Loading Posts...

Великое объединение нейтронных звезд

Наблюдения последних лет показывают, что молодые нейтронные звезды могут проявлять себя как источники с очень разными свойствами. Объяснить это многообразие довольно трудно. Рабочая программа по построению единой модели их образования и эволюции получила название «Великое объединение нейтронных звезд».

Современная астрономия — это в основном астрофизика, то есть часть физики. Но далеко не все небесные объекты с точки зрения физиков оказываются одинаково интересными. Ученым хотелось бы, чтобы в объектах происходило нечто, проливающее свет на важные нерешенные проблемы, а еще лучше — что-то такое, чего они не могут воспроизвести в лабораториях на Земле. Нейтронные звезды в этом плане, пожалуй, оказываются вне конкуренции.

Чем экстремальнее состояние материи, чем сильнее оно отличается от того, с чем мы имеем дело в обычной «земной» жизни — тем более интересными физическими законами оно описывается. Мы можем взять какой-то кусок или объем вещества (например, газа). Начать его сжимать. Чем больше будет его давление и температура — тем интереснее физика, которая описывает образующийся сгусток. При достижении определенных плотностей для описания его гравитации уже приходится использовать Общую теорию относительности. Становятся важными квантовые явления. Если мы сожмем этот кусок слишком сильно — образуется черная дыра. Основная часть свойств будет утеряна, ведь, как говорят, «черные дыры не имеют волос». А вместе с ними будет утеряна и часть интересной физики: реальная черная дыра описывается всего двумя параметрами — массой и вращением. Никаких данных о параметрах вещества «под горизонтом» у нас нет. А у нейтронных звезд — все видно.

Многообразие нейтронных звезд

Нейтронные звезды — самые компактные из всех известных материальных объектов (исключая черные дыры, к материальным объектам, строго говоря, не относящиеся). Они одновременно описываются Общей теорией относительности, квантовой электродинамикой и квантовой хромодинамикой. В этих макроскопических объектах вещество сжато сильнее всех мыслимых пределов: его плотность в их центральных областях примерно на порядок превосходит плотность атомного ядра. Мы не можем получить такие условия в земных лабораториях, и, видимо, еще очень долго не научимся это делать. Поэтому, если мы хотим изучать физику экстремального состояния вещества, нам нужно обратиться к «естественным лабораториям» — таким, как нейтронные звезды.

Когда астрономы накопили достаточное количество данных об этих объектах, выяснилась одна очень интересная особенность: несмотря на то, что все нейтронные звезды по массе и радиусу очень похожи друг на друга, для наблюдателей они могут выглядеть как источники совершенно разной природы.

Нейтронные звезды — это остатки массивных звезд, которые исчерпали свое термоядерное горючее, в результате взрыва сверхновой сбросили оболочку, а то, что осталось, превратилось в сверхплотное ядро. В зависимости от того, какими мы их видим, мы называем их радиопульсарами, магнитарами, быстрыми вращающимися транзиентами, рентгеновскими пульсарами в двойных системах и т.д.

Представьте себе: где-то в космосе крутится 10-километровый шарик, и вдруг на доли секунды он становится ярче, чем целая галактика. Так выглядит гипервспышка магнитара — молодой нейтронной звезды. Другие нейтронные звезды — такие же на первый взгляд десятикилометровые шарики, разве что горячие (с температурой под миллион градусов) — никакой взрывной активностью не выделяются, но обладают довольно сильным рентгеновским излучением. Еще одна категория нейтронных звезд, по-видимому, уже остыла, но мы наблюдаем их благодаря радиоимпульсам, связанным с их мощным магнитным полем и быстрым вращением.

Почему же все эти объекты выглядят такими разными? Пока ученые не знают ответа на этот вопрос. Они пытаются описать различные типы нейтронных звезд в рамках единой модели — построить теорию Великого объединения нейтронных звезд. В частности, этим занят и автор данной статьи…

В физике «Великим объединением» называют пока не созданную теорию, которая объединила бы электромагнитное, слабое и сильное ядерное взаимодействия. Дальше останется только «Теория всего», включающая также гравитацию. В 2010 г. Виктория Каспи из монреальского университета МакГилла (Victoria Kaspi, McGill University, Montreal, Canada) ввела в обиход термин «Великое объединение нейтронных звезд». Что он означает?

Примерно 15-20 лет назад астрономы начали с удивлением обнаруживать, что молодые нейтронные звезды могут наблюдаться как источники сильно различающихся типов. Некоторые из них представляют собой обычные радиопульсары. Некоторые производят мощные гамма-вспышки. Часть характеризуется мощным рентгеновским излучением, но не испускает радиоимпульсов. Отдельная категория «сидит» в самых центрах остатков вспышек сверхновых и светит благодаря высокой температуре. Целый зоопарк! Казалось, что по какой-то причине исходные свойства всех этих объектов очень разнятся, что с самого «рождения» каждую конкретную нейтронную звезду ждет заранее определенная судьба.

Читать:  Сверхплановое звездообразование

Однако совсем недавно в этом нагромождении наблюдательных фактов начали прослеживаться признаки системы. Например, была выявлена «родственная связь» между нейтронными звездами, производящими гамма-вспышки (их называют «источниками мягких повторяющихся гамма-всплесков») и объектами с аномальными свойствами рентгеновского излучения (аномальными рентгеновскими пульсарами). У последних начали регистрировать вспышки, а у первых заметили свечение в рентгеновском диапазоне в промежутках между всплесками. Теперь и те, и другие относят к классу магнитаров — нейтронных звезд, чья активность связана с выделением энергии магнитного поля (или, другими словами, энергии мощных электрических токов внутри звезды, которые это поле и создают).

Дальше — больше. Не успели некоторые ученые поверить, что магнитары не проявляют себя как радиопульсары (для объяснения этого даже придумали несколько теорий), как неожиданно было открыто пульсирующее излучение и от аномальных рентгеновских пульсаров, и от источников повторяющихся гамма-всплесков. И это еще не все. Один из радиопульсаров неожиданно в несколько раз увеличил свою яркость в рентгеновском диапазоне, и от него пошли вспышки. Жил-был пульсар — стал магнитар!

Теперь известны и другие примеры «кентавров» — источников, проявляющих свойства объектов различных классов. И все они нуждаются в каком-то объяснении. Требуется некая объединяющая модель, которая смогла бы в рамках единой картины описать разные типы источников, объяснить превращения и сочетания их свойств. Это и есть «Великое объединение нейтронных звезд».

Автор статьи с коллегами занимается решением этой задачи, основываясь на методе популяционного синтеза. Его основная идея довольно проста. Нейтронные звезды рождаются в разных местах Галактики. При своем появлении они имеют некие начальные параметры, «задаваемые», скорее всего, свойствами взорвавшейся звезды (их определение — отдельная интересная задача, которой тоже посвящается много времени). Затем создается компьютерная модель, отслеживающая эволюцию нейтронных звезд: как они движутся по Галактике, попадая при этом в области с различной плотностью межзвездной среды, как меняется их период и магнитное поле и т.д.

На каждом шаге вычисляется, как будет проявляться себя источник с известными параметрами, окруженный межзвездной средой с известными свойствами — проще говоря, в виде чего такой объект можно будет наблюдать. Вся эта статистика собирается в одну большую «Галактику нейтронных звезд в компьютере». Остается сравнить данные расчетов с наблюдениями.

Магнитное поле – главный параметр

У нейтронных звезд не так уж много ключевых астрофизических параметров. И один из самых главных — магнитное поле. Он должен играть важную роль в Великом объединении. Поле может ослабевать (с выделением энергии), усиливаться или оставаться неизменным. Причем на разных стадиях жизни нейтронной звезды его поведение может быть различным. Одна из проблем связана с тем, что магнитное поле трудно измерить. Другая — с тем, что оно, кроме дипольного, часто имеет множество разных компонент.

Обычно магнитные поля удаленных объектов не измеряют напрямую. Если у нас есть одиночная вращающаяся нейтронная звезда, вокруг которой мало вещества, то, во-первых, она будет периодическим (пульсирующим) источником излучения, во-вторых, вращение должно замедляться (период пульсаций растет). По тому, насколько быстро оно замедляется, как раз и можно оценить магнитное поле.

Именно так определяют напряженность полей радиопульсаров. Она лежит в диапазоне от 1 до 10 трлн гаусс — в тысячи миллиардов раз больше, чем на поверхности Земли или Солнца (вне пятен). Оцененные таким же способом поля магнитаров оказались еще в сотни раз мощнее. Но эта оценка касается лишь одной (хотя и самой главной) компоненты поля — дипольной. Это самое привычное для нас поле. Оно похоже на поле обычного магнита, в наиболее простом варианте — стрелки компаса. Дипольная компонента слабее других спадает с расстоянием. Но вблизи поверхности объекта поле может выглядеть очень «кудряво». Например, на Земле имеются магнитные аномалии, на Солнце — пятна, связанные с мощными магнитными полями. Измерить эти компоненты гораздо труднее.

