• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
14 августа
Иван Лавренов
3
12 969

Сверхскоростные пульсары улетают из остатков сверхновых на нейтринных ракетах

5.7

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

Ударная волна от пульсара PSR 2224+65, летящего сквозь межзвездную среду на скорости около полутора тысяч километров в секунду
Ударная волна от пульсара PSR 2224+65, летящего сквозь межзвездную среду на скорости около полутора тысяч километров в секунду / © https://www.researchgate.net/publication/318785455_Wind_accretion_onto_compact_objects

Массивные звезды заканчивают свой жизненный цикл во вспышках сверхновых. Когда процесс термоядерного синтеза в их недрах доходит до железа, дальнейшее слияние ядер перестает выделять тепловую энергию и поддерживать давление внутри звезды, которое удерживает ее от гравитационного коллапса.

Железное ядро размером с Землю и массой больше, чем солнечная, за доли секунды «схлопывается» в сотни раз, превращаясь в нейтронную звезду. Колоссальная энергия, выделяющаяся при коллапсе, приводит к взрыву, который рассеивает оболочку звезды — это мы и наблюдаем как вспышку сверхновой.

Сферическую симметрию коллапса нарушают колебания звездного ядра, турбулентные потоки и магнитные поля, присутствующие в ядре звезды перед вспышкой. Из-за асимметрии сил, действующих на коллапсирующее ядро, пульсар может получить «пинок» (pulsar kick) со скоростью 200 — 500 километров в секунду и вылететь из центра туманности, оставшейся после сверхновой.

Ученые предложили несколько возможных механизмов этого выброса, но все они не объясняют наличия «сверхскоростных» пульсаров с еще большими скоростями отдачи — до полутора тысяч километров в секунду. Эта скорость, составляющая примерно 1/200 от скорости света, в несколько раз превосходит галактическую вторую космическую скорость (550 км/с для Млечного Пути). Таким образом, вспышка сверхновой способна выбросить пульсар прочь из галактики.

Еще одна фотография ударной волны, образованной сверхскоростным пульсаром  PSR 2224+65. Масштаб в несколько раз мельче, чем на предыдущем изображении.
Еще одна фотография ударной волны, образованной сверхскоростным пульсаром  PSR 2224+65. Масштаб в несколько раз мельче, чем на предыдущем изображении. / © Palomar Observatory

Астрономы во главе с Ли Чжэном (Li Zheng) из Синьдзянской астрономической обсерватории (Xinjiang Astronomical Observatory) изучили различные процессы в недрах нейтронных звезд и нашли среди них новый возможный механизм образования сверхскоростных пульсаров.

Этот механизм довольно сложен, но мы попробуем объяснить его через более знакомые читателям явления. Он основан на испускании нейтронами направленного циклотронного нейтринного излучения. Знакомые с физикой удивятся: разве циклотронное излучение испускают не только заряженные частицы, двигающиеся в магнитном поле? Здесь мы напомним, что такое классическое циклотронное излучение.

Заряженная частица, движущаяся поперек линий магнитного поля, отклоняется силой Лоренца. Эта сила всегда перпендикулярна направлению движения частицы и заставляет ее непрерывно сворачивать в сторону, двигаясь по спирали, «навитой» на линии магнитного поля. Как и всякий заряд, двигающийся с ускорением, частица при этом испускает электромагнитные волны с частотой, равной периоду обращения вокруг линии поля.

Движение электрона в магнитном поле и испускание им электромагнитного излучения. Синими каплевидными фигурами показаны направления испускания излучения, по касательной к траектории электрона. Синхротронное излучение – частный случай циклотронного при околосветовой скорости электрона; пучки испускаемого излучения при этом сужаются. / © wikipedia.org

Нейтринное циклотронное излучение — очень далекий родственник классического. Согласно теории электрослабого взаимодействия, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, нейтроны, движущиеся по кругу, могут испускать пары нейтрино и антинейтрино – легчайших и почти неуловимых элементарных частиц. Слабое взаимодействие ответственно за многие процессы радиоактивного распада и превращения элементарных частиц, и нейтрино часто участвуют в них.

