Зоопарк нейтронных звезд. Научно-популярная лекция Сергея Попова.

Наконец, могут быть полностью странные звезды — такая звезда, странная, то есть сделанная из кваркового вещества от центра до поверхности. Это очень забавно: кварковое вещество — его прелесть в том, что оно само по себе устойчиво. Нейтронную звезду все-таки держит гравитация, вы не можете сделать очень легкую нейтронную звезду: ее разорвет. Нужно, чтобы гравитация держала вещество. А в страной звезде этого нет. Могут летать — вот люди в космических лучах их ищут — капельки странного вещества, по-английски называются "strangelets", по-русски можно говорить «страпельки» — капельки странного вещества. Вот странное вещество — оно может быть в виде капелек, например, оно... была такая идея, и она существует, когда капелька попадает в нейтронную звезду и начинает расти и постепенно съедает всю звезду, звезда становится странной. Вот интересно, у Виттена, который едва ли не самый цитируемый физик, у него одна из самых цитируемых работ посвящена кварковым звездам, и, собственно, с его работы как-то все обратили на них внимание. Точно так же, как работы Бааде и Цвикки, работа Виттена посвящена космическим лучам и, тем не менее, является ключевой для изучения компактных объектов.

Что еще у нас есть? Есть большие надежды открыть новый класс нейтронных звезд в гамма-диапазоне. Летала американская Комптоновская гамма-обсерватория (Compton Gamma-Ray Observatory), это был (как это... curiosity) любопытный факт — это была самая массивная чисто научая космическая обсерватория, потому что просто гамма-детекторы — они обычно тяжелые. Вот летала Комптоновская гамма-обсерватория, там было 4 эксперимента, один из них назывался EGRET, и у него в каталоге есть что-то около 300 гамма-источников. Из них больше половины не отождествлены. Типичный такой астрономический случай — бог знает, что видим. Что это может быть? Часть — это наверняка активные ядра галактик, которые находятся далеко. Но часть явно концентрируется к плоскости галактики, и вот к Поясу Гулда, который я пролистал — это такая локальная структура на расстоянии, там, 1000 световых лет от нас, вокруг нас, состоящая из молодых звезд. Много молодых звезд — значит, должно быть много нейтронных звезд молодых. Они могут светить в гамма-диапазоне. Например, просто может быть радиопульсар, который не светит прямо на нас, но, кроме излучения в радио, он дает излучение в гамме. А гамма-поток немножечко шире, поэтому радиолуч по нам не чиркает, а гамма-луч по нам чиркает. Но может быть, это принципиально какой-то другой механизм излучения, когда вообще нет радио, а есть гамма.

Ну, вот в этом году будет запущен спутник GLAST американский, который будет сильно лучше EGRETа, потому что в гамма-диапазоне большая проблема в определении координат. И если вы говорите, что вот на пятачке размером с диск Луны вы видите объект, то для оптического астронома это почти то же самое, что ничего не сказать. Там может быть очень много всего. Это примерно так же, как вот... я не знаю... вы вот стали сотрудником спецслужб, вот у вас есть где-то подозреваемый, вот на карте мира обводите, скажем, Шанхай и говорите: «Он где-то там, идите ищите». Вот для оптических диапазонов полградуса на небе — это очень большая область, там почти ничего нельзя найти. GLAST будет иметь гораздо лучше разрешение, и тогда уже можно будет искать, скорее всего, вначале в рентгеновском диапазоне эти некоторые неотождествленные источники, ну а потом, может быть, в радиооптике, и уже выяснять их природу, распутывать всю вот эту картинку.

Ну, движемся к концу. Вот некоторое время назад, делая похожие доклады, в том числе в этом зале, я говорил: «Легко показать, что постоянно действительно всё развивается». Вот открыт еще один новый тип источников — ну, в конце 2004 года, на самом деле, они были открыты, статья 2005 года. Были открыты источники, которые излучают очень короткие радиоимпульсы. До этого их просто не видели, потому что в радиодиапазоне — вы знаете, если вы, там, в КВ-диапазоне включите приемник, то постоянно что-то трещит, шумит; постоянно у нас в ионосфере, в магнитосфере что-то происходит, идут шумы. Выделять на этом фоне миллисекундные импульсы очень трудно, но вот сейчас люди научились это делать — и тут же они открыли новый тип нейтронных звезд.

