Зоопарк нейтронных звезд. Научно-популярная лекция Сергея Попова.

Тем не менее, повторюсь, эти нейтронные звезды никто не узнал. Нельзя было доказать, что это нейтронные звезды, нужно было открывать пульсирующие источники. Пульсирующие источники в рентгене были открыты позже, а в радио это сделали в 67-м году. Сделала это Джоселин Белл (Jocelyn Bell Burnell), которая тогда была аспиранткой. Это было — есть такое красивое слово — серендипическое открытие, случайное открытие. Не искали нейтронные звезды специально, а изучали мерцание радиоисточников на космической плазме, и вдруг увидели, что есть источник, который выдает очень точные импульсы. Вначале решили, что это наземный источник, потом — наверное, хорошо известная история — решили, что это инопланетяне, и авторы сами засекретили (как бы такая внутренняя цензура сработала, в Кембридже у них не было Первого отдела). Несколько месяцев они не публиковали данные, никому особенно о них не рассказывали, но они открыли еще несколько источников, и, в общем, стало ясно, что как-то у нас всё небо в инопланетянах, и поэтому они решили, что вещь естественная, опубликовали статью и получили — собственно, Энтони Хьюиш (Antony Hewish), руководитель проекта, получил Нобелевскую премию. Джоселин Белл премии не получила. Это было неожиданно еще потому, что, как сказал Уилер, по-моему, «никто не знал, что у нейтронных звезд есть колокольчики».

Вот колокольчиками оказалось магнитное поле; если бы не было магнитного поля, то доказать, что это нейтронные звезды, было бы очень трудно. Мы уже сказали, что радиопульсары видны, потому что имеют большое магнитное поле и быстрое вращение. Если поле маленькое или вращаются медленно, то излучать они что-то будут, но излучение будет очень слабое, и, естественно, всегда для существующей аппаратуры есть какой-то предел обнаружения. Важно помнить — мы к этому вернемся — что есть много других способов увидеть нейтронные звезды.

Вот сама Джоселин Белл, вот это — радиотелескоп, много таких проволочек натянуто, диполей; вот как раз на нём они работали, вот там тоже проволочки, их, наверное, плохо видно на снимке.

Важное открытие было — обнаружение пульсара в Крабовидной туманности. Очень часто говорят, что Крабовидная туманность — это остаток сверхновой. Строго говоря, это неправильно, есть строгое определение того, что такое остаток сверхновой. Остаток сверхновой — он где-то снаружи Крабовидной туманности, мы его не видим. Сама Крабовидная туманность как раз выдувается, подсвечивается пульсаром, который находится в центре — всё время забываю, какая-то одна из слабых звездочек вот тут, в серединке, — это пульсар. Его видно в оптике, но для того, чтобы его увидеть в оптике и понять, что это пульсар, нужно было увидеть, что слабенькая звездочка пульсирует с периодом 33 миллисекунды. То есть за секунду 33 пульса примерно она выдает. И вот это открытие четко сформировало, подтвердило гипотезу Бааде–Цвикки: звезды в конце жизни взрываются как сверхновые и на их месте остается нейтронная звезда. Вот это был момент, 69-й год, когда сложилась такая первая когерентная картина о том, что такое нейтронные звезды, как они образуются, как они выглядят. И с этого момента считалось, что пульсар в Крабовидной туманности — это такая классическая молодая нейтронная звезда. Потом открывалось много интересных пульсаров, вокруг них тоже есть пульсарные туманности, сейчас это целая отдельная большая наука.

Вот пульсар Vela — это сам пульсар, вот такая вокруг него сложная туманность с ударными волнами, с джетами; джеты очень красиво себя ведут, там всё дышит. Вот это — пульсарная туманность совсем вокруг пульсара в Крабовидной туманности, сама звездочка здесь; есть диск, есть два джета.

Пульсар Vela — он так красиво ведет себя, в рентгеновском диапазоне люди прямо видят, как он так «виляет» хвостиком или хоботом — как вам больше нравится. Он туда летит, значит, наверное, это хобот скорее. Повторюсь, изучение пульсаров в туманности — это целая большая отрасль астрофизики высоких энергий, поскольку пульсарная туманность сейчас открыта у многих объектов. Детали того, как работает механизм пульсарной туманности, до конца не понятен. Понятно, что в середине сидит нейтронная звезда, крутится, у нее есть магнитное поле, что-то там летит, и вот получается туманность, но детали абсолютно не ясны.

Но мы с вами стремимся перейти в новый зоопарк нейтронных звезд. Итак, давайте перед этим... вот мы идем по переходику, и мы подведем итог. Итак, уже к концу 60-х годов было ясно, что есть нейтронные звезды, они образуются после взрыва сверхновых. Считалось, что классическая молодая нейтронная звезда — это пульсар Крабовидной туманности, то есть он рождается с полем 10¹² гаусс — напомню, у Земли и у Солнца на поверхности 1 гаусс — с вращением очень быстрым, звезда нейтронная, естественно, замедляется, раскручивать ее нечем, если она одна. Соответственно, пульсар в Крабовидной туманности родился с периодом 20 мс. Опять же, это такая классика; дальше он потихонечку замедлится и перестанет наблюдаться как радиопульсар, просто потому, что радиоизлучение будет слабым. Зато для старых нейтронных звезд есть второй шанс: если есть звезда-соседка, то аккреция приведет к тому, что их увидят в рентгене. Вот сложилась полная картина, которая в течение 30 примерно лет вот так вот и существовала.

Но в 90-е годы примерно эта картина начала сильно разрушаться. Было открыто и до сих пор открывается — вот последний объект новый, непонятный было открыт в прошлом году, предпоследний — в самом конце 2003-го. Стали открываться новые типы нейтронных звезд, молодых нейтронных звезд, и мы будем о них говорить. Это компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых, то есть мы увидим, в остатках сверхновых мы видим нейтронные звезды, которые не похожи на пульсар в Крабовидной туманности. Два класса объектов — аномальный рентгеновский пульсар и источник мягких гамма-всплесков — которые, видимо, являются сверхзамагниченными нейтронными звездами; остывающие нейтронные звезды, которых пока известно семь, поэтому они называются Великолепная семерка; гамма-источники, наблюдавшиеся, например, аппаратами EGRET; отрыт новый интересный класс радиоисточников, не сосем похожих на радиопульсары; и, наконец, периодически появляются загадочные объекты, нейтронные звезды, которые непонятно, куда отнести.

Итак, нейтронная звезда рождается взрывом сверхновых. Проблемы начинаются уже здесь. Мы бы многое знали о молодых нейтронных звездах, если бы знали, как взрываются сверхновые. Физика сверхновых — это совсем тяжеля область, потому что там всё происходит очень быстро, у вас вместе работают теория относительности, сложная магнитогидродинамика, сложная ядерная физика, дуют нейтринные ветры, всё колышется, всё бултыхается, происходит это за миллисекунды, непосредственно наблюдать мы это как следует не можем. Поэтому много непонятного, теория очень сложная, люди пытаются это моделировать на компьютерах, вот что-то у них получается, как-то вот ядро теряет устойчивость, начинает бултыхаться... На самом деле, ни в одной модели взрыва не получается. То есть если руками не заложить большую энергию, то объект не взорвется, и из вот этих сложностей (вот еще один мультфильм про взрыв сверхновой) мы не можем рассчитать параметры молодых нейтронных звезд, нам пока приходится идти от наблюдений.

В данном случае вот так вот джет прорывается сквозь оболочку звезды за счет того, что звезда вращалась, у вас появляются выделенные направления вдоль полюсов; такая штука, если внутри сидит черная дыра, должна давать гамма-всплески, например. Но, опять же, вот такие красивые модели, которые что-то объясняют, они, например, не учитывают очень простые вещи: что у нейтронной звезды, или, там, вообще в ядре, есть магнитное поле. То есть модели есть, они там месяцами суперкомпьютерами считают, а магнитное поле пока вот только-только начинают туда вставлять, то есть это означает, что пока расчетам до конца верить нельзя, а значит, нужно больше думать о наблюдениях.

Итак, первое серьезное сомнение в том, что все нейтронные звезды похожи на пульсар Крабовидной туманности, появилось, когда начали открывать вот такие объекты. Вот классические, хорошие остатки сверхновых. Вот в центре сидят рентгеновские источники. Значит, это какой-то компактный объект. Что у нас может быть? Может быть нейтронная звезда, может быть черная дыра. Это явно не черные дыры, потому что черная дыра — ну, она светит, если вокруг нее есть аккреционный диск, если идет аккреция; здесь ничего похожего нет вроде бы — значит, это нейтронная звезда. Но она не пульсар. Мало того, что мы не видим пульсара, — мы не видим пульсарной туманности. Потому что понятно, что если, там, взять двустволку и начать стрелять в потолок, то вы очень хорошо узнаете, что стреляете в потолок, потому что там дырочки будут появляться. Если есть вокруг туманность и работает пульсар, то есть идет огромный поток релятивистских частиц, то должен образовываться джет, должна быть видна струя, должна быть какая-то туманность вокруг. Мы ничего не видим — значит, пульсара точно нет.

