Суперобъекты. Звезды размером с город

Энергия уносится потоком волн и частиц. Интенсивность излучения зависит от частоты вращения и величины магнитного поля. По мере замедления вращения энергии будет излучаться все меньше. Это означает, что будет падать давление, оказываемое дующим от нейтронной звезды «ветром» на внешнюю среду. Вначале давление обычно достаточно велико, поэтому пульсар «не знает» о том, что вокруг не пустота. Но со временем присутствие вещества будет все заметнее. Оно стремится подобраться поближе к нейтронной звезде. Это стремление связано как с давлением самого вещества (оно, во-первых, определяется температурой и плотностью вещества, а во-вторых, есть «лобовое давление», связанное со скоростью вещества относительно нейтронной звезды), так и с гравитацией. Если вещество вошло в область гравитационного влияния нейтронной звезды, то она сама начнет «натягивать» его на себя. В конце концов, ветер волн и частиц не сможет сопротивляться внешнему давлению, и вещество начнет проникать в магнитосферу. Это выключает не только пульсарный механизм (обычно он перестает работать еще раньше), но и весь процесс генерации ветра релятивистских частиц. Замедлившись до критического значения периода вращения, нейтронная звезда переходит на следующую эволюционную стадию.

Если первую стадию жизни нейтронной звезды называют эжектором (потому что вещество и волны активно эжектируются – выбрасываются – во внешнюю среду), то вторая стадия получила название пропеллера. Впервые ее рассмотрел в самом начале 1970-х годов Викторий Шварцман. Но мировую известность она получила в 1975-м благодаря статье Андрея Илларионова и Рашида Сюняева.

На этой стадии падение вещества на поверхность остановлено быстро вращающейся магнитосферой (которая вращается вместе со звездой, поскольку силовые линии «вморожены» в кору). Дело в том, что падающее вещество – это плазма. Вещество плазмы ионизовано, а заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем. Им очень тяжело двигаться поперек силовых линий (поэтому на Земле красивые сияния происходят в основном вблизи магнитных полюсов, за что их и называют полярными). Иногда говорят, что частицы сидят на силовых линиях как бусины на проволоке. На самом деле их поведение сложнее, но для нас важно, что плазма, как говорят, «вморожена» в магнитное поле. Плазме тоже, как и отдельным заряженным частицам, трудно двигаться поперек силовых линий. Поэтому магнитное поле может остановить поток вещества.

Если скорость вращения магнитного поля в данном месте превышает круговую скорость движения плазмы, то вращающиеся силовые линии магнитного поля работают как пропеллер, пытаясь разбросать вещество. Энергия вращения нейтронной звезды через магнитное поле передается веществу, часть которого может улететь вдоль силовых линий. Это приводит к очень быстрому торможению вращения нейтронной звезды. Поэтому стадия пропеллера достаточно короткая, и застать на ней нейтронную звезду довольно маловероятно. К тому же на этой стадии обычно нет мощного энерговыделения, так что и ярких источников здесь не получишь. Хотя кандидаты есть, их находят в тесных двойных системах, где вещество перетекает с нормальной звезды на слишком быстро вращающуюся нейтронную.

Постепенно время оборота нейтронной звезды вокруг своей оси растет. Медленно вращающийся пропеллер уже не может задержать поток вещества. Оно попадает на поверхность. Начинается аккреция.

Теперь вращение нейтронной звезды может и ускоряться, и замедляться. Падающее вещество может приносить с собой момент импульса (иногда употребляют и другой термин – угловой момент), т. е. может раскручивать нейтронную звезду [9] . Но взаимодействие магнитного поля с потоком вещества должно тормозить вращение. Обычно, если внешние условия не меняются, устанавливается равновесие. Особенно ярко это проявляется у рентгеновских пульсаров – аккрецирующих нейтронных звезд в тесных двойных системах. Период пульсаций излучения – это, как и у радиопульсаров, период вращения компактного объекта. Только источником энергии теперь служит не вращение, а потенциальная (гравитационная) энергия падающего вещества. Наблюдения демонстрируют, что часть аккрецирующих пульсаров показывает увеличение периода, а часть – уменьшение. Часто мы видим, что какой-то рентгеновский пульсар то ускоряется, то тормозится. Но обычно это колебания вблизи положения равновесия, когда торможение и ускорение примерно уравновешивают друг друга. Это равновесие крайне важно, так как если есть хорошая модель аккреции, то знание равновесного периода позволяет оценить магнитное поле нейтронной звезды, чем астрофизики активно пользуются. Зачастую другого способа хотя бы примерно узнать величину поля аккрецирующей нейтронной звезды просто нет.

9

Приток момента импульса соответствует раскручиванию, т. е. усилению вращения, а потеря момента импульса – замедлению вращения.

Итак, радиопульсар живет, пока нейтронная звезда быстро вращается. Рентгеновский пульсар возникает в двойной системе, если звезда достаточно замедлилась. Если магнитное поле постоянно, то вращение – главный параметр, определяющий то, какой мы видим нейтронную звезду. Но поле не всегда постоянно.

