Зоопарк нейтронных звезд. Научно-популярная лекция Сергея Попова.

Сергей Попов, кандидат физико-математических наук,

Государственный астрономический институт имени Штернберга (ГАИШ), Москва

Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 31 января 2008 года

1 часть

2 часть

Прежде чем я начну вам что-то рассказывать, давайте я вас спрошу: на ваш взгляд (понятно, что по этому вопросу у всех людей разные мнения, и правильного ответа, наверное, не существует) — когда, где появилась наука? Кто были первые ученые; почему это была уже наука, а до этого была не наука — может быть, она потом исчезала, какие у вас есть мнения? Ну, первый, более простой вопрос — где и когда? Какие есть... Греция, еще какие-нибудь есть? (Из зала: ... Фалес Милетский...) Вот, уже фамилия, хорошо. Еще есть идеи? Просто мне интересна ваша точка зрения, я вам постараюсь свою рассказать, которая, конечно, не сильно... (Из зала: Аристотель говорит, что в Египте.) Вот, Аристотель — в Египте. Ну, просто, может быть... (Из зала: Когда у жрецов появилось свободное время, чтобы думать. Он так обосновывает.) Хорошо.

А мне кажется — да, действительно, я думаю, что в Греции, тут мы с Аристотелем не совпадаем — наверное, просто меняется мнение о том, что такое наука. Мне кажется, что в науке существенно — это осознание того, что есть законы природы. Для жрецов — ну, мне кажется, я ведь не очень хорошо знаю психологию, философию жрецов древнего Египта — не было еще понятия «законы природы». Вот наука появляется, когда есть идея, что есть законы природы. И поэтому первым примером по крайней мере удачной научной работы, может быть, является теория Евдокса Книдского, который первым построил достаточно разумную математическую теорию движения планет. То есть вот есть необходимая составляющая: есть наблюдение реальных объектов.

Вы помните, что, по Фейнману, математика, например, не наука вообще; просто она не занимается изучением естественных объектов. Есть естественные объекты, и мы их наблюдаем, наблюдаем достаточно точно; кстати, Евдокс Книдский был одним из первых серьезных наблюдателей, он до Гиппарха жил, лет за 250. Есть точное наблюдение и есть математическая теория. И вот эта сама идея, что вы можете, грубо говоря, на бумажке, на пергаменте, на глиняной дощечке — на чём угодно — написать некое выражение (осмысленное, математическое, не заклинание), которое будет описывать поведение тел в природе, и они так вот и будут себя вести. Вот с этого момента, на мой взгляд, и появляется наука. То есть, в моем понимании науки, как она есть сейчас — наверняка это понятие будет меняться со временем. Нам нужны две основные составляющие, плюс какие-то философские установки в голове. Первая — это реальные наблюдения и математическая теория. Вот это наука.

Сегодня я буду говорить об объектах астрономических, и вот это наука, потому что у нас есть наблюдение — в основном я буду говорить вам о каких-то наблюдательных фактах. То есть то, что видно, грубо говоря. Но важно помнить всё время, что когда мы говорим о наблюдениях, то мы не собираем факты в духе Плиния Старшего — там, есть животные с четырьмя ногами, где-то нашли с пятью ногами, где-то с десятью, а где-то с тремя головами. Это само по себе не так интересно — это забавно. Но это неинтересно с точки зрения науки. Вот был такой большой спор на одном из форумов: один из редакторов Nature выступил с утверждением, что вот нужно развивать такой подход к популяризации науки, который заключается в лозунге: "Science is sexy". Вот утверждение было, что нет, потому что это ложный подход; вот увидеть, там, поросенка с тремя головами — это забавно, но это не наука. Мы ищем законы.

