Мистерии звездных останков

История проблемы

Первый пульсар открыла в середине 1967 г. Джослин Белл (Jocelyn Bell Burnell) — студентка кембриджского Колледжа Мюррея Эдвардса. Радиоимпульсы, приходящие из одной и той же точки небесной сферы с почти идеальной периодичностью, поначалу посчитали сигналами от внеземной цивилизации. Когда таких «звездных маяков» открыли достаточно много, астрономы поняли, что имеют дело с неизвестным физическим феноменом, не имеющим отношения к «братьям по разуму».

В том же 1967 г. итальянский астроном Франко Пачини (Franco Pacini) предложил интересную интерпретацию теоретической модели так называемой нейтронной звезды – объекта, сжатого своей гравитацией до такой степени, что практически все электроны в слагающих его атомах «упали» на протоны с образованием нейтронов. Такой сценарий описали еще в 30-е годы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки (Walter Baade, Fritz Zwicky). По закону сохранения момента импульса при сжатии от размеров, во много раз превышающих диаметр Солнца, до сферы радиусом 10-15 км скорость вращения образовавшегося тела должна получиться просто гигантской – до нескольких сотен оборотов в секунду. Как показал Франко Пачини. если исходным телом, подвергшемся сжатию, была звезда — значит, она обладала магнитным полем, которое также должно сохраниться и вдобавок стать в миллионы раз мощнее. У полюсов такого «сверхплотного магнита» будут расположены своеобразные «горячие пятна», излучающие в широком спектральном диапазоне. Когда в результате вращения одно из таких пятен окажется повернутым в сторону наземных наблюдателей, они увидят вспышку или зарегистрируют радиоимпульс. Свойства объекта, открытого Джослин Белл, полностью подходили под такое описание. Позже он и его аналоги получили название пульсаров.

К настоящему времени число открытых пульсаров превысило 1800, причем два из них удалось обнаружить в других галактиках (Большом Магеллановом Облаке и Туманности Андромеды). Выяснилось, что они отличаются большим разнообразием: их периоды лежат в диапазоне от 1,4 миллисекунд до 8,5 секунд, у некоторых объектов они меняются, а часть из них иногда на время перестает пульсировать. Всем этим феноменам ученые пытаются найти объяснения. Осенью 1991 г. у пульсара PSR В1257+12 по изменению частоты его импульсов были выявлены планетоподобные спутники, ставшие первыми подтвержденными планетами за пределами Солнечной системы.

В поисках сверхплотного вещества

Пульсары представляют огромный интерес для ученых, поскольку материя в них находится в таких условиях и форме, которые не могут быть получены в земных лабораториях (во всяком случае, современные технологии нам точно этого не позволяют). Их изучение может предоставить нам много интересной информации о свойствах элементарных частиц, а также о возникновении и эволюции Вселенной. К сожалению, все методы их исследований пока сводятся к астрономическим наблюдениям в различных спектральных диапазонах. Ближайший пульсар, имеющий обозначение J0437-4715, находится от нас на расстоянии 512 световых лет. И именно с его помощью астрономы надеются решить одну из самых сложных проблем астрофизики.

Как уже упоминалось, пульсары испускают вспышки излучения в широком диапазоне спектра, в том числе в его высокоэнергетической части — рентгеновских и гамма-лучах Их может зарегистрировать специальный рентгеновский телескоп NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR), установленный на внешней поверхности Международной космической станции. Он получает данные об энергии каждого фотона и о точном времени его «прибытия». После предварительной обработки этих наблюдений, которая, как ожидается, завершится летом текущего года, ученые смогут с хорошей точностью оценить диаметр пульсара. А это, как объяснила в своем выступлении на собрании Американского физического общества сотрудница Университета Альберты Шэрон Морсинк (Sharon Morsink, University of Alberta, Canada), даст нам возможность лучше понять, как ведет себя материя в экстремальных условиях нейтронной звезды.

«Существует множество различных методологий, придуманных для того, чтобы выяснить, как вела бы себя сверхплотная материя, но все они плохо согласуются между собой, — объяснила ученая, входящая в состав рабочей группы NASA по определению диаметров пульсаров. – И результаты этого несогласования могут быть проверены, потому что каждая методика предсказывает, насколько велика должна быть нейтронная звезда». В принципе, очевидно, что решение загадки сверхплотного вещества заключено внутри наиболее плотных объектов Вселенной. И раскрыть эту тайну мы не можем, пока не узнаем их точные размеры (а следовательно — и плотность).

