Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

Ровно в тот же день, когда в Nature поступила статья о пульсаре Вела, два астронома, Дэвид Стелин и Эдвард Рифенштейн, работавшие в Соединенных Штатах на радиотелескопе Green Bank примерно в двух часах езды от города Шарлоттсвилла в Западной Вирджинии, обнаружили в Крабовидной туманности странные радиоимпульсы. Крабовидная туманность – остаток взрыва другой сверхновой, в созвездии Телец. Как я уже говорила, китайские астрономы видели эту яркую сверхновую в 1054 году. А в 1850 году астроном Уильям Парсонс, проведя много ночей у своего 36-дюймового телескопа, зарисовал оставшуюся после нее туманность. Его рисунок напоминал краба, и поэтому туманность стали называть Крабовидной.

А через месяц после открытия Стелина и Рифенштейна, сделанного с помощью телескопа Green Bank, магистрант Корнеллского университета Ричард Лавлейс обнаружил, что радиосигнал, идущий из Крабовидной туманности, поступает через регулярные интервалы – каждые 33 миллисекунды. Он работал на радиотелескопе обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико – большом отражателе, вмонтированном в естественную карстовую воронку. Позднее этот радиотелескоп стал знаменит благодаря и сериалу “Контакт” (еще в съемках этого фильма участвовал телескоп Very Large Array в Нью-Мексико), и семнадцатому фильму бондианы “Золотой глаз”. Результаты телескопов Green Bank и Arecibo подтвердили гипотезу астронома Франко Пачини, который за несколько месяцев до того опубликовал статью, где приводил аргументы за то, что внутри Крабовидной туманности должен быть пульсар12.

Итак, теперь имелось два пульсара, ярко сиявших среди остатков сверхновой. Кусочки пазла встали на свои места. Так подтвердились все интуитивные предсказания Фрица Цвикки, сделанные им в 1933 году. Нейтронные звезды – сверхплотные, крошечные, быстро вращающиеся и сильно намагниченные – стали абсолютно реальны.

Вспышка сверхновой – явление редкое. В галактиках, сравнимых по размеру с Млечным Путем, такое случается примерно два раза в столетие. