Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Как оказалось, они попали в точку. Через несколько месяцев, 22 июня 2002 года, зазвонил мобильный телефон Каспи. Это была Джин Суонк – научный руководитель RXTE. Она была взволнована. “Вспыхнул один из ваших аномальных рентгеновских пульсаров – сработала сигнализация. Что ты хочешь, чтобы мы сделали?” – выпалила она. Источник 1E 2259 + 586 расположен в совсем другом направлении, чем та вспышка, о которой шла речь в статье в Nature. Ответ последовал немедленно: “Продолжайте наблюдения!” Что они и сделали. Так зарегистрировали первую очень сильную, более яркую, чем предыдущая, вспышку аномального рентгеновского пульсара. Всего зафиксировали более восьмидесяти коротких всплесков и одновременно сбои вращения – глитчи. Типичные рентгеновские пульсары так себя не ведут. “Эти вспышки были столь похожи на вспышки SGR, что астрономам не требовалось новых доказательств. Ясно, что аномальные рентгеновские пульсары – это магнетары”, – говорит Каспи. Даже в названии статьи ученые указали, что эти данные получены в результате наблюдений “больше не аномального рентгеновского пульсара 1E 2259 + 586”15. “Сейчас понятно, – говорит Каспи, – что исследователи поступили смело, утверждая, что первый всплеск был магнетароподобным, но со вторым все стало совсем просто”.

И, немного помолчав, добавляет: “К слову сказать, когда произошла эта вспышка, я была на девятом месяце беременности, так что слово «всплеск»[18] имело для меня совсем другое значение!” Каспи родила дочку через неделю после регистрации всплесков, но до самой последней минуты координировала наблюдения за ними на нескольких телескопах. Одна из коллег даже предложила назвать девочку 1E 2259 + 586, но Каспи решила назвать ее Джулией.

Вики Каспи перенесла свой опыт хронометрирования согласованности периодов радиопульсаров в мир рентгеновского излучения. Хронометрирование показало, что вращение AXP, как и вращение радиопульсаров, очень стабильно, но, как у SGR, у них бывают мощные вспышки и кратковременные сбои периодичности вращения – глитчи. С тех пор астрономы фиксировали множество вспышек аномальных рентгеновских пульсаров. Граница между ними и SGR настолько размыта, что теперь и те и другие источники многие называют магнетарами.

Томпсон, однако, предпочитает сохранить два названия. Он говорит, что AXP обнаруживают главным образом при поиске постоянных источников рентгеновского излучения и что ни один из известных аномальных рентгеновских пульсаров никогда не вспыхивал так же ярко, как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Чаще всего всплески излучения AXP имеют промежуточную яркость, а обнаруживают их, если кто-то случайно направит на эти источники рентгеновский телескоп именно тогда, когда происходит вспышка. В другое время эти источники слишком тусклые, так что заметить их нашими широкоугольными детекторами гамма-излучения, предназначенными для поиска действительно ярких всплесков, не удается.

В настоящий момент известно лишь небольшое число аномальных рентгеновских пульсаров. Один из них, обнаруженный тоже в созвездии Кассиопея, излучает даже в видимой части спектра. Вращаясь, этот очень тусклый пульсар то вспыхивает, то исчезает.

До 2004 года все известные магнетары (их насчитывалось около десятка) обнаруживались только благодаря их рентгеновскому или гамма-излучению. Все они вращались медленно и находились относительно близко – большинство в нашей Галактике. Это привлекло внимание некоторых радиоастрономов. Направив радиотелескопы на эти магнетары, они решили выяснить, излучают ли те еще и радиоволны, но ничего не увидели. Начиная с 2005 года стали появляться публикации, где физики пытались объяснить, почему магнетары не излучают радиоволны. “Считалось, что в сравнении с обычными пульсарами их магнитные поля настолько сильны, что должны проявиться некие препятствующие излучению квантово-механические эффекты”, – говорит астроном Фернандо Камило, руководитель научных исследований Южноафриканской радиоастрономической обсерватории, которая контролирует работу всех радиоастрономических центров в Южной Африке. Я встретилась с ним в этой обсерватории в Кейптауне.

В то время Камило работал в Колумбийском университете, а в том же офисе напротив него сидел астрофизик Юлиус Гальперн. В 2005 году Гальперн вместе с несколькими сотрудниками анализировал данные наблюдений галактической плоскости, полученные телескопами VLA в Нью-Мексико. Однажды они обнаружили точечный радиоисточник без пульсаций, находившийся в том же месте, что и рентгеновский магнетар XTE J1810-197, обнаруженный RXTE в 2003 году. Гальперн написал статью, где доказывал, что это не может быть радиопульсар. Он предположил, что источник связан с каким-то другим явлением, скажем с ударной волной, вызванной взрывом магнетара и распространяющейся по межзвездной среде. С этим выводом Камило согласился.

Но, и отправив статью, Гальперн не переставал думать об этом источнике: он не давал ему покоя. Итак, через несколько недель Гальперн обратился к Камило, который в отличие от него работал радиоастрономом, и попросил направить в это место телескоп Parkes. Камило это не слишком заинтересовало: если уж на то пошло, в конце девяностых вместе с Эндрю Лайном он участвовал в программе наблюдения пульсаров в галактической плоскости обсерватории Parkes, и никаких пульсаров в этом направлении обнаружено не было. Однако Гальперн не сдавался. Он все уговаривал и уговаривал Камило заняться этим вопросом. Наконец, в марте 2006 года, отчасти чтобы отделаться от Гальперна, но также, как смеясь заметил Камило, из-за того, что “Юлиус часто оказывается прав”, он попросил Джона Саркисяна, специалиста, управляющего работой Parkes, ввести заданные координаты. И на десять часов огромную тарелку Parkes повернули в направлении рентгеновского магнетара. “Я помню, что это было в выходные. Я занимался анализом данных. Юлиус сидел дома: в выходные он на работу не приходит, а я часто там бываю. Итак, я проглядывал данные – и бац! Это самый яркий пульсар, который я когда-либо видел”, – говорит Камило, который и сейчас в офисе.

Пульсации нейтронной звезды повторялись каждые 5,5 секунды, что соответствует периоду вращения магнетара.

Камило вспоминает, что вспышки оказались невероятно яркими – настолько яркими, что автоматически были помечены как радиочастотные помехи. Увидев этот временной интервал между пиками, Камило сразу понял, что перед ним. Он немедленно связался с Гальперном. “Я был так потрясен, что позвонил ему домой. Я сказал: «Боже! Ты не поверишь, что я обнаружил». Он охнул: «Боже, ты нашел магнетар!»” Этот первый из известных излучающих в радиодиапазоне магнетаров стал совершенно неожиданной находкой для тех, кто занимался пульсарами.

Впоследствии эти два физика задумались над тем, почему раньше этот источник не был виден в радиодиапазоне. Оказалось, что до 2002 года нейтронная звезда испускала очень слабое рентгеновское излучение, но внезапно оно стало в тысячу раз ярче. Камило считает, что нечто похожее произошло и с радиоизлучением. Так что это все-таки не просто точечный источник, а пульсирующий магнетар. Астрономическое сообщество было потрясено: ведь должны быть и другие излучающие радиоволны магнетары, хотя, очевидно, в данный момент они “не работают”.

Однако эмиссия радиоволн магнетаром отличается от излучения обычных радиопульсаров. Магнитное поле типичного пульсара устойчиво и структурировано наподобие поля диполя. Так же как в случае обычного стержневого магнита с северным и южным полюсом, источниками излучения пульсара являются области вблизи его магнитных полюсов, а радиоволны распространяются вдоль искривленных магнитных силовых линий. При этом яркость излучения (ее называют “плотность потока”) фактически обратно пропорциональна квадрату частоты, хотя для разных пульсаров эти зависимости слегка отличаются. Если радиочастоту, на которой ведется наблюдение, увеличить в десять раз, яркость обычно падает примерно в сто раз. Если же частоту увеличить в сто раз (скажем, от 1 до 100 ГГц), поток уменьшится в 1002, или 10 000, раз. Но плотность потока радиоизлучения магнетаров практически не зависит от частоты. “Мы сначала увеличили частоту до нескольких гигагерц, затем до сорока гигагерц, затем довели длину волны примерно до одного миллиметра, что граничит с безумием – ни с одним пульсаром мы такого не делали, – рассказывает Камило. – И по-прежнему отдельные импульсы, исходящие от этого магнетара, были видны очень четко”. К тому же спектр был совсем-совсем плоским, а это значит, что при всех частотах поток радиоизлучения оставался более или менее одинаковым. И максимум энергии излучения приходился на большие частоты (порядка 100 ГГц), а не на низкие (меньше 1 ГГц), как в случае обычных радиопульсаров.