Суперобъекты. Звезды размером с город

Кроме обычных магнитаров, демонстрирующих очень быстрое замедление периода вращения, что связывают с большими дипольными магнитными полями, недавно стали обнаруживать вспыхивающие нейтронные звезды с медленно меняющимися периодами. Они демонстрируют всплески, как у источников мягких повторяющихся гамма-всплесков. Их периоды вращения такие же. Но оценка магнитного поля по росту периода дает значение порядка пульсарного. То есть магнитное поле раз в сто меньше. Таких источников известно уже несколько, и противники магнитарной модели очень обрадовались. Однако магнитары выстояли.

Мы уже говорили, что за изменение периода вращения отвечает дипольное поле. Но у нейтронной звезды могут быть и другие компоненты поля. По мере удаления от поверхности они быстро спадают, поэтому их роль мала на большом расстоянии от компактного объекта. Зато вблизи они могут быть важны. Для поддержания этих сильных, как говорят, мультипольных полей тоже необходим сильный электрический ток. Значит, наша нейтронная звезда все равно является магнитаром. В ее коре будет происходить выделение энергии тока, поэтому поверхность будет горячей. Из-за перезамыкания могут происходить вспышки и т. д. Но слабое дипольное поле не даст периоду быстро расти.

Эту гипотезу удалось доказать, когда Андреа Тиенго и его коллеги получили хороший рентгеновский спектр одного из магнитаров со слабым дипольным полем. Благодаря большой собирающей площади рентгеновской обсерватории ХММ-Ньютон астрономы смогли разглядеть спектральные детали, говорящие об очень сильном поле в небольшой области вблизи поверхности нейтронной звезды. Это полностью укладывается в модель магнитара, у которого мультипольные («кудрявые») поля гораздо сильнее дипольного. Магнитары остаются магнитарами.

Наиболее перспективные идеи в области «алхимии нейтронных звезд» так или иначе связаны с затуханием магнитного поля, что вполне естественно. У нейтронной звезды батарейки нет: если токи в ней текут, значит, со временем они затухают. И это может приводить к изменению статуса нейтронной звезды. Она может вспыхивать чаще или реже или не вспыхивать совсем. Например, объект может рождаться как источник мягких повторяющихся гамма-всплесков, затем превращаться в объект типа аномального рентгеновского пульсара, а после, когда магнитное поле распадается еще сильнее, он превращается просто в нейтронную звезду, которую мы видим в наших окрестностях благодаря ее тепловому излучению. Таких источников известно всего семь, и поэтому эта группа звезд известна как Великолепная семерка.

Появились попытки описать разные типы нейтронных звезд вместе, в рамках единого эволюционного сценария. Первую такую хорошую попытку сделали мы с коллегами из Испании и Германии. У нас получилось описать вместе, в рамках единого подхода, классические магнитары, Великолепную семерку и подобные им объекты, а также обычные радиопульсары. В дальнейшем Мигель Гуллон, Хосе Понс и их коллеги продолжили развивать этот подход.

Но со временем оказалось, что есть еще более удивительные превращения, и это позволило установить связь с другими типами молодых нейтронных звезд. В остатках сверхновых наблюдают центральные точечные объекты. Мы уверены, что это нейтронные звезды. Мы их видим, просто потому, что они еще горячие в силу своего небольшого возраста (в среднем порядка нескольких тысяч лет). При этом у них могут быть очень короткие периоды по сравнению с магнитарами, не 5–10 секунд, а десятые доли секунды. Совсем недавно, уже во втором десятилетии нашего века, стала популярной очень красивая идея. Пусть вначале рождается магнитар, т. е. нейтронная звезда с большим магнитным полем, но после взрыва сверхновой часть вещества падает обратно. Его падает настолько много, что это вещество как бы заваливает, экранирует магнитное поле, и в течении нескольких тысяч лет мы можем не знать, что там скрыт магнитар. Внешнее магнитное поле будет очень слабое, меньше, чем у радиопульсара. Звезда будет очень плохо тормозиться, но она будет горячее, чем ей положено быть, потому что внутри спрятан магнитар, который находится как бы в коконе. Детальные исследования таких объектов показывают, что это очень продуктивная гипотеза. Вот что в самом деле может реализовываться в природе: некоторые из рентгеновских источников в остатках сверхновых являются вот такими вот заваленными магнитарами, которым понадобится несколько тысяч лет, чтобы расправить крылья и превратиться в красивую бабочку.

Остаток сверхновой Кассиопея А, в центре которого находится одиночная остывающая нейтронная звезда.

