AXP, их магнитные поля тоже существенно больше, чем у одиночных радиопульсаров.

Каспи и Чакрабарти продолжали в среднем каждые две-три недели проверять пять аномальных рентгеновских пульсаров, что позволило им собрать достаточно большую базу данных. Они увидели глитч еще одного такого объекта, но в целом картина выглядела стабильной. Каспи говорит: “… Для меня, но не для всех, этого доказательства было достаточно”. В 2001 году на конференции в Бостоне коллега Каспи астроном Пит Вудс предложил поискать среди их данных вспышки, аналогичные вспышкам источников мягких повторяющихся гамма-всплесков. Каспи, в то время профессор Университета Макгилла, попросила сделать это одного из своих аспирантов, Фотиса Гавриила. Его старания были вознаграждены. В сентябре 2002 года Гавриил показал Каспи сигнал, похожий на тот, который они искали. Источник этой яркой рентгеновской вспышки находился в направлении известного аномального рентгеновского пульсара 1E 1048.1-5937. После тщательного анализа и долгих обсуждений группа Каспи пришла к выводу: наиболее вероятно, что это SGR-подобный всплеск. Он не такой яркий, как при мягких повторяющихся гамма-всплесках, но все же гораздо ярче, чем в случае обычных рентгеновских пульсаров. Они опубликовали статью в Nature14. И все же Каспи беспокоилась, что их анализ может оказаться неправильным: ведь, хотя и наблюдалось две вспышки с интервалом в шестнадцать дней, источник был всего один.