До этого не было объектов, которые бы давали такие короткие хорошие импульсы и не давали стабильного радиоизлучения. То есть были известны радиопульсары с такими импульсами, а вот эти вначале казались не похожи на радиопульсары.

Ну вот эти импульсы миллисекундные... кстати, у вас была, по-моему, уже лекция по вейвлетному анализу, да? Вот всякие такие хитрые системы обработки данных — они применяются для вытаскивания, в том числе, и астрономических сигналов. Кстати, интересно, что очень часто... я не знаю, что вам рассказывали на лекции про вейвлеты, наверное, большой спектр описывали приложения, но обычно в первый раз, когда рассказывают вейвлеты, в основном рассказывают о временных рядах и о том, что можно что-то выделять. Вот наверняка упоминали: вейвлеты можно применять и для обработки изображений. И в астрономии, в том числе рентгеновской, вейвлеты активно применяются и для обработки изображений. Например, когда скопление галактик в рентгене изучают.

Вот если мы построим такую простую диаграммку: здесь период вращения нейтронной звезды будем откладывать, а здесь — производную периода вращения, как он замедляется. Вот черные точечки — это обычные радиопульсары, у них период от 0,1 в среднем до 1 секунды, вот эти линия соответствует магнитному полю 10¹² гаусс. То есть вот типичный радиопульсар имеет период, там, полсекунды и поле 10¹² гаусс. Вот эти два квадратика — это источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Длинный период, очень большое поле — больше, чем 10¹⁴ гаусс, вот эта линия соответствует 10¹⁴. Вот это, оранжевые, терракотовые квадратики — это аномальные рентгеновские пульсары. А вот эти 4 звездочки — это новые источники, вот эти, вращающиеся радиотранзиенты, Rotating Radiotransients (RRATs). То есть они оказываются как бы между обычными радиопульсарами и магнитарами.

Вот здесь же находится Великолепная семерка, поэтому первая идея была, что, может быть, это объекты, похожие на Великолепную семерку. Скорее всего, это не так. С одной стороны, рентгеновское излучение от вот этих RRATs'ов очень похоже на излучение Великолепной семерки, красные — это радио; крестики, обведенные пунктиром, — это рентгеновское излучение. Так что это похоже на Великолепную семерку. С другой стороны, от Великолепной семерки, как мы ни искали, радиоимпульсов мы не видим; ни на низких частотах, ни на высоких таких коротких импульсов нет. Так что, может быть, это все-таки источники, не связанные непосредственно, но, скорее всего, какие-то родственники друг другу.

Наконец, самое последнее открытие 2007 года — был обнаружен забавный объект, назвали его Calvera. Кто смотрел фильм «Великолепная семерка», Calvera — это плохой, вот он вот такой. Люди увидели объект: можно точно сказать, что это одиночная нейтронная звезда, но нельзя сказать, на каком расстоянии она находится. То ли она на расстоянии 1000 световых лет от нас, то ли 10 000 световых лет от нас, и тогда интерпретация будет разная. Если бы увидели радио, было бы легче; никакого радио не видно. То есть в астрономии, опять же, типичная ситуация: вы видите, там, точечку какую-то, например в рентгеновском диапазоне, как в данном случае, объясняете — даже расстояние нам пока не известно, нужно наблюдать дальше.

Есть много идей, что это такое. Например, это может быть точно объект, как Великолепная семерка, но очень далеко от нас — есть такие «убегающие звезды», обычные массивные звезды с большой пространственной скоростью. Они очень простым способом рождаются: представьте, крутится двойная система, и одну звезду вы убираете — например, она взрывается. А вторая — у нее есть орбитальная скорость, хочется дальше крутиться, но поскольку ее больше ничего не притягивает, она просто летит вперед. Значит, у звезды, у обычной, появится необычно высокая скорость. Обычные одиночные звезды так быстро не летят. Так вот, такая звезда может очень далеко улететь от своего места рождения и там взорваться. Дать там нейтронную звезду, в совершенно неправильном месте, там не должны вроде бы рождаться нейтронные звезды, если бы не было убегающих звезд. Вот, может быть, Calvera — такой объект, ну, непонятно. И видно, что практически каждый год в изучении нейтронных звезд подкидывает нам какие-нибудь новые загадки.

