Мощные джеты нейтронных звезд

Группа астрономов из Нидерландов с помощью массива радиотелескопов VLA (Very Large Array) им. Карла Янского недавно обнаружила, что некоторые нейтронные звезды, представляющие собой результат гравитационного коллапса массивных светил после «выгорания» в их недрах водорода и гелия, в своей способности ускорять мощные потоки вещества (джеты) до релятивистских скоростей могут конкурировать с черными дырами.

Джеты двойной системы PSR J1023+0038 в представлении художника. Система состоит из сверхплотной быстровращающейся нейтронной звезды размером 15-20 км, вокруг которой по орбите малого радиуса обращается «нормальная» звезда-спутник. Ее вещество постепенно «перетекает» на нейтронную звезду, формируя аккреционный диск и джеты. Температура вещества диска настолько велика, что он светится в рентгеновских лучах, в то время как джеты более заметны в радиодиапазоне.

По словам руководителя группы Адама Деллера из нидерландского Института радиоастрономии ASTRON (Adam Deller, Nederlands instituut voor radioastronomie), это открытие оказалось достаточно неожиданным, поскольку раньше ученые не подозревали, что подобное явление может возникать при некоторых условиях — в частности, в двойных системах, которые включают в себя нейтронную звезду и звезду-компаньона средней массы.

Черные дыры и нейтронные звезды занимают первые два места по плотности материи среди известных нам объектов Вселенной. В двойных системах, где они вращаются вокруг общего центра масс с «обычной» звездой, вещество последней может перетекать на сверхплотный компаньон, формируя аккреционный диск, нагретый до температур в миллионы градусов. Часть материала диска, как правило, выносится из системы в виде двух мощных струй, движущихся перпендикулярно плоскости орбиты компонентов со скоростью, близкой к скорости света.

Ранее черные дыры были несомненными рекордсменами в области формирования мощных джетов. Даже когда они поглощают материал в небольшом количестве, радиоизлучение, надежно свидетельствующее о наличии полярных выбросов, все равно оказывалось весьма интенсивным. Нейтронные же звезды, казалось, могли производить только относительно слабые потоки «ускользающего» из гравитационной ловушки вещества. Радиоизлучение этих струй только тогда получалось достаточно ярким, когда аккреция материала от их компаньона шла в очень высоком темпе. Такие объекты «перетягивают» на себя материал соседа сравнительно медленно, поэтому, в соответствии с прогнозами, интенсивности генерируемых ими джетов недостаточно для уверенных наблюдений.

Тем более интересной следует считать новость о том, что полученные недавно результаты наблюдений нейтронной звезды PSR J1023+0038 в рентгеновском и радиодиапазоне полностью противоречат приведенной картине. Пульсар этой бинарной системы находится на расстоянии около 4,5 тыс. световых лет. Он был обнаружен астрономом Энни Арчибальд (Anne Archibald) из института ASTRON в 2009 г. и является образцом «переходного» миллисекундного пульсара — нейтронной звезды, проводящей основное время (годы и десятилетия) в состоянии «выключено», не захватывая и не поглощая материал звезды-компаньона, и только иногда «переключающейся» в состояние активной аккреции. При наблюдениях в 2013 и 2014 гг. пульсар имел очень малую скорость захвата вещества звездоподобного спутника, поэтому здесь предполагалось формирование только небольшого слабого джета.

Но, вопреки ожиданиям, результаты спектрального анализа радионаблюдений VLA (13 сеансов), а также данных, полученных радиоинтерферометром длинных волн LOFAR (Low Frequency Array), европейской сетью радиотелескопов European VLBI Network и рентгеновской обсерваторией Swift, свидетельствовали о необычно высокой радиояркости PSR J1023+0038. Они указывали на наличие выбросов, которые по мощности не уступают наблюдаемым в двойных системах с черной дырой или у нейтронной звезды, но с высоким темпом аккреции.

Для объяснения этого феномена было выдвинуто предположение, что в определенные моменты система пребывает в достаточно специфичном режиме «пропеллера», когда магнитосфера пульсара не дает веществу падать на его поверхность, и оно под влиянием центробежных сил выбрасывается в окружающее пространство.

Результаты проведенной работы помогут лучше понять наблюдаемые свойства двух других известных подобных «переходных» систем, в которых также обнаружены необычно сильные полярные струи. Однако детали механизма, благодаря которым они возникают, пока не совсем понятны и нуждаются в дальнейших исследованиях.