Изменение магнитного поля

Магнитное поле порождается электрическими токами. И поля нейтронных звезд – не исключение. Поскольку они не подключены к розетке, и батареек в них нет, токи со временем должны уменьшаться, затухать. Соответственно, будет уменьшаться и магнитное поле. На пальцах – все ясно. Но при углублении в детали обнаруживается масса любопытного и неожиданного.

Начнем с вопроса: где текут токи, порождающие магнитное поле? Ответ: неизвестно. Конечно, важно понимать: когда ученые отвечают, что что-то не известно, чаще всего это означает наличие нескольких вариантов, выбрать из которых мы пока не можем. В случае нашего вопроса есть две основные возможности: поля (и токи) в основном сосредоточены в коре нейтронной звезды или они в основном находятся в ядре. Разумеется, в реальности они должны быть и там, и там. Но в какой пропорции?

Токи в коре должны быть более или менее похожи на тот ток, к которому мы привыкли. Ведь кора нейтронной звезды (кроме ее самой внутренней части, где вещество находится в состоянии так называемые «ядерной пасты», – спагетти, лазанья… – что понравилось бы Летающему Макаронному монстру) во многом похожа просто на кусок металла. Конечно, есть и существенные отличия, но по крайней мере тут нет каких-то фундаментальных сложностей. Возможно, поэтому сейчас очень популярны модели, где поле в основном сосредоточено в коре.

Магнитное поле в ядре, по всей видимости, устроено очень необычно. Дело в том, что протоны в ядре должны находиться в сверхтекучем состоянии (в ядре ток должен быть связан именно с протонами, а не электронами). Сверхтекучесть заряженных частиц означает наличие сверхпроводимости. А сверхпроводники с магнитным полем не дружат. Поле или совсем выталкивается из сверхпроводника, или разбивается на квантовые магнитные трубки, в которых разрушена сверхпроводимость. Скорее всего, недра нейтронных звезд представляют собой сверхпроводник второго рода. Огромное количество магнитных трубок пронизывает ядро нейтронной звезды. Теперь для затухания поля надо, чтобы эти трубки выталкивались из ядра в кору: только там их можно будет уничтожить. Это может происходить по мере замедления вращения нейтронной звезды, но здесь есть много неопределенностей. Поэтому часто предполагают, что эволюция поля в ядре нейтронной звезды не слишком сильно сказывается на наблюдательных проявлениях. Мы ниже также будем придерживаться этой гипотезы.

Есть еще один простой важный вопрос: откуда токи берутся? Первая часть ответа очень проста: они остаются от ядра звезды. Нейтронная звезда образуется в процессе коллапса. Если мы представим себе ядро звезды пронизанным магнитными силовыми линиями, то при сжатии линии сохранятся (как говорят, сохранится магнитный поток). Плотность линий возрастает при сжатии. Соответственно, возрастает поле. Если у нас есть ядро звезды радиусом несколько тысяч километров, то при сжатии до размеров нейтронной звезды поле вырастет в десятки или даже сотни тысяч раз. Так можно объяснить поля обычных радиопульсаров. Для магнитаров есть вторая часть ответа: нужно дополнительно усиливать поле, например, за счет динамо-механизма.

Схема коллапса с сохранением магнитного потока. Видно, что радиус объекта уменьшается, а число линий остается прежним. Значит, количество силовых линий, проходящих через элемент поверхности единичной площади, растет. Это означает усиление магнитного поля на поверхности.

Итак, допустим, токи в основном сосредоточены в коре. Тогда они будут уменьшаться просто за счет электрического сопротивления. Оно может определяться двумя основными факторами. Во-первых, есть дефекты в микроструктуре вещества коры. Они будут препятствовать потоку электронов – т. е. току. Во-вторых, кора может быть горячей. Тогда электронам будут мешать тепловые колебания – фононы. Пока нейтронная звезда молодая и горячая, доминирует затухание токов на фононах. Позже, когда звезда остынет, – на дефектах коры.

Затуханию токов может помогать еще один процесс, он особенно важен для сильных полей – т. е. для магнитаров. Это так называемый холловский каскад. Магнитные поля в коре могут иметь сложную структуру, не такую, как у обыкновенного дипольного поля, которое, как правило, представляет собой наиболее крупный элемент структуры. Мелкомасштабные поля затухают быстрее, и если придумать механизм, из-за которого энергия будет перекачиваться из больших масштабов в маленькие, то диссипация будет идти быстрее. Холловский каскад как раз приводит к тому, что крупномасштабное поле постепенно разбивается на мелкие составляющие, что приводит к более быстрому уменьшению глобального поля. А значит, к более активному энерговыделению.

Как бы то ни было, поле может (и должно!) уменьшаться. Чем сильнее поля – тем заметнее этот эффект. Уменьшение поля в некотором смысле имитирует замедление вращения: радиопульсар быстрее выключается, раньше происходит переход на стадию пропеллера, раньше может начаться аккреция. Но есть и более прямые проявления затухания поля.

Магнитное поле имеет энергию. Вообще говоря, большую. По формуле E = mc^2 в коре нейтронной звезды поле обычно соответствует плотности больше сотни грамм в кубическом сантиметре. А у магнитаров речь идет уже о многих тоннах в кубическом сантиметре! Это много. И эту энергию можно выделить. Кора даже может начать трескаться и разламываться после уменьшения энергии поля, так как это аналогично уменьшению давления в коре.