А нейтронные звезды точно есть, на следующей картинке это может быть лучше еще видно, вот здесь такой зум сделан внизу. Вот рентгеновский источник, нейтронная звезда, а вокруг тишина, всё спокойно. Просто, действительно, мы видим 10-километровый шарик, он еще горячий, потому что он недавно родился, у него температура — миллион градусов. Теперь в рентгене мы можем видеть такие шарики — 30 лет назад, конечно, не могли. И таких объектов достаточно много; ну вроде их всего 8 штук, допустим. Что такое 8 штук? Но пульсаров в остатках сверхновых тоже примерно 8 штук, то есть это означает, что примерно половина нейтронных звезд рождается совсем не такими, как пульсар в Крабе. То есть вот 30 лет мы читали, другие люди писали научно-популярные книжки: вот, нейтронные звезды рождаются, как пульсар в Крабе. Хорошая картинка. Оказалось, что реальность более интересна, что могут они рождаться, например, вот такими. Что с ними не так — неясно: то ли вращаются медленно, то ли магнитные поля слабые, то ли еще что-то, но вот что-то с ними не так.

Что еще есть у нас нового? Есть объект, который называют «магнитар». Магнитар по определению — это объект, который излучает энергию своего магнитного поля. Магнитное поле имеет энергию, плотность просто b², поле в квадрате, коэффициентики забыли. Почему излучают радиопульсары? Они излучают энергию вращения, они замедляются. Мы можем посчитать темп замедления какой-то нейтронной звезды. Почему излучают компактные источники в остатках сверхновых? Они горячие. Так вот, когда вы складываете все вот эти составляющие, а светимость, которую вы видите, больше, вам нужно придумать что-то еще.

Следующая разумная идея — магнитное поле. Если у вас есть сильное магнитное поле (ну, собственно, и слабое), вы можете излучать его энергию. В солнечных вспышках, например, излучается энергия магнитного поля. Очень хорошо понимать, что никакого поля как бы нет. Вот магнитные силовые линии, их там кто, Фарадей придумал? Это очень красиво, очень хорошо, но на самом деле, текут токи — вот что важно. У вас есть токи. И поэтому, когда говорят, ну вот, выделяется энергия магнитного поля, вот есть ниточки, да, если мы их пересоединим, то вроде бы энергия должна выделиться, не очень понятно. Всё очень просто: течет ток, если есть поле. Если вы линии пересоединили, значит вы устроили короткое замыкание. Кто не верит, что при коротком замыкании выделяется энергия, возьмите пинцет и идите к розетке. Узнаете: выделяется, совершенно точно. Если вы это делаете в большом масштабе на нейтронной звезде — это магнитар.

Таким образом, если темп выделения энергии превосходит темп выделения вращательной энергии, то есть темп замедления, то, скорее всего, мы имеем дело с магнитаром. Почему мы убеждены, что некоторые объекты являются хорошими кандидатами в магнитары? Кроме вот этого условия, по скорости замедления периода, мы, опять же, говорим, что это нейтронные звезды с большим магнитным полем — чем больше поле, тем сильней нейтронная звезда замедляется. У магнитаров периоды пульсации намного длиннее, чем у радиопульсаров. Наконец, в редких случаях есть то, что астрономы называют «прямым измерением поля». Для физика это, конечно, никакое не прямое измерение поля. Вы увидели спектр, увидели в нём какие-то линии (спектр линий я покажу потом) — вроде бы это можно объяснить как магнитное поле. Можно объяснить и как-то по-другому, вот это возникает такая типичная астрофизическая неопределенность. Модель хорошо описывает — это хороший аргумент в ее пользу, но руками потрогать, к сожалению, ничего нельзя. Поля у магнитаров (у известных кандидатов в магнитары) — 10¹⁴–10¹⁵ гаусс, это колоссальная величина. Если вы посчитаете энергию, то в такой нейтронной звезде запасена энергия... давайте быстро перемножим... ну, там, 10⁴⁸ эрг. 10⁴⁸ эрг — это очень много, Солнце за всю свою жизнь излучает меньше, ну, примерно столько же (Конечно, Солнце за всю свою жизнь (10 миллиардов лет) излучает больше, чем запасено у магнитаров в магнитном поле. (Прим. С. Попова)).

Известные магнитары делятся на два типа: это источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (их известно всего четыре, плюс есть кандидаты) и аномальные рентгеновские пульсары (их известно раза в два побольше, плюс тоже есть кандидаты). Давайте быстренько о них поговорим.

Как они, во-первых, распределены в галактике? Ну, на свою галактику мы посмотреть сбоку не можем, ничего страшного, можно представить. Вот это — наша галактика сбоку; красненькие, вот 4 штучки — это мягкие повторяющиеся гамма-всплески, их источники; желтенькие — это аномальные рентгеновские пульсары. Видно, все они лежат в плоскости галактики. Вот этот лежит не в плоскости — он в Большом Магеллановом облаке находится.