Поэтому 90% моих слайдов будет посвящено каким-то наблюдениям, каким-то необычным объектам, я вам буду говорить: «Вот необычный объект», «Вот кто-то вспыхнул», но всё время в голове у нас должно быть, что мы не просто хотим какой-то список забавных происшествий составить — всегда мы за этим ищем физику. Ну и, соответственно, обратная вещь: если, наоборот, вы рассуждаете как теоретик, то интересно не просто написать какие-то уравнения, которые сами по себе могут быть очень интересны, но они станут наукой, когда вы их сравните с наблюдениями, и если еще вдобавок всё совпадет, то будет замечательно, вот получится наука. Вы прошли всю цепочку, от описания до представления. И с этой точки зрения, с одной стороны, вроде бы работа любого, наверное, ученого, астрофизика, полутеоретика — она похожа на работу детектива. Вот увидели что-то необычное — нужно расследовать, что там произошло, что реально за объект. Потому что мы увидели вспышку, например. В этом году — в прошлом уже году — замечательное открытие было сделано: техника и обработка данных доросли до того, что можно уловить отдельные миллисекундные всплески радиоизлучения. Вот люди увидели отдельный миллисекундный всплеск радиоизлучения. Скорее всего, он внегалактический, находится в миллиарде световых лет от нас; что вспыхнуло — неизвестно, очень интересно разобраться. Но интересно разобраться не потому, что мы хотим вот этот единичный объект узнать, то есть в конце серии, там, Эркюль Пуаро всё расскажет. А нам интересно включить это в общую картину, распутать не просто единичный случай, а понять, как устроен класс объектов.

Ну вот, давайте потихонечку разбираться с этим.

То, что вы видите вот на этой замечательной картинке, — это картина художника Брэда Ковингтона (Brad Covington). Как, может быть, вы догадываетесь, картинка называется «Нейтронная звезда». Вот, согласно Брэду Ковингтону, ситуация действительно достаточно запутанная. Задачей этой лекции будет немножечко распутать вот эту картинку, придти к какому-то боле когерентному понятию того, что такое нейтронная звезда, как она устроена, ну, потихонечку будем с вами с этим разбираться.

В астрономии, наверное, в 99 процентах случаев история развивается так: что-то увидели на небе, потом начали думать, что же мы увидели. С этой точки зрения нейтронные звезды, наверное, из достоверно открытых — уникальный объект: их вначале предсказали, и только потом увидели, потому что увидеть их оказалось очень непросто. Предсказали их в 30-е годы, первым был Ландау, столетие которого совсем недавно отмечали. Причем забавно, что предсказал он... он не мог тогда предсказать нейтронные звезды — все-таки он их предсказал до открытия нейтрона. То есть он предсказал такую звезду-ядро, он показал в очень короткой заметке, фактически без формул, что могут образовываться такие странные объекты, которые будут иметь плотность, как у атомного ядра. Тогда без нейтрона было непонятно, как устроено ядро, но качественно люди понимали, что есть объект с такой-то массой, с таким-то радиусом; соответственно, можно было оценить плотность.

Первыми астрономами, которые начали рассуждать о нейтронных звездах с астрономической точки зрения, были Бааде и Цвикки. Цвикки как раз был очень известен придумыванием всяких интересных идей, из них некоторые сбывались, некоторые — нет. Работа по нейтронным звездам — совершенно замечательная; она, опять же, занимает чуть-чуть больше одной страницы и посвящена была, на самом деле, космическим лучам. Но в этой работе они предсказали фактически всё, что нужно: что нейтронные звезды рождаются во вспышках сверхновых. По сути, уже было ясно из их работы, что в объектах, подобных Крабовидной туманности, которую мы увидим на одном из слайдов и которая вот как раз на афише, такая красивая туманность, — там может быть нейтронная звезда, и вот это в 34-м году было очень четко написано, опубликовано в очень хорошо читаемом, хорошо цитируемом журнале. Но астрономы не бросились искать эти объекты и открыли их спустя 33 года после предсказания. Почему? Потому что что такое нейтронные звезды? Что можно было предсказать в 34-м году?

Это объект с радиусом в 10 км, с массой примерно как у Солнца, и с плотностью порядка ядерной. Десятикилометровый объект, который должен находиться на расстоянии, там, 100 000 световых лет от нас, если вы хотите в сантиметрах — это 10²⁰ см, характерное расстояние до нейтронной звезды. С 10²⁰ сантиметров увидеть десятикилометровый шарик, когда вы не очень хорошо знаете, куда смотреть, — дело практически безнадежное. Поэтому достаточно быстро люди прикинули и даже не публиковали эти оценки, насколько я знаю, — поскольку это всё можно сделать на конверте, — какой звездной величины будут эти объекты, в самом оптимистическом сценарии, и поняли, что найти ничего нельзя с теми телескопами, которые есть. И поэтому нейтронные звезды были благополучно забыты. Теоретики иногда к ним возвращались, поскольку было понятно, что, да, есть очень хорошие астрофизические рассуждения о том, что должны быть объекты, в центрах которых плотность будет превосходить ядерную по крайней мере в разы, и это даст возможность веществу находиться в очень экзотических условиях, и можно про это рассуждать. Но, тем не менее, в течение 30 лет никакой науки особой вокруг нейтронных звезд не было, потому что не было куска, связанного с наблюдениями.

А астрономия — наука наблюдательная, причем это единственная, наверное, естественная наука, которая вообще не может непосредственно экспериментировать с объектами своих исследований. Поэтому физики очень часто не любят... ну, не то что не любят — очень скептично относятся к астрономическим данным. Скажем, ну вот мы говорим о темной материи, мы говорим, что на 25% Вселенная состоит из темного вещества, не барионного, вдобавок, темного вещества. Но физики действительно в это поверят, когда частицу темной материи поймают в лаборатории. И люди пытаются это сделать уже много-много лет, пока ничего поймать не удалось — задача действительно очень сложная. Но, тем не менее, есть вот разные подходы, астрономы только подглядывают и подслушивают, а поймать ничего руками и поэкспериментировать не могут. Поэтому, с одной стороны, наука гораздо интереснее от этого, на мой взгляд, становится, особенно с точки зрения теоретика — больше поле для фантазии, — а с другой стороны, действительно, не все результаты следует воспринимать как абсолютно достоверные в том смысле, что можно сказать: «Да, вот это мы увидели». Можно честно описать, как увидели и что увидели, но выводы почти всегда будут модельно зависимы.

Почему мы можем видеть нейтронные звезды? Вот в 34-м году было понятно только, что они рождаются горячими, а десятикилометровый шарик, в общем-то, как вы его ни нагревайте разумно — миллион градусов, 10 миллионов градусов, больше... — на самом деле, вы не получите естественным образом (мы про это тоже немножко поговорим). Увидеть такой объект, фактически, невозможно. Оказалось, что есть два основных пути, благодаря которым можно увидеть нейтронные звезды, и так они действительно были открыты. Что у нас есть в нашем распоряжении, чтобы сделать нейтронную звезду видимой? Во-первых, у нас есть — и в 34-м году еще люди этого еще не знали, хотя Гинзбург был первым, кто это серьезно заподозрил и написал первую статью о том, что нейтронные звезды могут иметь очень сильные магнитные поля. Плюс они могут иметь достаточно быстрое вращение.

Почему сильные поля и быстрое вращение? На пальцах это очень понятно, даже странно, что как-то люди не додумались, до 64-го года примерно. Вы берете ядро звезды — это объект с радиусом несколько тысяч километров как минимум — и его сжимаете. Даже если он чуть-чуть вращался, и у него были какие-то магнитные поля внутри, то сжимая... то, что ускоряется вращение — это всем понятно, да, недавно чемпионат Европы по фигурному катанию был. То, что увеличиваются магнитные поля, — тоже понятно: сжимаясь, звезда... магнитный поток захвачен, у вас силовые линии никуда не деваются, если вы возьмете голову, усушите ее в 100 раз, то плотность волос на этой усушенной голове возрастет, правильно, согласны? Так вот, значит, то же самое произойдет с магнитными силовыми линиями, которые так же «вморожены» в ядро — вещество проводящее, и поэтому при сжатии плотность магнитных силовых линий увеличится, увеличится магнитное поле. При этом удивительно, если мы вот здесь стоим, и вот там сжимается ядро звезды в нейтронную, то, вообще говоря, в нашей точке влияние магнитного поля будет ослабевать. Но на поверхности нейтронной звезды поле будет расти, потому что есть разные величины: есть магнитное поле на поверхности, есть магнитный момент.

Так вот, это первый способ увидеть нейтронные звезды, и мы поговорим, как их увидели благодаря этому. Второй — более простой, наверное, способ. Нейтронные звезды — это очень компактные объекты. Вы взяли Солнечную массу и сжали до 10 км. Это означает, что у вас на поверхности сильное гравитационное поле просто, у вас там g большое, которое здесь 10м/с², а там это гораздо больше. Если вы кидаете любой предмет на нейтронную звезду, то в момент, когда он стукнется, скорость у него будет больше, чем 0,1 скорости света. Это очень много, и поэтому нейтронные звезды могут быть источниками излучения, если на них что-то бросать. Ну, вот важно было догадаться, что на них может падать, и вот это — два основных пути видеть нейтронные звезды.

Ну, вот про магнитные поля — идея на пальцах достаточно простая, а не на пальцах она оказалась настолько сложной, что до сих пор мы не знаем в деталях, как излучают нейтронные звезды. В России как раз самые сильные группы, этим занимающиеся, находятся в стенах этого института. Дело в том, что если вы возьмете Ландау и Лившица и будете его вращать... если вы возьмете Ландау и Лившица, то там написано, что если вы будете вращать магнит, то он будет излучать, будет магнитно-дипольное излучение. Соответственно, нейтронная звезда сильно замагничена, она быстро вращается, должно быть излучение. Понятно, например, что можно по-другому, можно представлять себе какой-то образ. Если вот частица, как бусинка, находится на магнитно-силовой линии, вы раскручиваете нейтронную звезду, частица начинает, как бусинка по проволочке, двигаться, ну а поскольку двигается она по изогнутой проволочке, двигается она ускоренно, заряженная частица двигается ускоренно, частица должна излучать, будет излучение. На самом деле, когда вы пытаетесь строить реальную теорию, всё оказывается очень сложно, и теория, повторяю, до сих пор не построена, и единственная существующая сейчас надежда сильно продвинуться — это строить полные трехмерные компьютерные модели. В аналитике люди бились, в общем-то, 30 лет, и пока ничего не добились.

Вот благодаря этим двум подходам — искать нейтронные звезды как вращающиеся магниты и искать нейтронные звезды, которые светятся из-за того, что вы на них что-то бросаете, — был открыт, скажем так, старый зоопарк нейтронных звезд. Зоопарк нейтронных звезд — он как Московский зоопарк, из двух частей состоит: из старой и из новой. Старый зоопарк — если вы берете, вот даже до сих пор еще берете многие научно-популярные книжки, там описан только старый зоопарк. Что у нас есть в старом зоопарке? Оказывается, самые первые нейтронные звезды были открыты в 60-е годы как рентгеновские источники. В 60-е годы люди начали запускать первые детекторы рентгеновского излучения за пределы атмосферы, атмосфера непрозрачна для рентгеновских лучей, что хорошо для нас в целом и плохо для людей, занимающихся рентгеновской астрономией: им приходится всю аппаратуру запускать в космос. А это, как вы знаете, просто дорого. Если вы вот на орбитальной станции открываете киоск, продаете там кока-колу, к примеру, то двухлитровая бутылка кока-колы там будет стоить, ну, тысяч 10 долларов, просто по себестоимости — ее везти туда дорого. Соответственно, аппаратуру туда везти тоже дорого, плюс аппаратура вам нужна немножко другая, потому что вот, я думаю, если вы возьмете этот ноутбук и запустите в космос, то, скорее всего, на орбите он не заведется, потому что перегрузки большие, и аппаратура, которая запускается в космос, — она немножко более надежна.

Ну так вот. Люди начали запускать детекторы в космос — первые детекторы запускались, по-моему, еще на трофейных ФАУ, которые американцы вывезли, — и в 60-е годы увидели рентгеновский источник. Самый яркий рентгеновский источник — это наше Солнце, это не так интересно; они увидели еще что-то, но было трудно еще понять, что.

Вот в 62-м году состоялся исторический запуск прибора на ракете, был открыт источник Скорпион X-1 (Scorpius X-1). В рентгеновской астрономии есть традиция как-то называть источники (так было в начале; сейчас источников много, не хватает уже цифр и букв): в начале идет традиционное сокращение названия созвездия — в данном случае это Скорпион; «X», как вы знаете, означает «рентгеновские лучи», сам Рентген их называл «X-лучи»; «1» означает, что это первый рентгеновский источник, открытый в созвездии Скорпион. Такая вот простая аббревиатура. Есть замечательная история про то, как в 70-е, по-моему, годы (я могу ее немножко перевирать, поскольку, конечно, не очевидец); в 70-е годы человек был на конференции где-то в Штатах, в Европе — не важно, — вспыхнул источник Лебедь X-1 или Лебедь X-3 («Лебедь» — Cygnus по-латыни). И он быстро послал телеграмму в родную обсерваторию: «Следите за Cygnus X-3». Разведчики долго выясняли, что же это за Cygnus X-3, за которым нужно следить, и телеграмма была доставлена в обсерваторию с большой задержкой, конечно смотреть было поздно.