В астрономии существует единственный способ точно измерить магнитное поле (любую его компоненту) — по его влиянию на спектр объекта. Именно так, к примеру, определяют мощность поля «обычных» звезд. Здесь астрономы достигли высокой точности, хотя речь идет о полях напряженностью, скажем, в сотни гаусс. А вот сверхмощные поля нейтронных звезд удается измерить крайне редко. Это связано с особенностями их спектров. До недавнего времени более-менее надежные измерения касались только рентгеновских источников в тесных двойных системах. Но наши герои — совсем другие, это «герои-одиночки»…

Читать:  Нейтронные звезды

Чтобы построить точный рентгеновский спектр, т.е. спектр в том диапазоне, в котором излучают эти источники, нужно собрать много фотонов. Самый лучший инструмент для этого — европейский спутник XMM-Newton. Именно его использовала группа итальянских астрономов (их статья опубликована в журнале Nature) для исследования одного из самых загадочных магнитаров, которому присвоили обозначение SGR 0418+5729. Его тайна связана как раз с магнитным полем. По замедлению вращения этого объекта удалось оценить его дипольную компоненту. Она оказалась обычной — такой же, как у радиопульсаров. Что выглядело странным: все остальные магнитары имели гигантские дипольные поля. Ученые подозревали, что дело тут в других компонентах, «прижатых» к поверхности. Но вот только измерить их долгое время не удавалось.

Детальный спектр, полученный с помощью XMMNewton, однозначно говорит о том, что вблизи поверхности магнитара SGR 0418+5729 поле очень сильное.

Точность полученных данных превосходит достигнутую во всех предыдущих наблюдениях. Интересно, что самое точное измерение магнитного поля одиночной нейтронной звезды впервые выполнено для столь странного объекта. Результат, впрочем, никого не разочаровал: магнитар оказался магнитаром. Напряженность поля у его поверхности в сотни, а может, и тысячи раз выше, чем у обычных радиопульсаров.

Чем же важно это открытие? Оно вносит некоторую ясность в картину Великого объединения. Во-первых, подтверждено, что активность магнитаров связана с сильными полями в их коре. Это хорошая новость (или плохая — для тех, кто в этом сомневался). Во-вторых, выяснилось, что активность всех типов нейтронных звезд может быть связана с недипольными компонентами магнитных полей, и, более того, что эти компоненты могут в сотни раз превосходить по величине дипольную составляющую!

Новости и перспективы единого сценария

В настоящее время основные аспекты единого сценария эволюции нейтронных звезд уже не выглядят слишком умозрительными. Объекты исследования находятся очень далеко, поэтому изучать их непросто. Еще труднее строить теоретические модели, базируясь на ограниченной выборке данных. Тут легко навоображать себе какие-нибудь несуществующие свойства и стать жертвой собственных фантазий. К счастью, наблюдатели рано или поздно вносят ясность. Сейчас уже можно сказать, что мы находимся на шаг ближе к Великому объединению нейтронных звезд.

Что же получается в моделях? Исследования начались с моделирования пока не наблюдающегося типа объектов — старых нейтронных звезд, настолько замедливших свое вращение, что магнитное поле перестало препятствовать попаданию на их поверхность вещества межзвездной среды. Падение каждого грамма вещества на такой сверхплотный объект приводит к выделению примерно 10% от энергии покоя. Это очень много, учитывая, что в секунду из межзвездной среды может выпадать масса порядка нескольких тысяч тонн. Было бы очень интересно увидеть такие источники. Это позволило бы сразу понять, как эволюционируют нейтронные звезды на масштабе времени порядка миллиардов лет. Чтобы правильно построить программу наблюдений и поисков, необходимо провести предварительные исследования — рассчитать число наблюдаемых источников и примерно оценить их свойства. Обычно это как раз и делается методом популяционного синтеза. К сожалению, оказалось, что старые нейтронные звезды, аккрецирующие вещество межзвездной среды, должны быть не только очень слабыми источниками, но и довольно редко встречающимися. Это позволило впервые рационально объяснить, почему такие объекты не открыл немецкий спутник ROSAT, работавший в 1990-1999 гг.

Сейчас ученые возлагают большие надежды на российский космический аппарат «Спектр-РГ», который должен быть запущен в 2016 г. Кроме старых аккрецирующих нейтронных звезд, он должен также существенно увеличить известную популяцию других интересных объектов, имеющих самое непосредственное отношение к Великому объединению.

