Небесные мерцания магнитов

Магнитары и пульсары — это разные обитатели одного и того же «звездного зоопарка». И тот и другой — нейтронные звезды, только если первый подвержен редким «звездотрясениям» и невероятно мощным выбросам мягких гамма-квантов, то второй — с завидной регулярностью излучает в пространство радиоимпульсы. Несмотря на разницу, между ними, оказывается, много общего. Не исключено даже, что один может оказаться результатом эволюции другого

Космический радиомаяк может служить кипятильником для вакуума

Космические объекты — это прекрасное поле для фантазии художника. Не очень понятно, почему магнитар должен выглядеть именно так, но впечатляет.

 

 

Поверхность магнитаров временами сотрясают невероятной силы сотрясения, чем-то похожие на знакомые нам солнечные вспышки. При этом он становится источником мощного импульса мягких гамма-квантов. Иллюстрация: Dr. Robert Mallozzi/University of Alabama in Huntsville, and Marshall Space Flight Center/NASA

Нетрудно представить себе изумление землян, когда в 1574 году на небе вспыхнула сверхновая звезда. Теоретическая астрономия в те времена была совсем не похожа на ту, что сейчас учат в школе. Согласно общепринятой тогда теории, Земля находилась в центре мироздания, разделенного сферой Луны на две части — подлунную и надлунную. В первой случались рождения и смерти, наблюдались нерегулярные движения и остановки. Во второй царил идеальный извечный порядок: в заполненном эфиром космосе по идеальным круговым орбитам двигались идеально сферические небесные тела, не знавшие ни рождения, ни перемен. Вспышка новой звезды казалась чем-то невозможным и в силу этого либо иллюзорным, либо зловещим.

Как ни странно, этой общепринятой картине мира конец настал очень быстро. Всего через сто лет, в 1687 году, появилась книга Ньютона «Математические начала натуральной философии», предполагавшей совсем другой космос: бесконечный, не имеющий центра, не знающий границ. Закон всемирного тяготения объединил весь мир. Та же сила, которая определяла движение Земли вокруг Солнца, определяла и движение Луны вокруг Земли. Не было ничего странного в том, что какие-то звезды вспыхивали, какие-то гасли, какие-то разваливались на части, какие-то сталкивались друг с другом. Удивительно было другое — космос оказался практически пустым. Разреженность материи, по мере того, как она осознавалась, представлялась все более страшной и отпугивающей. Известный русский религиозный философ Алексей Лосев писал уже в начале ХХ века, что этот космос — это «даже не могила и даже не баня с пауками, потому что и то и другое все-таки интереснее и теплее и все-таки говорит о чем-то человеческом… Читая учебник астрономии, чувствую, что кто-то палкой выгоняет меня из собственного дома и еще готов плюнуть в физиономию. А за что?» А преуспевший в перенесении физических методов в биологию Фрэнсис Крик приводил в конце того же века примеры для сравнения, взятые из книги Джэстроу и Томпсона: «Представим, что Солнце размером с апельсин; в этом масштабе Земля является лишь песчинкой, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии тридцати футов… Галактика в этом масштабе составляет двести миллиардов апельсинов, и каждый апельсин отделен от ближайшего соседа средним расстоянием в 1000 миль…»

Пустота внеземного мира столь же плохо доступна человеческому воображению, сколь недоступна ему плотность некоторых находящихся там объектов. И для людей эпохи Возрождения было бы так же удивительно узнать, что в тот момент, когда они видели яркую вспышку на небе, они стали удаленными свидетелями (а в силу удаленности пространственной, соответственно, удаленными и по времени) рождения одного из самых плотных во Вселенной тела — нейтронной звезды. Материя, если позволено будет так выразиться, этого объекта столь плотная, что если бы ее можно было бы зачерпнуть обычной водочной стопкой, масса ее оказалась бы равной массе пятидесяти кубических километров воды, то есть массе целого озера, причем немаленького. С самого момента своего открытия в 1932 году нейтронным звездам было суждено стать средоточием природных крайностей — крайняя плотность лишь одна из них.

