Суперобъекты. Звезды размером с город
Шрифт:
X. Магнитары
Все любят какую-нибудь экзотику. О чем бы мы ни говорили, всегда интересно, а как выглядят самые экзотичные случаи. Даже те, кто любят котиков и размещают их фотографии в разных социальных сетях, особенно неравнодушны к фотографиям особенно необычных и странных. Среди нейтронных звезд, наверное, самыми редкими котиками можно назвать магнитары.
Изобретение магнитаров
Сама идея магнитара появилась, как это нередко бывает, после того, как их обнаружили. История придумывания магнитаров такова. В начале 1990-х годов независимо друг от друга появилось две работы, где фигурировали нейтронные звезды с очень сильными магнитными полями. Во-первых, они были использованы в работе Владимира Усова для объяснения космических гамма-всплесков. Это загадка, которая в течение примерно 30 лет мучила астрофизиков. Гамма-всплески были обнаружены американскими спутниками-разведчиками (в СССР их наверняка называли
Одна из идей, касающихся возможной природы космических гамма-всплесков, была такой (ее как раз и придумал Владимир Усов). Пусть рождается нейтронная звезда, которая обладает очень большим магнитным полем – примерно 1015 Гаусс, это в миллион миллиардов раз больше, чем на Земле или Солнце. Второе предположение состоит в том, что новорожденный компактный объект очень быстро вращается, делая оборот, скажем, за одну миллисекунду (что близко к предельному периоду вращения нейтронных звезд). В результате получается исключительно мощный источник энергии. Источником энергии служит вращение нейтронной звезды, которое быстро высвечивается благодаря сильному полю и быстрому вращению. Это как бы такой суперрадиопульсар. При этом вращение быстро замедляется (ведь высвечивается в первую очередь именно энергия вращения). Поэтому мы будем видеть довольно короткую вспышку – краткую активность с быстрым спаданием блеска. Излучение такого источника довольно легко сделать направленным, а также поместить заметную долю потока в самый жесткий диапазон спектра. Получим гамма-всплеск.
Кривая блеска первого зарегистрированного гамма-всплеска. Это событие произошло 2 июля 1967 года. Разгадку природы этих событий пришлось ждать 30 лет.
Другая работа – это статья Кристофера Томсона и Роберта Дункана, также опубликованная в 1992 году. Они придумали механизм образования нейтронных звезд с очень сильными магнитными полями – в сотни раз больше, чем у обычных радиопульсаров. Потом они продолжили разрабатывать свою идею в целой серии статей. Они-то, собственно, и придумали магнитары в современном понимании как объекты, которыми можно было объяснять разные источники (а заодно ввели в обиход астрофизиков это слово). Но самое главные среди них – так называемые источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Гипотезу о том, что эти источники могут являться магнитарами, Дункан и Томпсон высказали уже в первой своей статье в 1992 году.
Открытие магнитаров
Источники мягких повторяющихся гамма-всплесков, как это ни странно, излучают мягкие повторяющиеся гамма-всплески. Обнаружены (точнее, выделены как отдельный класс объектов, связанных с нейтронными звездами) они были в 1979 году. На мой взгляд, это по крайней мере одно из самых красивых открытий, которое было сделано советской и российской астрофизикой. А может быть, не только самое красивое, но и самое важное. И уж совершенно точно, это самое красивое открытие, которое было сделано советской или российской астрофизикой с помощью установок, стоящих на спутниках.
5 марта 1979 года вспыхнул гамма-источник. Вспыхнул он в направлении Большого Магелланова облака – близкой к нам карликовой галактики. Как оказалось, источник действительно в ней и находится (детальный анализ потребовал некоторого времени, но в итоге советско-французская группа исследователей однозначно показала, что источник находится в остатке сверхновой в Магеллановом облаке). После основного пика излучения приборы «Конус», установленные на аппаратах Венера и созданные научной группой Евгения Мазеца из ФТИ им. Иоффе, зарегистрировали пульсирующий хвост. Было обнаружено, что источник обладает строгим периодом в несколько секунд. В принципе, это сразу указывает на нейтронную звезду – не так уж много в природе объектов, которые могут очень надежно выдерживать период несколько секунд. Действительно, сейчас мы знаем, что это одиночная нейтронная звезда, которая выдает столь мощные гамма-вспышки. А вспышка-то и в самом деле была на загляденее! Приборы просто ослепли и не смогли зарегистрировать максимум блеска – так ярко сияло. На одну десятую долю секунды магнитар стал ярче не слишком крупной галактики, и все это излучение приходилось на жесткий рентгеновский и мягкий гамма-диапазон.
С тех пор еще у двух магнитаров наблюдали мощные вспышки с длинным хвостом пульсирующего излучения. Первое событие произошло в августе 1998 года. Оно было очень похоже на событие 5 марта. А вот следующая вспышка всех поразила.