Во второй половине 90-х годов прошлого века астрономы начали открывать близкие нейтронные звезды, которые мы видим благодаря тепловому излучению их поверхности. Сейчас известно семь таких источников — мы придумали для них общее название «Великолепная семерка». Название прижилось. Но появилась загадка: по всем признакам получалось, что этих объектов в наших ближайших окрестностях слишком много. Высказывались различные гипотезы. Наконец, происхождение этой популяции удалось объяснить, связав ее с так называемым Поясом Гулда — локальной структурой из ассоциаций и скоплений молодых звезд в форме тора радиусом примерно тысячу световых лет.

Читать:  Красивая гибель звезд

Эти семь нейтронных звезд видны потому, что они еще не остыли. Темп остывания зависит от свойств недр объектов. Совместно с физиками-теоретиками, которые занимаются ядерными процессами, связанными с остыванием нейтронных звезд, были рассмотрены различные модели, после чего их сравнили с результатами наблюдений. Это помогло забраковать некоторые теоретические подходы, поскольку в них получалось или слишком много, или слишком мало объектов типа «семерки». Это было важным результатом, однако хотелось двигаться дальше и связать ее с другими популяциями.

Дело в том, что первое время разные типы нейтронных звезд рассматривались отдельно. Считалось, что пульсары изначально рождаются пульсарами, магнитары — магнитарами и т.д. Но уже тогда начинали активно развиваться теоретические подходы, способные связать воедино хотя бы некоторые типы объектов.

Эти подходы основаны на исследовании затухания магнитного поля. Токи, текущие в недрах нейтронных звезд и создающие магнитные поля, со временем должны уменьшаться. Подобные процессы не только позволяют магнитару со временем превратиться в объект с напряженностью поля, характерной для обычного пульсара, но и объяснить относительно высокую температуру поверхности некоторых сверхплотных объектов. Выделение энергии токов должно приводить к нагреву коры нейтронной звезды. Совместно с испанскими коллегами, занимавшимися расчетами эволюции магнитных полей и радиопульсаров, была предпринята попытка построения модели, в которой разом описывалось бы несколько типов компактных объектов.

В «искусственной галактике» присутствовало три типа звездных остатков: радиопульсары, объекты типа «Великолепной семерки» и магнитары. Но важно, что они рождались не по отдельности. В модели создавались просто нейтронные звезды, причем их исходные параметры брались из единого гладкого распределения. А создатели модели, как хорошие родители, не пытались предопределить судьбу детей.

Звезды эволюционировали, и… О чудо! Оказалось, что в модели с затуханием магнитного поля естественным образом можно получить именно столько радиопульсаров, магнитаров и остывающих нейтронных звезд, сколько нужно для удовлетворительного соответствия с реальностью. Таким образом, впервые в рамках одной эволюционной модели удалось объединить три разных типа компактных объектов. Кстати, это произошло непосредственно перед появлением статьи Вики Каспи, где был введен термин «Великое объединение нейтронных звезд».

Что же дальше? Следующий важный шаг — включить в единую картину компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых. Это нейтронные звезды с магнитными полями, на два порядка более слабыми, чем у обычных пульсаров. Никакой активности эти объекты не проявляют, а светят лишь за счет постепенного остывания. Поначалу казалось, что это все-таки некий отдельный тип. Но потом возникла интересная идея.

После взрыва сверхновой часть вещества может упасть обратно на компактный объект. Оказывается, одной десятитысячной массы Солнца будет достаточно, чтобы «завалить» даже исключительно сильное магнитное поле. Оно не исчезнет совсем и за несколько тысяч лет потихоньку «выберется» наружу. Но все это время нам будет казаться, что нейтронная звезда обладает очень слабым полем.

Это весьма перспективная идея, поскольку она позволяет включить в картину Великого объединения последний большой класс молодых нейтронных звезд. Популяционные модели с «всплывающим» магнитным полем пока не построены — для этого следует провести некоторую важную подготовительную работу. В частности, нужно на примере известных объектов надежнее связать такие «заваленные» нейтронные звезды с магнитарами, а также больше узнать об исходных параметрах нейтронных звезд. Этим ученые и заняты в настоящее время. И, конечно, астрономы с нетерпением ждут новых наблюдательных данных. Особенно много надежд возлагается на уже упомянутый спутник «Спектр-РГ», для которого проведены специальные популяционные расчеты, чтобы предсказать наблюдаемое им число объектов типа «Великолепной семерки» и магнитаров.

С момента открытия первых нейтронных звезд прошло уже почти полвека, но в последнее время их изучение ведется нарастающими темпами. Поэтому можно не сомневаться, что в ближайшее десятилетие астрофизики получат вполне работоспособную модель Великого объединения.

Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...