Надгробный памятник сверхновой

Объект XTE J1810-197 — один из кандидатов в магнитары. Уникальность его в том, что кроме обычных для магнитаров размеренных рентгеновских импульсов он является также источником радиоизлучения. Это свидетельствует о его родственности обычным пульсарам. Иллюстрация: Bill Saxton & Dave Finley, National Radio Astronomy Observatory

Существование нейтронной звезды было предсказано, едва был открыт нейтрон. Это можно считать теоретическим открытием, и сделано оно было именно для того, чтобы объяснить происходящее со звездой после ее превращения в сверхновую. По времени оно практически совпало с экспериментальным обнаружением нейтрона, осуществленным Джеймсом Чедвиком (James Chadvick) в 1932 году. К этому времени уже многим стало ясно, что в ядре должны быть и положительно заряженные частицы и нейтральные. Поэтому ничто не мешало рождению гипотезы о нейтронных звездах до работ Чедвика, тем не менее они немного запоздали, но, действительно, немного: почти сразу на семинаре Бора в Копенгагене идею о нейтронных звездах высказал Лев Ландау. Он, правда, ничего публиковать не стал. А уже в 1933 году в тогда только набиравшем вес журнале «Physical review» Вальтер Бааде (Walter Baade) и Фриц Цвики (Fritz Zwicky) опубликовали статью, показавшую, что взрыв сверхновой — это не только, и даже не столько разлет нагретой материи в разные стороны, хорошо видный с расстояния в миллионы световых лет, но и колоссальное сжатие внутреннего ядра звезды. В результате внешняя оболочка уносит большую часть энергии, из-за чего ядро оказывается не столь нагретым, но ядру достается большая часть имевшегося у звезды вращения, и оно быстро раскручивается. Оно остается как памятник о случившемся космическом катаклизме. Его при желании можно было бы даже назвать «каменным» — он тяжелее и плотнее любого земного камня. Вот только по части твердости метафора хромает: тело звезды находится, скорее, в сверхтекучем состоянии, чем в твердом.

Опять же нет ничего удивительного в том, что о существовании нейтронных звезд все знали, хотя и не могли их найти, и в том, что в конце концов их нашли, когда искали что-то совсем другое. В самом деле, их обнаружили в 1967 году кембриджские астрономы Энтони Хьюиш (Anthony Hewish), нобелевский лауреат 1974 года, и Джоселин Белл (Jocelyn Bell) — аспирантка Хьюиша. Надеялись обнаружить мерцание в межпланетном пространстве, а обнаружили электромагнитные импульсы, излучаемые источниками очень малых угловых размеров. Обозвать эти импульсы мерцанием просто не повернулся язык — они приходили с почти что идеальной регулярностью, столь озадачившей Хьюиша, что первое время находимые Джоселин Белл на небе один за другим источники таких импульсов называл не иначе как LGM — маленькие зеленые человечки. Природу этих человечков быстро понял Томас Голд. Это не более чем нейтронные звезды, обладающие сильным магнитным полем и быстро вращающиеся вокруг своей оси.

Ширина Большого каньона на плато Колорадо достигает кое-где 29 км. Нейтронная звезда диаметров в 20 км вполне могла бы там уместиться. Иллюстрация: CXC/D. Berry

Само слово «пульсар» представляет собой сокращение от английского pulsating radio star, что подразумевает присутствие радиоизлучения. Сейчас уже трудно сказать, кто именно придумал это слово, но, видимо, это все-таки были астрономы, а не астрофизики. Это слово говорит о явлении, а не о его природе. И тогда еще не всем было ясно, что нейтронная звезда может и не иметь радиоизлучения. Только в конце 1970-х годов появилось подозрение на существование нейтронных звезд, посылающих в пространство короткие импульсы в гамма-диапазоне. Потом нашлись и те, излучение которых лежало в рентгеновском диапазоне. Все эти необычные или, как их стали называть, «аномальные» нейтронные звезды не излучали в радиодиапазоне, отчего слово «пульсар» им не вполне подходило.