Физика частиц в глубоком космосе

По словам одного из разработчиков телескопа NICER Завена Арзуманяна, нейтронные звезды – самые возмутительные объекты, о которых большинство людей никогда не слышали. Фактически они представляют собой остатки ядер массивных звезд взорвавшихся как сверхновые после завершения в них реакций термоядерного синтеза и последующего гравитационного коллапса. Пока мы не видели вблизи ни одного подобного объекта и можем судить о них только по теоретическим расчетам, предсказывающим для них диаметр порядка 20 км. Когда астрономы получат возможность сравнить эти предсказания с результатами измерений реальных значений (для чего и создавался NICER), они смогут существенно сузить выбор теоретических моделей и получить представление о том, что происходит внутри пульсаров. Все, что нам известно на данный момент — это то, что материя ведет себя там очень странно.

Если размеры нейтронных звезд нам пока неизвестны, то массу некоторых из них удалось измерить с неплохой точностью. Например, масса J0437-4715 в 1,44 раза больше солнечной – это значит, что плотность пульсара заметно выше плотности атомного ядра, то есть он является самым плотным из всех известных материальных объектов.

При таких экстремальных плотностях материя ведет себя совершенно не так, как мы привыкли. Значительную роль в ее поведении играют уже не протоны и нейтроны, а кварки — крошечные частицы, из которых состоят и нейтроны, и протоны, и электроны. Кварки не могут существовать свободно, сами по себе: они всегда объединены в какую-то из элементарных частиц (состоящих из трех различных кварков каждая). Однако, когда вещество достигает экстремальных плотностей, они могут образовывать более крупные и сложные частицы или, возможно, переходить в совсем уже загадочную форму – «кварковый суп». Все эти варианты, так или иначе, будут отражаться на плотности пульсаров, а значит – и на их размерах. Вот почему их желательно измерить с как можно лучшей точностью. Исследования нейтронных звезд имеют и вполне земное применение: в частности, их результаты помогут выяснить, как отдельные нейтроны располагаются в ядрах атомов элементов конца периодической таблицы, что важно для ядерной физики и энергетики.

Что измеряет NICER

Большинство нейтронных звезд по словам Шэрон Морсинк. имеет диаметр от 20 до 28 км, хотя, по всей видимости, существуют и «мелкие» экземпляры – размером до 16 км. Это очень узкий диапазон с точки зрения астрономии… но, тем не менее, он недостаточно узок, чтобы получить ответы на вопросы, которые интересуют астрофизиков. Для более детальной информации они изучают рентгеновские лучи, исходящие от быстро вращающихся «горячих точек» на поверхностях пульсаров. Хотя последние и являются невероятно компактными и, по-видимому, почти однородными сферами, их магнитные поля вызывают вытеснение энергии из недр к верхним слоям. С помощью телескопа NICER группа Морсинк собирается изучить две вещи. Во-первых, точно измерив период пульсаций, а также форму импульсов, ученые хотят определить скорость вращения их источников. Не исключено, что им удастся даже зарегистрировать доплеровский сдвиг линий излучения, вызванный приближением и удалением яркого пятна. Во-вторых, грандиозные массы нейтронных звезд обязаны вызывать релятивистские эффекты в их окрестностях — в частности, наблюдатели надеются обнаружить высокоэнергетические фотоны, излученные в то время, когда «горячая точка» повернута в сторону, противоположную направлению на Землю, путь которых оказался изогнут мощной гравитацией сверхплотного объекта. Количество таких фотонов также поможет уточнить радиус пульсара.

Исследования с помощью телескопа NICER ведутся уже почти год (он был установлен на МКС в июне 2017 г.), и рабочая группа прибора близка к публикации своих результатов. По крайней мере, такое обещание озвучила Шэрон Морсинк членам Американского физического общества, объяснив, что для лучшей достоверности необходимо набрать статистику по как можно большему числу фотонов. Сейчас команда специалистов приступает к изучению следующего по удаленности пульсара, находящегося от Солнечной системы почти вдвое дальше, чем J0437-4715. Предварительные данные об этом объекте уже имеются, и, возможно, уже к концу лета мы будем знать точные радиусы двух ближайших нейтронных звезд.