Нейтронные звезды считаются конечной стадией эволюции звезд. И пока одни называют их «мертвыми», другие говорят, что это самые таинственные и интересные обитатели космоса. Что общего у нейтронных звезд и GoogleMaps? Когда нейтронная звезда превращается в черную дыру, и какие загадки ставят перед космологами эти крохотные «тяжеловесы»? На эти вопросы отвечает заведующий сектором эволюции звезд Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, профессор СПбГУ Назар Ихсанов.
Нейтронная звезда в представлении художника
©NASA/ Dana Berry
— Какими бывают нейтронные звезды?
— Нейтронные звезды по массе и радиусу не так сильно отличаются друг от друга, как обычные звезды. Главное их отличие состоит в величине магнитного поля и скорости вращения. Так, в «нейтронном семействе» различают эжекторы – очень быстро вращающиеся радиопульсары, выбрасывающие потоки ускоренных частиц, аккреторы – вращающиеся гораздо медленнее и захватывающие окружающий газ, который как по рельсам несется в их магнитном поле и, в завершение своего пути, ударяется о поверхность звезды, и пропеллеры – промежуточное состояние, когда звезда, быстро вращаясь, перемешивает окружающий газ своим магнитным полем, не позволяя ему ни упасть на свою поверхность, ни улететь в космические просторы.
Не очень различаются нейтронные звезды и по своему составу. Хотя это, конечно, вопрос масштаба. Мои коллеги в физтехе, которые изучают каждый квант энергии в недрах этих звезд, скажут, конечно, что отличия между ними глобальные.
Самые изученные нейтронные звезды входят, как правило, в состав двойной системы. Причем, вторая звезда в этом случае может быть в принципе любой. Известно большое количество систем, в которых компаньоном нейтронной звезды является яркая массивная звезда или звезда умеренной массы – типа Солнца. Реже встречаются нейтронные звезды в паре с белым карликом или системы из двух нейтронных звезд. Часто такие системы имеют романтические названия, например, «Черная вдова». Нейтронные звезды в этих системах мощным ветром релятивистских частиц испаряют белые карлики, находящиеся с ними в паре. Существуют даже системы из двух радиопульсаров. Но это очень редкое явление. Сейчас известна только одна такая система.
Заведующий сектором эволюции звезд Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, профессор СПбГУ Назар Робертович Ихсанов
©Ольга Фадеева
— Как образуются такие двойные пульсары?
— Сначала существует большое протооблако, которое начинает сжиматься и раскручиваться, и получается так, что энергетически выгодно образовать две звезды рядом, чем одну, быстро вращающуюся. Кстати, большинство массивных звезд – двойные. После того, как в центре одной из звезд весь запас водорода перерабатывается в гелий, она, как известно, начинает расширяться, и теряет массу. Остающееся тяжелое ядро схлопывается, рождая нейтронную звезду. Это очень энергичное событие, сопровождаемое вспышкой сверхновой, поэтому уцелеть двойной системе в такой ситуации непросто. Но иногда удается. Правда, и у второй звезды тоже рано или поздно заканчивается «топливо», она тоже «пухнет» и, в конце концов, взрывается – опять сверхновая. И снова всей системе нужно как-то уцелеть. Такое везение – большая редкость, поэтому ученым известно лишь несколько систем с двумя нейтронными звездами.
А вообще, нейтронных звезд в нашей галактике очень много – миллиард. Эта цифра известна ученым по частоте вспышек сверхновых и химическому составу нашей Галактики. Но конкретно открыто всего больше двух тысяч. Дело в том, что нейтронные звезды, подобно летучим голландцам, странствуют по галактике. И их не видно. Лет 15-20 назад были запущены очень зоркие рентгеновские телескопы, с помощью которых планировалось обнаружить от 20 до 40 тыс. странствующих нейтронных звезд. Не нашли ни одной. Предполагалось, что когда такая нейтронная звезда летит сквозь межзвездную среду, то благодаря чрезвычайно сильному гравитационному полю ухитряется захватить много вещества даже из очень разряженной среды (в межзвездной среде такого вещества не больше одного атома в куб. см). При этом она должна будет ярко светиться в рентгене. Но звезды не светились. На мой взгляд, как раз благодаря тем же самым магнитным полям, которые настолько сильны, что не позволяют веществу упасть на поверхность звезды и накрывают ее как шапки-невидимки.
— Что общего у нейтронной звезды и черной дыры?
— При вспышке сверхновой у нейтронных звезд есть верхний предел массы – где-то в среднем от трех до пяти масс Солнца. Нейтронных звезд, с массой больше пяти масс Солнца, не бывает. Как только масса звезды превосходит этот предел, то звезда схлопывается в черную дыру. Но это может случиться уже и при трех массах Солнца. Там все определяется свойствами вещества нейтронной звезды. И если масса становится больше определенного предела, то она уходит под так называемый гравитационный радиус, улететь из которого нельзя даже двигаясь со скоростью света, и это уже черная дыра. Поэтому черная дыра – это нечто более массивное и загадочное.
— Какие загадки есть у нейтронных звезд?
— Загадок у нейтронных звезд очень много. В научных докладах их называют суперзвездами, поскольку они, хоть и очень маленькие – всего 10 км в радиусе – весят массу Солнца. Говорят – нейтронная звезда, и все думают, что состоит она из одних нейтронов. На самом деле это очень сложная структура. У нейтронной звезды есть кора – внешняя и внутренняя, и ядра – тоже внешнее и внутреннее. Все вокруг нас – и Земля, и Солнце, и люди – продукты вспышки сверхновой. Гемоглобин в нашей крови – это железо, которое в больших количествах вырабатывается только при вспышке сверхновой. Все элементы, которые тяжелее железа тоже, вероятно, созданы сверхновой.
Нейтронная звезда, найденная в Кассиопея A
©NASA
— Что нам дает знание о нейтронных звездах в плане практического применения?
— Практических применений тоже очень много. Первое — навигация. Каждый пульсар в своем роде уникален. Его ни с чем не спутаешь. Это очень удобные объекты для построения галактической сети координат.
Втрое применение — точные часы. Нейтронная звезда очень маленькая, но очень массивная, и вращается быстро и очень стабильно. Поэтому они могут являться идеальными часами — своеобразными маяками Вселенной. Пульсары, таким образом, — это одна из возможных координатно-временных систем. Возьмем, например, ракету, вылетевшую далеко в космос. Как ей определить свое местоположение? По обычным звездам — не всегда просто. Они похожи друг на друга и без точных приборов и требующих времени наблюдений их легко спутать. Кроме того, звезд невероятно много (в нашей галактике около 200 млрд). А пульсар – звезду, вращающуюся и потому пульсирующую с четким периодом, который не изменится за время запуска – не спутать ни с чем. Для быстрого определения системы координат можно использовать пульсары, для длительной – подходят квазары (квази-звездные объекты – ядра самых далеких и ярких галактик).
Третье применение – эффективные методы передачи информации. Ведь, что такое нейтронные звезды – это быстро вращающиеся объекты с сильным магнитным полем. За счет этого они излучают пучки света. Как именно эти пучки коллимируются, то есть становятся узконаправленными, мы до конца пока не знаем, хотя соображения, конечно, есть. Но что нам даст это знание? По сути это даст возможность передачи информации на огромные расстояния.
Есть и просто фантастические идеи применения. Дело в том, что нейтронные звезды имеют невероятно сильное магнитное поле. В физике существует несколько градаций силы поля. Поле до 2 млрд Гаусс считается не очень сильным, его влияние на атомы может быть заметным, но не критическим. С более сильными полями все сложнее. Они начинают как бы «плющить» атомы и молекулы, вытягивая их в цепочки. По этому поводу было много разных интересных теорий. Одна из них утверждала, что поверхность нейтронной звезды может быть покрыта молекулярными цепочками, которые стабилизирует ее магнитное поле. Нейтронные звезды в этом случае могут оказаться некими «солярисами», в которых присутствует некий разум…
— Могут ли нейтронные звезды представлять опасность для землян, например, из-за выбросов радиации?
— Это возможно, но маловероятно. Пока нейтронная звезда спокойна она не представляет для нас опасности. Но у некоторых звезд, конечно, случаются гамма-всплески. Была даже такая ситуация, когда в созвездии Орла, которое находится от нас в шести килопарсеках (расстояние, которое равно примерно половине до центра нашей галактики) вспыхнула вот такая нейтронная звезда. Так вот в этот момент вся ионосфера Земли пульсировала с периодом ее вращения – 5 секунд. Обнаружили это, в частности, военные, которые пользуются свойствами ионосферы для связи с подводными лодками. Днем, когда светит Солнце, ионосфера опускается примерно до 60 км. А ночью, когда этого излучения нет – ионосфера вновь поднимается. Морская гладь не прозрачна для длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. А вот сверхдлинные волны, отражаясь от ионосферы, без труда распространяются за горизонтом на тысячи километров и способны проникать в самые удаленные уголки океанов. Ночью 27 августа 1998 года военные попытались связаться с лодками, находящимися в дальнем плаванье, но связи не оказалось. Стали выяснять, и обнаружили, что ионосфера находится на дневном расстоянии. Потом выяснилось, что ионосфера еще и пульсирует. Причиной был гамма-всплеск, произошедший на расстоянии 20 тыс. световых лет от нас. До этого подобный всплеск наблюдали еще дальше – в соседней галактике – Большом Магеллановом облаке. Это известнейшее событие произошло 5 марта 1979 года. Впрочем, кроме неудобств, вызванных потерей связи с подводными лодками – никакого вреда такие явления нам пока не принесли. Но если гамма-всплеск случится где-то недалеко от Земли – жди беды. Однако перед этим все равно должна взорваться сверхновая, так что у нас есть шанс подготовиться. Да и явление это довольно редкое.
— Расскажите об исследованиях нейтронных звезд конкретно в вашей, Пулковской обсерватории.
— Мой сектор занимается рентгеновскими пульсарами. Но начну немного издалека. Нейтронные звезды стали особенно популярны среди астрофизиков после открытия радиопульсаров в 1967 году. Теория происхождения этого явления в те времена развивалась бурно. Особое внимание привлекала модель падения вещества на нейтронную звезду. Идей о том, как падает это вещество и как излучает, выдвигалось большое множество. Двигаясь от простого к сложному, задачу старались максимально упростить и, в первую очередь, временно исключили из рассмотрения магнитное поле. Самой привлекательной в этом смысле оказалась задача о падении вещества на черную дыру (у которой нет собственного магнитного поля). Но и тут возникли разногласия в том, надо ли учитывать магнитное поле самого газа, который падает на черную дыру, или же им тоже можно пренебречь. Большинство исследователей сочли, что магнитное поле падающего вещества можно не учитывать. С ними, однако, не согласился советский астрофизик Викторий Фавлович Шварцман. Его расчеты показывали, что магнитное поле в газе, свободно падающем на звезду, быстро нарастает и как бы «замораживает» поток, останавливая его падение. Двое его коллег, Геннадий Семенович Бисноватый-Коган и Александр Андреевич Рузмайкин, подтвердили выводы Шварцмана и обратили внимание на то, что поток, замороженный магнитным полем, быстро превращается в плотный медленно вращающийся диск. Проверить построенную ими модель в те времена оказалось чрезвычайно сложно, и почти на 40 лет этот вопрос оставался открытым.
Пару лет назад у меня появилась идея попробовать применить эту модель в ситуации, когда газ с магнитным полем падает на нейтронные звезды, которые в отличие от черной дыры имеют твердую поверхность и, главное, вращаются с известным хорошо наблюдаемым периодом. Когда вещество падает на такую звезду, то оно либо тормозит, либо ускоряет ее вращение. Этот дополнительный независимый фактор позволяет понять, как именно происходит процесс падения. С моими коллегами мы построили несложную модель и были очень удивлены, когда сорокалетняя проблема изменения периодов рентгеновских пульсаров вдруг решились сама собой. Это стало веским аргументом в пользу того, что Шварцман все-таки был прав – магнитное поле в падающем веществе есть и его необходимо учитывать. Мы назвали это явление магнитно-левитационной аккрецией. Левитация – это, конечно, образное понятие. Помните поезд на магнитной подушке, который все хотели создать в СССР и, в итоге построили в Китае? Так вот, оказывается, наша цивилизация уже давно открыла технологии, которые использует природа, создавая рентгеновские пульсары. Они так устроены, что падающее вещество сначала тормозится своим собственным магнитным полем, а потом потихонечку сползает на нейтронную звезду. Самое парадоксальное, что такая сложная структура оказывается удивительно устойчивой. Об этом нам говорят наблюдения. Как природе удается стабилизировать плазму с магнитным полем – нам еще предстоит узнать. Возможно, это поможет продвинуться в решении задачи управляемого термоядерного синтеза, к реализации которой человечество упорно стремится на протяжении последних 20 лет. Мы сделали пока первые шаги. Они показали перспективность выбранного нами направления исследований. Получение новых результатов – всего лишь вопрос времени. Хотя для более продуктивного изучения этих вопросов стоит подумать над изготовлением и запуском новых космических рентгеновских и гамма-телескопов. Исследовать рентгеновские пульсары с Земли, к сожалению, невозможно – мешает атмосфера.
Источник: О. Фадеева naked-science.ru