Сжатые полем

В том, что астрономы, первыми увидевшие предсказанные теоретиками нейтронные звезды на небе, не признали их и обозвали пульсарами, нет ничего удивительного. Теоретики предсказывают много экзотических объектов, далеко не все из которых можно обнаружить. Кроме того, теоретики говорили о строении, а астрономы обнаружили явление. Никто им не говорил, что нейтронная звезда должна мигать. И вообще, это объект, вызывающий определенный интуитивный протест — а астроном-наблюдатель в своей работе полагается на интуицию в не меньшей степени, чем на теорию. Нейтрон — частица нестабильная. Период полураспада для него равен приблизительно 10 минутам. Поэтому хотя небольшой шарик, скатанный из нейтронов, не будет расталкиваться электростатическими силами, которые растолкали бы такой шарик, скатанный из протонов, но он просуществует недолго, так как нейтроны будут разваливаться один за другим.

И если найти объяснение стабильности нейтронной звезды относительно легко, гораздо труднее сказать, а почему она собственно мигает. Не зеленые же «человечки», в самом деле, включают и выключают на ней свой «отражатель»? Тут, собственно, и проявилась основная идея Томаса Гулда, заключавшаяся в том, что сильное магнитное поле не позволяет звезде излучать ни в каких направлениях, кроме направления дипольного момента. Иначе говоря, электромагнитная волна покидает планету только вблизи магнитного полюса. Это касается не только радиоизлучения. Многие пульсары излучают также и видимый свет. Только человеческий глаз не может заметить, что они по нескольку сот раз в секунду успевают мигнуть.

Экстремально сильное магнитное поле — вторая крайность, которой знамениты пульсары. Для того чтобы сдавливать уходящее от звезды электромагнитное излучение, поле пульсара должно быть на десять порядков больше магнитного поля Земли. Магнитное поле самых мощных магнитов, когда-либо созданных человеком, слабее магнитного поля пульсара в миллион раз. Причем самые современные технологии позволяют людям удерживать такое поле всего в течение нескольких микросекунд. Правда, напряженность его вполне космических масштабов: оно всего в десять раз слабее поля на поверхности белых карликов — самых намагниченных в природе предметов, если не считать нейтронных звезд. Разрыв, отделяющий карлики от пульсаров, колоссален — в десятки, а то и в сотни тысяч раз.

Радиотелескоп Паркера в Австралии. На нем проводились наблюдения за радиоизлучением из той области неба, где находился объект XTE J1810-197. В результате удалось доказать, что именно он является источником этого излучения. Фото: CSIRO

И все-таки в космосе есть объекты, напряженность магнитного поля которых на два–три порядка больше напряженности магнитного поля пульсаров, — эти объекты принято называть магнитарами (magnetar). Они настоящий раритет в самом прямом смысле слова. Они настолько редки в космосе, что их общее количество на сегодняшний момент исчисляется единицами: есть девять обнаруженных магнитаров и еще несколько «подозреваемых». Магнитары были введены в астрофизику теоретически, но иначе, чем нейтронные звезды. В конце 1970-х годов были обнаружены новые астрономические явления — мягкие повторяющиеся гамма-всплески и аномальные источники рентгеновских лучей, получившие названия аномальных рентгеновских пульсаров. Из нескольких теоретических моделей, предложенных для объяснения этих явлений, «выжила» только одна — магнитарная (Томпсона и Дункана).

