Физика почти невозможного: о чем расскажет самый яркий пульсар

Недавно астрономы обнаружили самый яркий пульсар из всех, расположенных вне нашей галактики, и вообще один из самых ярких пульсаров. Удивительно, но этот объект много лет был у астрономов перед глазами, однако никто не догадывался о его природе. Установить истину помог необычный метод поиска пульсаров.

Ниже мы подробно расскажем, что такое пульсары и с чем их едят. Это одни из самых экзотических объектов во Вселенной, и о них определенно стоит поговорить! Пока же кратко напомним, что пульсар (точнее, радиопульсар) — это нейтронная звезда, обладающая мощным магнитным полем. Причины, которые еще обсудим, превращают ее в космический радиомаяк, передающий строго периодический сигнал.

Нейтронные звезды — это незаменимые лаборатории, устроенные для физиков самой природой. Человечество не в силах воспроизвести ни плотность вещества в сотни миллионов тонн на кубический сантиметр, ни магнитные поля в миллиарды тесла. Так что астрономические наблюдения — единственный способ проверить, как ведет себя материя в таких условиях.

Но не тут-то было. Нейтронные звезды, за редкими исключениями, практически невидимы для обычных (оптических) телескопов. Дело в том, что это настоящие крошки: их диаметр измеряется считанными километрами. Для сравнения: диаметр Солнца — почти 1,4 миллиона километров! Так что наблюдение пульсаров — один из очень немногих способов изучать нейтронные звезды.

Пульсары можно использовать и «в народном хозяйстве», например для навигации и хранения времени.

По оценкам теоретиков, в нашей галактике должны быть десятки или даже сотни тысяч пульсаров. Наши радиотелескопы пока не столь хороши, чтобы обнаружить их все. Наблюдателям известно лишь несколько тысяч пульсаров. Еще труднее искать такие объекты в других галактиках, и пока их найдено очень немного.

Только что открытый пульсар PSR J0523-7125 расположен в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. По плотности потока (грубо говоря, яркости) он более чем вдвое обгоняет предыдущего «рекордсмена» из этой галактики.

Конечно, такой яркий объект был давно известен наблюдателям. Однако никто не подозревал, что это пульсар: его дружно принимали за далекую фоновую галактику. Пока астрономы, работающие с австралийским радиотелескопом ASKAP, не применили необычный метод поиска пульсаров.

Они не воспользовались самым очевидным свойством пульсаров — периодичностью их сигнала. Вместо этого ученые искали источники радиоволн с сильной круговой поляризацией. Это еще один признак пульсаров, который, правда, редко применяется для их поиска.

Обнаружив PSR J0523-7125, астрономы пронаблюдали его с помощью южноафриканского телескопа MeerKAT. Так они обнаружили вожделенные периодические импульсы. Те оказались необычно долгими. У абсолютного большинства пульсаров импульс длится лишь 1–5% от периода (промежутка между импульсами). А у PSR J0523-7125 эта доля составляет целых 35%. Образно говоря, это не «пик… пик… пик…», а «пи-и-и-и-и-и-ик… пи-и-и-и-и-и-ик… пи-и-и-и-и-и-ик…». Возможно, поэтому обычные методы и не опознавали этот объект как пульсар.

Авторы надеются, что их метод позволит найти еще множество необычных пульсаров, в том числе и в соседних галактиках.

А теперь расскажем об этих удивительных объектах подробнее.

Маленькие зеленые человечки

Очень любопытна сама история открытия пульсаров. Это был редчайший случай, когда ученые всерьез обеспокоились, не наткнулись ли они на послание братьев по разуму.

Радиотелескопы, принимающие радиоволны из глубин Вселенной, работают в общем так же, как и бытовые радиоприемники. Можно даже подключить вместо регистрирующего компьютера динамик и попытаться послушать «музыку сфер». Правда, на поверку это окажется бессмысленный треск и шипение. Но только не в случае пульсаров.

В июле 1967 года аспирантка Кембриджского университета Джоселин Белл обрабатывала данные радиотелескопа. Девушка заметила короткий радиосигнал, повторяющийся в точности каждые 1,337 секунды. Это был не случайный треск, а правильное, регулярное тиканье. Словно где-то в космосе отсчитывал удары гигантский метроном — как потом выяснилось, сравнимый по точности с атомными часами. Сказать, что это выглядело странно, значит ничего не сказать.

Поначалу Энтони Хьюиш, научный руководитель Белл, счел сигналы помехами от какой-то техники. Уж очень они напоминали работу радиомаяка или локатора. Но аспирантка доказала, что загадочное тиканье рождается в космосе. И тем не менее его регулярность казалась вызывающе искусственной. Первооткрыватели назвали таинственный объект LGM-1. Это аббревиатура от little green mans, то есть «маленькие зеленые человечки».

Это не было шуткой. Исследователям было не до шуток. В ту пору радиоастрономия как наука была практически ровесницей юной Белл. Человечество только-только начало «прослушивать» космос в радиоволнах. И казалось вполне возможным, что галактический эфир кишит передачами внеземных цивилизаций. Не удивительно, что открытие пульсаров (так назвали космические «маяки») поразило и взволновало научный мир.

Контакт отменяется

Антрополог Станислав Дробышевский однажды сказал: «Один из главных принципов любой науки — это невероятное занудство». Придумайте восхитительную гипотезу, и коллеги составят список из ста двадцати семи причин, по которым ее рано принимать за доказанный факт. Досадно, но только это и позволяет науке искать истину, не увязая в нагромождениях фантазий.

Как бы ни была соблазнительна версия об инопланетянах, астрономы искали естественное объяснение странным свойствам пульсаров. Понятно, что периодический радиосигнал порождается периодическим же процессом в космосе, но каким?

Едва ли какое-нибудь бесформенное облако газа может работать с точностью атомных часов. Столь строгая регулярность наводила на мысль, что речь о движении твердого тела. И что же это за движение? Вращение вокруг своей оси? Обращение по орбите? Пульсации?

Озадачивал и период этого движения — порядка секунды. Чем бы ни был космический маяк, он получался очень маленьким. Если бы Земля с ее радиусом 6400 километров делала оборот вокруг своей оси за секунду, скорость точки на экваторе превысила бы 40 тысяч километров в секунду, достигнув 13% световой!

Однако природа пульсаров недолго оставалась загадкой. Все кусочки головоломки уже были на руках у исследователей. Еще в 1934 году, всего через два года после открытия нейтрона, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что во взрывах сверхновых образуются нейтронные звезды. А незадолго до открытия пульсаров Николай Семенович Кардашев и Франко Пачини показали, что нейтронная звезда должна быстро вращаться и иметь мощное магнитное поле. Опираясь на эти идеи, Томас Голд разгадал природу пульсаров вскоре после их открытия, хотя конкурирующие гипотезы рассматривались еще какое-то время.

Незабываемые крошки

На тот момент нейтронные звезды были известны только теоретикам, но не наблюдателям. Открытие пульсаров впервые подтвердило, что нейтронные звезды существует в реальности, а не только в выкладках астрофизиков. За это достижение Хьюиш (но почему-то не Белл!) получил Нобелевскую премию по физике 1974 года.

Нейтронные звезды — это, так сказать, загробная инкарнация некоторых светил. Расскажем об этом подробнее.

Любая звезда сжалась бы в крошечный комок под действием собственной гравитации, если бы не давление, препятствующее сжатию. Причем решающий вклад в это давление вносит вовсе не вещество, а излучение. Звезду в буквальном смысле спасают от смерти силы света — ее собственного света.

На протяжении всей жизни звезда «худеет»: массу уносят и звездный ветер, и излучение. Но все же светило до самого конца остается достаточно массивным. И когда термоядерное топливо заканчивается, остаток звезды остается один на один с гравитацией. Ничем хорошим это для него не заканчивается.