То, что объекты лежат очень хорошо в плоскости галактики, астрономам немедленно говорит о том, что это молодые объекты, поскольку звезды образуются только в плоскости галактики — там есть газ, там есть из чего звезды образовывать. Коли они лежат там, значит это очень хорошо подтверждает их молодость. Это не могут быть старые нейтронные звезды: старые нейтронные звезды — они летали бы в гораздо большем объеме и так в плоскости галактики не концентрировались бы. Так что это очень хорошо входит в такую когерентную картину, опять же, того, что такое магнитары. Хотя их, вроде бы, мы знаем мало, но, возможно, больше 10% звезд рождаются как магнитары, поскольку магнитарная стадия просто очень короткая. Если мы оценим возраст вот этих источников — он очень небольшой, десятки тысяч лет максимум, а галактики — 10 миллиардов лет. Значит, если вы хотите оценить полное количество магнитаров, рожденное за всё время жизни галактики, делите возраст галактики на возраст магнитара, умножаете на известное число, получаете большую величину. Вообще говоря, получаете несколько миллионов, может быть, десятки даже миллионов, это до 10% всех нейтронных звезд.

История изучения вообще этого типа объектов началась в 79-м году, и на мой взгляд (это очень субъективное мнение) — это самый красивый результат в астрономии, полученный в СССР, в России, вообще вот в Российской империи. Были аппараты Венера-11, Венера-12, было две группы — группа из тогда, естественно, Ленинграда под руководством Евгения Мазеца, была советско-французская группа в Институте космических исследований, они изучали гамма-всплески. Гамма-всплески к тому времени были открыты, это отдельная тема, мы ее сейчас касаться не будем. И вот 5 марта 1979 года вдруг увидели очень яркий, очень странный всплеск.

Вот здесь, если рисовать максимум блеска — аппаратура просто ослепла, она ничего не видела, — вот здесь 2000 всего отложено фотонов за четверть секунды, оценки говорят, что в максимуме было 50 000 фотонов в секунду примерно, просто аппаратура захлебнулась. А после того, как аппаратура прозрела, она увидела регулярные пульсации. Значит, это... такую регулярность дают в астрономии только вращающиеся объекты. Если это секунда — в данном случае это секунда, — значит, это нейтронная звезда, больше никакой объект вам регулярного вращения с периодом секунда не дает. Ну, можно фантазировать с белыми карликами, но, в общем, достаточно легко показать, что в данном случае это не пройдет. Значит, было ясно, что нейтронные звезды периодически дают колоссальные вспышки. Энергетика этой вспышки — 10⁴⁴ эрг/с. Ну, если сравнивать с Солнцем, это в 100 миллиардов раз больше, чем светимость Солнца. Ну, в течение долей секунды — всё равно это впечатляет. То есть, на самом деле, этот объект светил, как целая галактика, если мы по энергетике оцениваем.

Вторая группа, советско-французская, она изучала не пульсацию, она изучала координаты, и они получили координаты. Для этого нужно было подождать, потому что нужно несколько спутников, свести данные с нескольких спутников, и тогда получается вот такая вот область неопределенности странной формы, и она спроецировалась на остатках сверхновой в Большом Магеллановом облаке. Стало ясно, что это действительно молодая нейтронная звезда, которая в этом остатке сверхновой родилась, а коли это Большое Магелланово облако, мы немедленно знаем расстояние — из потока фотонов мы получаем расстояние, в астрономии часто трудно оценить расстояние: мы что-то видим, а где оно находится — бог знает.

Потом было открыто еще три источника этого типа, у них есть несколько типов всплесков, очень быстро я по ним пробегусь. Есть то, что называется «слабыми всплесками»; на самом деле, светимость там в миллиард раз больше Солнечной — ну, в 100 миллионов раз, в 50 миллионов раз, сильно больше Солнечной. Это называется «слабые всплески». Их дают и источники мягких повторяющихся гамма-всплесков, и аномальные рентгеновские пульсары. Длятся они очень недолго, где-то 0,1 секунды, и много-много объектов их показывает, и уже зарегистрировано около тысячи таких коротких всплесков.

Есть промежуточные всплески, то есть энергетика у них промежуточная, они где-то раз в 100 мощнее слабых.

Вот, как вы видите, они могут получаться очень кудрявыми; какие-то похожи на гигантские всплески, но нет центрального всплеска; какие-то вот просто имеют такую странную форму, и вообще говоря, похожи на обычные гамма-всплески.

В итоге к настоящему времени можно считать, что каждый из четырех источников дал гигантскую вспышку, но вот одна под вопросом — это вопрос классификации: это была очень мощная вспышка, но без вот этого хвоста пульсирующего, кто-то ее считает гигантской, кто-то нет. В спокойном состоянии это просто рентгеновские источники, которые дают вот такие пульсы, и период, естественно, такой же, как в хвосте вспышки — нет сомнений, что это вращающаяся нейтронная звезда.

Аномальные рентгеновские пульсары — второй кандидат в магнитары.