Так вот, первый источник — это Скорпион X-1, был открыт в 62-м году Джаккони. Джаккони потом много занимался рентгеновскими исследованиями, и в 2002 году получил соответствующую Нобелевскую премию. В принципе, можно считать, что Скорпион X-1 был первой открытой нейтронной звездой. Но доказать, что это нейтронная звезда, было очень трудно. Более того — собственно, до сих пор нет прямых, каких-то очень надежных данных, что в Скорпионе X-1 находится нейтронная звезда, а не черная дыра, потому что мы не видим быстрого вращения, мы не видим явных эффектов существования поверхности. Поэтому история узнавания нейтронных звезд была немножко другой.

Тем не менее рентгеновская астрономия развивалась, и большой прорыв произошел с запуском спутника UHURU. Это был замечательный пример того, как в новой области вы можете сделать очень недорогой прибор, который даст колоссальное количество открытий, ну и принесет руководителю этого проекта Нобелевскую премию, как произошло с Джаккони. Очень простые рентгеновские детекторы были запущены на маленьком спутнике, и каталог этого спутника в итоге, после нескольких лет работы и обработки данных, включал в себя более 300 источников. И это открыло просто астрономам новый мир; люди увидели объекты, многие из которых вообще не видны в оптическом диапазоне, — а до этого в астрономии было в основном оптическое, немножко радио — плюс, опять же, это другой ракурс. Вы видите другие процессы. Поскольку очень часто один и тот же объект в одних процессах излучает в оптике, в других излучает в радио, в третьих излучает в рентгене. Когда вы смотрите в рентгене, вы видите вроде бы тот же объект, но совершенно с другой стороны. Почему нейтронные звезды излучают, мы уже качественно сказали: вам нужно что-то бросать на них, и тогда просто при ударе у вас, условно говоря, (mv²)/2 — кинетическая энергия выделится.

Если вы посмотрите скорости, то вы получите, что при ударе чего-либо о поверхность нейтронной звезды выделяется до 10% от mc². Это очень много. Если вы возьмете самый эффективный термоядерный заряд, то у него эффективность — доля процента от mc². А если вы возьмете просто булыжник такой же массы и бросите на нейтронную звезду, выделится гораздо больше энергии. Это очень забавно, что самый примитивный процесс выделения энергии — уронить — оказывается самым эффективным во Вселенной (ну, аннигиляцией мы пренебрегаем: аннигиляция не может вам давать очень много энергии — у нас нет много антивещества вокруг). А вот без антивещества, и самый простой способ: бросаете что-нибудь на нейтронные звезды, например. Что бросать? В принципе, если у вас просто нейтронная звезда летит в космосе, вещества вокруг мало, и бросать на нее что-то достаточно тяжело. Другое дело, если рядом есть вторая звезда, если у нас нейтронная звезда входит в тесную двойную систему. Двойных звезд много, примерно половина. Соответственно, достаточно часто возникает ситуация, когда огромный поток вещества — скажем, одна звезда — может целиком перетечь на вторую за 10 миллионов лет. Это очень много; если вы в граммах в секунду меряете, 10¹⁷ г/с — это такой вполне приемлемый, нормальный, не очень большой поток вещества. Это означает, что в секунду будет излучать 10³⁷ эрг — это очень много: Солнце излучает в 10 000 раз меньше, а, в общем, является не самой слабой звездой.

Еще выше эффективность аккреции будет, если вещество закрутится в диск. В диске вокруг черной дыры вы можете выделять до 42% от mc², то есть аннигиляция вам, ну, уже удвоит результат. И аккреционные диски очень легко образуются, потому что в двойной системе звезды, конечно же, крутятся вокруг центра масс. Конечно же, если вы с одной звезды стреляете из рогатки, то камень не может прямо попасть в другую звезду. Он будет двигаться по достаточно хитрой траектории, и если вы постоянно стреляете из рогатки, то эти камушки, взаимодействуя друг с другом, образуют диск, и вот такой диск оказывается чрезвычайно эффективным способом получать энергию из банального бросания тяжелых предметов на еще более тяжелый предмет. Поэтому мы видим нейтронные звезды в рентгеновском диапазоне.

Почему в рентгеновском — тоже легко понять: у нас есть глубокая потенциальная яма, куда мы кидаем вещество, они разгоняются до высокой скорости, значит, мы получаем высокую температуру.