Давайте будем подводить итоги. У нас есть много групп, много типов источников, которые являются молодыми нейтронными звездами. У нас даже есть, возможно, магнитары, то есть совсем другие нейтронные звезды, непохожие на обычные радиопульсары. Это не какие-то отклонения малозначительные, все вместе вот эти источники по их темпу рождения оказываются более распространенными, чем радиопульсары. Мы знаем радиопульсаров много, больше тысячи, просто потому, что их наблюдать легко. Эти объекты наблюдать сложнее, или они живут очень недолго на этой активной стадии, поэтому по штукам нам их известно мало, но темп рождения их оказывается достаточно большим.

Для теоретиков есть много вопросов. Кроме того, что непонятны механизмы излучения почти для всех типов объектов или непонятна эволюция излучения — например, как в случае остывания нейтронных звезд, мы не знаем, как устроена жизнь вещества при плотности 10 ядерных; значит, мы не можем точно посчитать, как остывают нейтронные звезды. Для астрофизиков-теоретиков есть два основных вопроса — это есть ли связь между всеми этими объектами? Может ли так быть, что звезда родилась источником мягких повторяющихся гамма-всплесков, потом стала аномальным рентгеновским пульсаром, потом, например, поле затухло у нее, — опять же, вспоминаем, что поле само — это некая фикция, токи, которые текут в нейтронной звезде и поддерживают поле. Затухли — токи затухают, батарейки у нейтронной звезды нет, это естественный процесс, — поле уменьшается, и они превратились, например, в Великолепную семерку. Так это или не так, есть ли генетическая связь между ними — мы не знаем, и точно так же мы не знаем причины различий. Почему какие-то массивные звезды в конце своей жизни рождают радиопульсары, какие-то рождают магнитары, какие-то рождают компактные источники в остатках сверхновых. Это точно три разных типа нейтронных звезд, с самого начала, от момента рождения.

Ну вот, в общем, мы и приблизились к концу, это, опять-таки, картина современного художника, это картина Доротеи Рокберн. Как вы видите, мы — я надеюсь — приблизились к более когерентной картине. Мы знаем, что нейтронная звезда — это что-то круглое, что-то вращающееся, что-то с нее выбрасывается; может быть, что-то на нее падает, вокруг есть какие-то другие звезды. То есть это объект, который мы более-менее умеем описывать с точки зрения астрофизики. С другой стороны, вопросов колоссальное количество, поскольку оказывается, что, наверное (конечно, каждый кулик свое болото хвалит), с точки зрения физика самый интересный объект в астрономии — это нейтронные звезды. Там есть и очень высокие плотности, то есть если вы занимаетесь квантовой хромодинамикой — милости просим. Там есть сверхтекучесть и сверхпроводимость, там есть сверхсильные магнитные поля. Там есть интересная ядерная физика, поскольку, если вы вещество кидаете на поверхность нейтронной звезды, оно проникает в кору, и там могут идти очень интересные ядерные реакции, которые в обычных условиях не идут. Так что всем этим надо заниматься. Я как бы на этом финиширую.

Если у вас есть вопросы, что почитать, то, во-первых, есть, конечно, сайт «Элементы»; по астрономии самый наполненный сейчас, наверное, сайт «Астронет», и там хорошая система поиска, которая ищет не только по нему, а по астрономическим сайтам. И, наконец, есть две книжки. Такой сборник статей сотрудников ГАИШ, который в течение года-двух... это будет такой, так сказать, up-to-date — как это по-русски... с очень современным описанием широкого спектра астрономических вопросов. Ну, и из него вычленена маленькая книжка собственно по нейтронным звездам — это вот, если интересно, есть такое издательство «Век-2».

Все, спасибо, я на этом останавливаюсь.

Вопрос: Вот у меня есть вопрос по поводу кварковых звезд. Вообще, теория кварков предполагает, что данные объекты (неразборчиво), так называемые адроны, связаны с некой частицей, переносчиком некого взаимодействия — глюоном. Так вот, есть ли у этих пресловутых кварковых звезд некое особое глюонное излучение или нечто тому подобное?

Нет, никакого. Собственно, глюоны — они не как фотоны. У них масса есть, и глюон не может, как фотон, условно говоря, оторваться от электрона и прилететь к нам в глаз. Глюон сам по себе так не может, поэтому никакого такого способа обнаружения не может быть. Как определить, что мы видим кварковую звезду? Вот здесь существует очень много идей. Во-первых, они могут быть гораздо меньше — просто потому, что они такие самодержащиеся, им гравитация не важна. У них может быть вот такая голая кварковая поверхность, она будет по-другому излучать. У них другие механические свойства, и если вы видите какие-то колебания нейтронных звезд — вот например, такой тоже недавний результат, сейчас попробую... Ну, часть мне придется на пальцах показывать, но тем не менее... Вот гигантская вспышка, и вот люди сумели в хвосте вспышки выделить колебания с частотой в несколько десятков герц.

То есть эта звезда дрожит сама, ее поверхность дрожит, то есть; может быть, это торсионные колебания — никто не знает точно. Вот у кварка известно: такие колебания устроены точно по-другому, ну, в данном случае, значит, мы можем сказать, что, скорее всего, это не кварковая звезда. Но, в принципе, есть способы по таким более или менее обычным проявлениям выяснить, кварковая это звезда или нет. И они остывают совсем по-другому, то есть тоже по этому можно... Просто с излучением глюонов ничего не получится.

Вопрос: Вот еще один вопрос. Встречаются ли, в общем-то, подобные нейтронные звезды в ряде ближайших к нам галактик — Большом и Малом Магеллановом облаке (неразборчиво) спутник?

Хороший вопрос, да. У меня даже это где-то есть на слайде, но я совершенно забыл про это сказать, спасибо. Значит, здесь ситуация вот какая. Мы не можем пока видеть радиопульсаров других галактик. Ну, кроме Большого Магелланова облака — это слишком близко, там есть радиопульсары, известные, наблюдаемые. А вот рентгеновские объекты мы можем видеть с очень больших расстояний, и поэтому нейтронные звезды в других галактиках мы видим в тесных двойных системах. И спутники типа Чандра, которые, с одной стороны, очень чувствительны, с другой стороны, имеют очень хорошее угловое разрешение, то есть они отдельные источники могут выделять, — вот они видят тесные двойные системы с нейтронными звездами с расстояний, там, десятки миллионов световых лет по крайней мере. И мы уверены, что, действительно, в этой системе сидит нейтронная звезда.

Вопрос: У меня не вопрос, а примечание. Мы уже 50 лет пользуемся системой СИ, для нашей аудитории привычнее слышать о единицах Джоулях, единицах системы СИ. Почему все-таки астрономы столь консервативны, всё в эргах и так далее? Просто аудитория как-то привыкла к единицам системы СИ, приходится иногда растолковывать связь... Мы говорим о них, но как-то меньше помним.

Ну, действительно, вы правы, астрономы пользуются СГС-системой, и поэтому, конечно, просто цифры в голове в СГС, и я всё время боюсь, что если я попробую популярную сделать лекцию в СИ, то я просто буду путаться и постоянно называть не те числа и через слово извиняться. Ну, я поэтому пытаюсь сравнивать, говорить, во сколько раз ярче Солнца, а так в эргах всё больше. Вот Садовничий хочет придумать новый рейтинг университетов, чтобы МГУ был повыше... так что мерить надо в попугаях, чтоб длиннее получалось. Но я постараюсь учесть. Хуже, вот, если физик элементарных частиц рассказывает — у них еще хуже.