XI. Великое объединение нейтронных звезд

Про зайчиков и белочек

Во всех естественных науках и отчасти в неестественных и противоестественных есть тяга к единой картине. Не только к систематизации, но и к попытке описать все с каких-то единых позиций, с помощью единого закона. Это естественный путь развития любой науки. Самое известное – это, конечно, создание теорий объединения в физике. Когда-то думали, что электричество и магнетизм – разные вещи, а потом все сложили в электромагнетизм. Затем объединили электромагнитное и слабое взаимодействия. Еще позже добавилось сильное ядерное взаимодействие – хотя здесь пока окончательной теории нет. Теперь мечта теоретиков состоит в том, чтобы добавить еще и гравитацию – создать единую теорию, или, как ее еще называют, Теорию всего.

Наверное, можно представить себе две причины тяги к единым моделям: есть пряник и кнут. Первая (о ней чаще говорят) связана с тем, что это эстетическое стремление. Действительно, очень красиво, когда, казалось бы, разрозненные факты и идеи вдруг складываются в общую мозаику. Это связано (также с эстетической) верой в то, что мир устроен относительно просто: мы можем его описать (или понять – как вам больше нравится), уложить все это в голове в виде изящной конструкции. Поэтому многие люди уверены, что объединительные подходы должны быть правильными.

Однако, вероятно, есть и вторая (подсознательная?) причина. Она может быть важнее не на индивидуальном, а на коллективном уровне. Видя обилие феноменологических данных, многообразие теоретических построений, великое множество отдельных задач и т. д. и т. п., мы начинаем пугаться, что эта лавина информации захлестнет нас и не позволит развиваться дальше. Потому что невозможно эффективно оперировать такой уймой фактов, используя человеческий мозг. Если бы все это удалось описать разом, в идеале – одной формулой, то не было бы необходимости постоянно «держать в голове» так много отдельных элементов картины: частное можно было бы вывести из общего. Это дало бы возможность накапливать новые данные, решать новые частные задачи, выдвигать новые гипотезы – и так до нового рубежа, когда появится новая единая теория.

Мне кажется, что тяга некоторых людей к псевдонауке или мифологическому объяснению явлений также связана с этими двумя причинами: во-первых, красиво, когда все устроено просто, а во-вторых, очень страшно, что все окажется сложным. Это вызывает беспокойство и стимулирует принятие простой (хотя и неправильной) картины мира.

Схема биологической эволюции с общими предками. Для нейтронных звезд тоже можно рисовать эволюционные схемы, причем иногда их поведение может быть довольно причудливым.

Модели единого описания в первую очередь базируются на каких-то общих свойствах описываемых объектов. Еще лучше, если элементы системы могут превращаться друг в друга или проявляют свойства, характерные сразу для нескольких классов объектов. В том случае, когда в системе есть эволюция, открываются дополнительные пути к объединению. Например, в нашей жизни мы знаем, что зайчики в белочек не превращаются, но мы знаем, что и у зайчиков, и у белочек есть единый общий предок. Так что в некотором смысле биология тоже стремится к описанию и объяснению всего с единых позиций, и эволюционная модель позволяет это сделать.

Таким образом, позыв объяснить большое разнообразие объектов в рамках какой-то единой картины существует везде, и астрофизика нейтронных звезд здесь не является исключением.

Такие разные нейтронные звезды

Как говорится, «чтобы объединиться, нужно решительно размежеваться» – с размежеванием у нейтронных звезд все было хорошо. Вначале были открыты радиопульсары. Это молодые нейтронные звезды, которые достаточно быстро вращаются, у них есть довольно сильное магнитное поле, и из-за этого возникает так называемые когерентное нетепловое излучение, генерируемое в магнитосфере. В первую очередь – радиоизлучение, но есть пульсары, которые мы видим пульсирующими во всех диапазонах: в видимом, в инфракрасном, в ультрафиолетовом, в рентгеновском, в гамма. Затем стали открывать молодые нейтронные звезды других типов, например магнитары. Это одно из самых красивых астрономических открытий, когда-либо сделанных в нашей стране. 5 марта 1979 года в рамках эксперимента «Конус» на аппаратах «Венера» была зарегистрирована очень мощная гамма-вспышка. После вспышки блеск не упал до нуля, а появились пульсации с периодом несколько секунд. Довольно быстро астрономы поняли, что это нейтронная звезда, нашли, где она находится, и показали, что это молодой объект. В списке наблюдательных проявлений компактных объектов появился новый вид активности молодых нейтронных звезд. Дальше этот зоопарк пополнялся, и к концу 90-х годов ХХ века существовало с полдюжины различных классов молодых нейтронных звезд, которые проявляли себя как астрофизические источники очень разных типов. Казалось, что каждый из них обречен родиться или радиопульсаром, или магнитаром, или центральным компактным объектом в остатке сверхновых, или еще чем-нибудь, и это судьба. То есть как у Кьеркегора: «или – или».