27 декабря 2004 года почти все космические рентгеновские и гамма-телескопы, смотревшие в сторону Солнца, «ослепли». В созвездии Стрельца произошла вспышка магнитара SGR 1806–20. Она получила наименование гипервспышки. Будучи похожей
по форме на гигантские вспышки 1979 и 1998 годов, она была в сто раз мощнее. Квантов было настолько много, что детекторы не могли с ними справиться. Лишь один сумел увидеть «голову Медузы Горгоны».Это снова был прибор эксперимента «Конус». У группы Евгения Мазеца из ФТИ им. Иоффе в это время на орбите было два прибора: один на американском спутнике «Винд» и второй на российском «Коронасе». Один взглянул на всплеск и «ослеп». А второй был в тени Земли. Соответственно, он не мог видеть вспышку. Но данные обработали, и увидели слабенький сигнал, пришедший через несколько секунд после того, как произошла гипервспышка. Подумав и посчитав, ученые поняли, что им удалось увидеть всплеск, отраженный от Луны! Единственный способ не ослепнуть, глядя на Медузу, – это смотреть на ее отражение!
Разумеется, столь мощные всплески должны быть видны с межгалактических расстояний. Но здесь есть две проблемы. Во-первых, источник невозможно разглядеть издалека после вспышки. Во-вторых, основной пик вспышки магнитара похож на короткий гамма-всплеск, поэтому их легко перепутать. В-третьих, чаще всего для одиночных коротких вспышек недостаточно точно измеряются координаты. Тем не менее есть несколько хороших кандидатов в гигантские и гипервспышки внегалактических магнитаров. И опять один из самых интересных был открыт астрофизиками из ФТИ им. Иоффе. Дмитрий Фредерикс и его коллеги увидели вспышку в направлении Туманности Андромеды. Точных доказательств, что это был именно магнитар, – нет, но уж очень похоже! Исследования, проведенные нами с Борисом Штерном, показывают, что возможно среди коротких гамма-всплесков затесалось несколько внегалактических вспышек магнитаров (о такой возможности еще в 1980-е писал Мазец с соавторами). Но и в данном случае указать, какой из гамма-всплесков точно связан с далеким магнитаром, не получается, так как после вспышки мы их не видим.
Кривая блеска вспышки 5 марта 1979 года по данным эксперимента «Конус». Виден резкий максимум блеска, во время которого прибор «ослеп», и пульсирующий «хвост». Пульсации связаны с вращением нейтронной звезды. Рисунок предоставлен сотрудниками Лаборатории экспериментальной астрофизики ФТИ им. Иоффе.)
От всех магнитаров, в том числе и от трех, дававших очень мощные вспышки, были открыты новые всплески, т. е. стало ясно, что это не катастрофическое явление. Если во время гигантской вспышки магнитар на долю секунды может стать ярче галактики, то во время слабых вспышек нейтронная звезда «всего лишь» в десятки миллионов раз ярче Солнца. Зато такие слабые всплески могут происходить очень часто. Некоторые магнитары, находясь в активной фазе, за месяц выдают около сотни вспышек. А ведь это всегда очень трудно – быстро выделить большую энергию в маленьком объеме, а еще труднее сделать это, не разрушив объект. В одном из интервью кто-то из наших актеров рассказывал, как во время съемок обсуждалось, что для выполнения трюков нужны каскадеры. Актеры стали уверять, что все сделают сами. Тогда одного из них спросили: «А вы можете прыгнуть с крыши пятиэтажного дома?» На что тот ответил: «Могу, но только один раз». Вот и многие взрывные явления таковы: их можно сделать – взрыв сверхновой, например, – но только один раз. Придумать модель объекта, который время от времени будет выделять энергии больше, чем целая галактика, довольно трудно.
Оказалось, что такие «выносливые» объекты есть, и это – магнитары. Магнитар 1990-х годов – это нейтронная звезда, обладающая большим дипольным магнитным полем, что означает, что где-то в недрах компактного объекта текут очень сильные токи, которые поддерживают это поле. Например, они могут течь в коре нейтронной звезды, которая состоит из более или менее обычного вещества – без суперэкзотики. И, естественно, если где-то течет ток, он может выделять энергию постепенно, например, просто нагревая спираль в чайнике, а может выделять энергию быстро – из-за короткого замыкания. Так, если на нейтронной звезде устроить короткое замыкание, то произойдет очень мощная вспышка, и мы будем наблюдать источник мягких повторяющихся гамма-всплесков. Все это возможно описать в рамках магнитарной модели. Но есть способы выделять энергию и постепенно…
Аномальные рентгеновские пульсары
Оказалось, что у источников мягких повторяющихся гамма-всплесков есть родственники. Новый класс одиночных нейтронных звезд был выделен в середине 1990-х годов сразу несколькими группами ученых, которые изучали так называемые рентгеновские пульсары. Рентгеновских пульсары все тогда представляли исключительно так: это двойные системы, где есть нейтронная звезда и обычная звезда. Вещество с обычной звезды течет на нейтронную, сразу падая на ее поверхность или предварительно закручиваясь в диск. Падающая плазма разогревается до очень высоких температур, и в результате генерируется поток рентгеновского излучения. Напомним, что нейтронная звезда, обладая магнитным полем, каналирует вещество на полярные шапки (примерно как на Земле магнитосфера направляет заряженные частицы в полярные области, и именно там происходят полярное сияния – на севере и на юге нашей планеты). Компактный объект вращается вокруг своей оси, и мы периодически видим то одну полярную шапку, то другую, и таким образом возникает феномен рентгеновского пульсара.