Так же, как и фотоны циклотронного излучения, испускаемые нейтрино уносят угловой момент этого движения. В отличие от фотонов, нейтрино обладают «встроенным» угловым моментом — спином — именно в него и переходит угловой момент нейтронов. И вылетают они не по касательной, как фотоны, а вдоль оси вращения. Нейтроны при этом, помимо снижения скорости вращения, получают еще и импульс отдачи, заставляющий их двигаться вдоль оси вращения. Круговое движение переходит в спираль, похожую на пружину.

Если просто взять нейтрон и заставить его «бежать по кругу», интенсивность этого процесса будет исчезающе малой. Но под невообразимо огромным давлением пульсарных недр нейтроны конденсируются в сверхтекучую жидкость (несмотря на температуру в сотни миллионов градусов). Как целое, эта жидкость вращается вместе с самим пульсаром, делая несколько оборотов в секунду, но вращение сверхтекучей жидкости – более сложный процесс. Оно является наложением друг на друга множества микроскопических квантовых вихрей, подобных тем, которые наблюдаются в сверхтекучем жидком гелии.

Наглядная визуализация образования квантовых вихрей во вращающейся жидкости при ее переходе в сверхтекучее состояние. Решетка вихрей стационарна, но линейная скорость вращения самой жидкости возрастает от центра к краю, аналогично обычной вращающейся жидкости – в каждой точке она является суммой скоростей вращения от каждого из вихрей.

Каждый вихрь представляет собой тончайшую нить «обычной» нейтронной жидкости, вокруг которой вращается сверхтекучая жидкость. Нейтроны в непосредственной близости от нитей делают во много раз больше оборотов в секунду, чем пульсар как целое. А мощность циклотронного нейтринного излучения пропорциональна угловой скорости вращения в восьмой степени.

Таким образом, пребывание нейтронов в состояние сверхтекучести усиливает нейтринное излучение настолько, что отдача от него придает всему пульсару заметный импульс. Новорожденный пульсар постепенно замедляет свое вращение и за счет этого ускоряется пучком нейтрино, как ракетным выхлопом. Приобретенная пульсаром скорость добавляется к скорости его выброса в момент образования (за счет асимметрии коллапса), и итоговая величина может заметно превышать тысячу километров в секунду. Направление движения при этом должно более или менее совпадать с осью вращения пульсара — что и подтвердили астрономы для пульсаров остатка в созвездии Парусов и в Крабовидной туманности.

Ученые отмечают, что механизм «нейтринной ракеты» универсален и всегда приводит к замедлению вращения пульсаров, даже если другие механизмы не активны. Он задает минимальный возможный темп такого замедления, причем медленно вращающиеся пульсары замедляются им сильнее. Это подтверждают наблюдательные данные: медленно вращающихся и медленно замедляющихся пульсаров не обнаружено.

Распределение скоростей вращения известных пульсаров (горизонтальная координата) и их замедлений (вертикальная координата). Зеленым показаны миллисекундные пульсары, синим – классические, а красным – магнитары (нейтронные звезды с сильными магнитными полями) / © обсуждаемая статья в The Astrophysical Journal.

Куда же девается угловой момент, если при обычном взгляде кажется, что пульсар замедляет свое вращение и ускоряет линейное движение, не «цепляясь» ни за что?

Он никуда не исчезает, а переходит в угловой момент нейтринного «выхлопа». Нейтрино летят по прямой, но каждое из них несет спин — крошечный угловой момент, квантово-механическим образом присущий самой частице — и у всех нейтрино «выхлопа» они направлены в одну и ту же сторону. Если было бы возможно поглотить этот «выхлоп» каким-либо объектом, то объект-поглотитель раскрутился бы в сторону, противоположную пульсару, в точности на величину, соответствующую потере углового момента самим пульсаром. Но нейтрино проходят сквозь материю почти беспрепятственно, а значит, угловой момент «выхлопа» так и остается путешествовать сквозь Вселенную вместе с ним.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:37
Александр Березин

В инфопространство «утекло» нечто очень похожее на документ стратегического исследовательского центра RAND, адресованный в том числе ЦРУ. Автор этого документа утверждает, что конфликт на Украине полезен для Штатов, поскольку позволяет им «раздеть» своих экономических конкурентов — Германию и Францию, — попутно перекачав капитал из еврозоны в США. Действительно ли Вашингтону выгодны крупные финансово-экономические потери еврозоны, связанные с российско-украинским конфликтом? И если это так, то что это значит для России?