Если исходное светило при рождении имело массу более десяти солнц, его гибель сопровождается впечатляющим шоу. Внешние слои звезды, лишенные поддержки излучения, стремительно падают на плотное ядро и отскакивают от него, как мячик. Энергия этого удара такова, что расширяющаяся оболочка звезды вспыхивает, как целая галактика. Это явление известно как вспышка сверхновой.

Тем временем ядро звезды стремительно сжимается под действием гравитации. Растущего давления не выдерживают даже атомы. В центре небесного тела электроны объединяются с протонами, и получается сплошная масса нейтронов, более плотная, чем атомное ядро. И только тогда чудовищное давление останавливает сжатие.

Если ядро звезды массивнее Солнца более чем в 2,7 раза, то даже и давления нейтронного вещества недостаточно. Тогда ядро погибшего светила превращается в черную дыру. Но это совсем другая история, а здесь мы говорим о нейтронных звездах.

Вспомним теперь о законе сохранения момента импульса. Из него следует простое обстоятельство: если вращающееся вокруг своей оси тело сжимается, оно начинает вращаться быстрее. Фигурист, прижимающий руки к телу для исполнения прыжка-тулупа, поймет, о чем речь.

Сжатие ядра умершей звезды останавливается только при плотности вещества в сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Это значит, что оно сжимается до размера в несколько километров. По закону сохранения момента импульса скорость его вращения возрастает… примерно до одного оборота в секунду.

В автобиографии звезды можно представить себе главу «Как я стала нейтронной». «Это было трудное для меня время. Время, когда я потеряла почти все (еще бы, такие потери массы! — Naked Science). Мне пришлось стать гораздо жестче и вертеться куда быстрее. И меня больше никто не называет солнышком».

Жесткость упомянута не просто так. Вещество нейтронных звезд — возможно, самое жесткое и прочное во Вселенной. Поэтому небесное тело и не разваливается от столь быстрого вращения.

И если уж махина массой 1,5–2,7 солнца вертится, замедлить или ускорить этакий маховик очень непросто. Другими словами, скорость его вращения будет почти идеально постоянной. Именно поэтому пульсар — это весьма стабильные часы. Строго говоря, их ход все же замедляется, но очень медленно: менее чем на секунду за 100 миллионов лет. Это происходит по мере того, как энергия вращения пульсара расходуется на излучение.

Впрочем, Вселенная — известная затейница. Иногда ей удается раскрутить нейтронную звезду и сделать из добропорядочного секундного пульсара экзотический миллисекундный. Такой объект, как ясно из его названия, делает оборот вокруг своей оси всего за несколько миллисекунд.

Механизм «раскрутки» до сих пор не вполне ясен. Самая популярная гипотеза такова. Миллисекундные пульсары получаются из нейтронных звезд, образующих тесные пары с обычными светилами. Соседство с нейтронной звездой не доводит до добра. Мощная гравитация этого монстра буквально высасывает вещество из «уважаемого партнера». Вместе с материей нейтронной звезде передается и момент импульса, и она начинает вращаться быстрее. В общем, все почти как в жизни. У нас кто быстро вертится, тот хорошо кушает, а в мире нейтронных звезд причина и следствие поменялись местами.

Однако миллисекундные пульсары — все-таки исключение. Большинство нейтронных звезд делает оборот за секунду или около того.

Очень стабильный периодический процесс с периодом около секунды определенно мог бы что-то напомнить Джоселин Белл. Но как вращение нейтронной звезды порождает радиосигнал, да еще столь мощный, чтобы его поймали на Земле?

Неземной магнетизм

Дело в том, что у нейтронных звезд есть еще один повод называться самыми-самыми. Это самые мощные магниты во Вселенной. Магнитные поля пульсаров измеряются миллиардами тесла. Для сравнения: самое мощное поле, созданное экспериментаторами (и то на краткие доли секунды), — «всего лишь» 2800 тесла.

Откуда берутся столь впечатляющие цифры? Дело в законе сохранения магнитного потока. Да-да, снова эти законы сохранения. Они способны натворить дел, когда огромное ядро звезды сжимается до считанных километров. С уменьшением размеров небесного тела его магнитное поле как бы сгущается, концентрируется. Вот и получается компактный магнит невероятной силы.

Минуточку, спросит читатель, знакомый с физикой. Магнитные поля порождаются токами, а какие могут быть токи в нейтронной звезде? У нейтронов нет электрического заряда, течь просто нечему!

Дело в том, что лишь центральные слои нейтронной звезды сплошь состоят из нейтронов. Ближе к поверхности, где давление меньше, еще остаются протоны и электроны. Движение протонов, как считают теоретики, и создает в нейтронной звезде токи невероятной силы. Более того, эти протоны объединены в пары, как электроны в сверхпроводнике. Фактически нейтронная звезда представляет собой сверхпроводящий магнит. Только токи в ней не электронные, а протонные.

Вращающийся магнит — это фактически генератор. Вращение нейтронной звезды создает мощное электрическое поле, которое вырывает из коры заряженные частицы. Поэтому, несмотря на огромную гравитацию, пульсар окружен своеобразной атмосферой из протонов и электронов.

Эти частицы движутся в магнитном поле с околосветовыми скоростями, порождая самое разное излучение, от гамма-квантов до радиоволн. При этом сила магнитного поля такова, что энергичные гамма-кванты распадаются на электроны и позитроны, пополняя атмосферу пульсара. Вещество в буквальном смысле рождается из излучения!

В бурлящем коктейле из сверхсильного магнитного поля и разогнанной до околосветовых скоростей материи происходит много удивительных и на первый взгляд невозможных вещей. Здесь не место рассказывать обо всех, так что отсылаем желающих к прекрасной научно-популярной книге Б. Б. Кадомцева «На пульсаре».

Расскажем только, как образуется периодический сигнал пульсара, точнее радиопульсара. Бывают еще рентгеновские и гамма-пульсары, это тоже нейтронные звезды с сильными магнитными полями, но механизмы излучения у них несколько иные.

Зажечь маяк

Итак, радиоволны пульсара испускаются электронами и позитронами, кружащими вокруг линий магнитного поля. Это так называемое синхротронное излучение.

Однако околосветовые скорости вытворяют с пространством забавные штуки. Частица излучает радиоволны во все стороны — с ее собственной точки зрения, или, как говорят зануды-физики, в ее системе отсчета. А вот для внешнего наблюдателя вроде нас с вами эти ее «все стороны» сжимаются до узкого конуса. Получается, что нейтронная звезда испускает тонкий радиолуч.

Пульсар вращается вокруг своей оси, и луч вращается вместе с ним. Когда этот луч накрывает Землю, радиотелескоп «видит» яркую вспышку излучения. Это и есть импульс пульсара. Потом луч отворачивается и возвращается на следующем обороте. Вот и получается: пик… пик… пик…

Если, конечно, Земля вообще находится на траектории луча. Он может быть направлен и так, чтобы все время проходить мимо нашей планеты. В этом случае мы не заметим пульсара, даже если он у нас под носом.

Кстати, нейтронная звезда недолго остается пульсаром. Частицы в ее атмосфере высвечивают свою энергию всего за несколько миллионов лет. После этого бывшее светило переходит в режим радиомолчания. По оценкам теоретиков, в нашей галактике порядка миллиарда нейтронных звезд, а пульсаров из них, повторим, десятки или сотни тысяч. Так что каждый из них — редкая птица.

Мы еще многого не знаем о нейтронных звездах вообще и о пульсарах в частности. Например, иногда в работе космических часов случаются загадочные перебои, и пульсар пропускает импульс. Почему? Не может же нейтронная звезда пропустить оборот! А некоторые импульсы так интенсивны, что называются гигантскими. До сих пор непонятно, откуда они берутся. Вопросы без ответов можно перечислять еще долго. Они ждут своих исследователей.