Магнитное поле на поверхности магнитара оказывается столь большим, что «сдавливаются» не только электромагнитные волны. Радикально сдавливаются и атомы. Конечно, внутри любой звезды (а нейтронной — в особенности) атомов как таковых нет: давление внутри звезды так велико, что электронные оболочки соседних атомов сцепляются, и происходит своеобразное «обобществление» электронов. В земных условиях похожее происходит в полностью ионизованной плазме. Не будет большим преувеличением считать ядро звезды одним большим атомом. Но на ее поверхности атомы могут существовать отдельно друг от друга. Сильное магнитное поле сжимает их до такой степени, что сферически симметричный при нормальных условиях атом вытягивается в сотни раз и становится похож на полимер. Эти квази-полимерные нити переплетаются друг с другом, образуя нечто вроде ковра, укрывающего поверхность магнитара. По одной из версий именно разрывы этого «ковра» приводит к мощным выбросам гамма-излучения, заставляющим «зашкаливать» все орбитальные счетчики гамма-квантов.

Новая эволюционная теория

Хотя период полураспада нейтрона около 10 минут, нейтронные звезды стабильны на протяжении тысячелетий. Плотность нейтронной звезды столь велика, что при массе, в десятки раз превосходящей солнечную, она имеет радиус, не превосходящий десяти километров. Вторая космическая скорость, то есть минимальная скорость, которая требуется, чтобы преодолеть силу притяжения столь маленького и тяжелого объекта, оказывается сопоставимой со скоростью света — к примеру, ее треть или даже половина (стоит напомнить, что большей плотностью обладают только черные дыры, для которых вторая космическая скорость сравнивается со скоростью света). Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Про нейтрино мы давно уже знаем, что его «не поймаешь за бороду» — оно благополучно покидает окрестности звезды. Но электрон никуда деться не может: он снова захватывается протоном, вылетает еще одно нейтрино, которое тоже улетает в неизвестном направлении, а протон превращается в новый нейтрон. Воспитанному в духе законов сохранения человеку подобная расточительность сразу покажется немного подозрительной. Вряд ли такое может продолжаться до бесконечности. Запас нейтрино рано или поздно должен иссякнуть. Что станет с нейтронной звездой тогда?

Заряженные частицы, пролетая через пузырьковую камеру, заставляют закипать в ней перегретую жидкость. Благодаря этому становится виден свивающаяся спиралью под действием магнитного поля траектория частицы. В вакууме тоже непрерывно рождаются виртуальные пары заряженных частиц. Магнитное поле увлекает их в противоположные стороны. Фото: Physics Department of Stockholm University

Теоретики уже отчасти дали ответ и на этот вопрос. В конечном счете, нейтронная звезда превратится в черную дыру. Это и не удивительно, ведь в черные дыры рано или поздно свалится вся имеющаяся во Вселенной материя. Но это слишком далекая перспектива. Нет ли чего-нибудь поближе? Возможны разные варианты. Но среди них один заслуживает особого упоминания. Иногда возможно превращение пульсара, с завидной регулярностью излучающего в пространство радиоимпульсы, в магнитар, подверженного редким «звездотрясениям» и невероятно мощным выбросам мягких гамма-квантов. В статье, опубликованной сегодня журналом Nature (24 августа, vol. 442, p. 892–895), говорится о наблюдениях, проведенных международной группой исследователей из США и Австралии и обнаруживающих близость пульсаров в магнитаров.

Не всегда такая эволюция идет достаточно быстро, чтобы быть замеченной. Скорость ее опять же зависит от напряженности магнитного поля. И нейтрино, и радиоизлучение уносит энергию пульсара в пространство, из-за чего его вращение замедляется. Но обычно плотная материя звезды столь непрозрачна, что и некоторые нейтрино «за бороду» ловятся, и радиоизлучение поглощается. При сильном магнитном поле «тело» звезды становится прозрачнее и она замедляется быстрее — до одной миллисекунды в год. В отличие от пульсара, излучающего до нескольких тысяч импульсов в секунду, период «мигания» магнитара 8–10 секунд.

Пожалуй, главное достоинство этого венца «звездной эволюции» в том, что его магнитное поле уже по-настоящему сильное. Его напряженность превышает так называемый «квантово-электродинамический предел», из-за чего происходит «вскипание вакуума». Может быть, его тоже удастся пронаблюдать? Впрочем, это тема уже совсем другого рассказа.