Вчера, 12:51
Алиса Гаджиева

Ученые обнаружили, что древняя медная промышленность Израильского царства была организована так, что в итоге в ее центре не осталось ни растений, ни самой промышленности.

Позавчера, 08:38
Анна Новиковская

По всему миру рассказывают легенды о том, что боги слепили первого человека из глины. Но что, если эти мифы странным образом перекликаются с реальностью? Хелен Хансма, почетный биофизик Калифорнийского университета, утверждает, что примитивные клетки могли зародиться в слюдяной глине, которая таким образом стала «матерью» всего живого.

20 сентября
Сергей Васильев

Ученые впервые дали строго обоснованную оценку числа и массы муравьев, живущих на нашей планете. Цифры получились астрономические: десятки триллионов насекомых и десятки миллионов тонн.

19 сентября
Ольга Иванова

Исследование китайских ученых, проведенное на выборке с участием более чем миллиона человек, показало, что употребление черного и зеленого чая, а также улуна значительно снижает риск развития диабета второго типа.

18 сентября
Сергей Васильев

В далеком прошлом на соседней планете постоянно возникали и исчезали небольшие озера. Сегодня именно в их осадочных породах мы можем найти следы возможной марсианской жизни.

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

26 августа
Алиса Гаджиева

Ученые предложили объяснение давней загадке: почему у жителей Азии неандертальских генов больше, чем у европейцев.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментария

-
0
+
Это такой сверхтонкий намёк на возможность межгалактического двигателя? Шикарная идея, только непонятен один момент: откуда берётся асимметрия этого самого циклотронного излучения? Почему нейтрино предпочитают вылетать в одну из сторон и чем при этом занимаются антинейтрино?
    -
    0
    +
    Честно говоря, деталей асимметрии я не очень понимаю. У нейтрино спин противонаправлен направлению движения, у антинейтрино сонаправлен. Получается, что если частицы пары летят в одну и ту же сторону, они не забирают с собой никакого углового момента, а если в противоположную - то забирают момент, но не передают линейную отдачу. Нужна дополнительная асимметрия для одновременного создания тяги и отбора углового момента. В оригинале говорится "In the 3P2 neutron superfluid region, the anomalous magnetic moment of the Cooper pairs in a strong magnetic field will be directed opposite to the magnetic field, because the magnetic gyro ratio of neutrons is negative. This directional asymmetry can lead to an asymmetry of the neutrinos emitted by the neutron superfluid vortex. То есть, у нейтронов есть собственный спин, и есть два типа куперовских пар нейтронов - с противонаправленными спинами (которым побоку магнитное поле) и с сонаправленными, которые имеют собственный магнитный диполь и ориентируются по полю пульсара. Это как раз понятно. Говорится, что этот механизм ориентации куперовских пар с сонаправленными спинами и накладывает дополнительную асимметрию на испускание, но тут ничего не объясняется. Видимо, все-таки летят в противоположные стороны, но при этом энергии нейтрино и антинейтрино различаются. Вот если бы Сергей Попов прокомментировал, стало бы яснее... Для фантастики (не сверхтвердой) идея хороша, находим и готовим какой-нибудь изотоп с ядерным спином, который сбрасывает лишний спин путем направленного испускания нейтрино, ориентируем магнитным полем, получаем тягу. Почему бы не существовать изотопам, у которых спин создает вращение нейтронной компоненты? Почти никакой радиации, навскидку можно дельта-вэ в сотни километров в секунду получить. Но я не слыхал о сбросе ядерного спина через эмиссию нейтрино, а в изотопах и видах распада относительно разбираюсь. И из оригинала следует, что это реально суперслабый механизм при всех условиях, кроме недр нейтронных звезд. В другую галактику можно и на простой термоядерной тяге долететь, 3% от световой она вполне дает без перегибов по теорфизике. Нужно только уметь строить корабли-ковчеги или гибернаторы на полсотни миллионов лет, всего ничего по сравнению с возрастом самих галактик =)
    -
    0
    +
    PS уточнение, нейтронные пары ориентируются аномальным магнитным моментом против поля, потому что у нейтронов отрицательное гиромагнитное соотношение. Но асимметрия относительно направления вдоль оси вращения и магнитного поля все равно возникает.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: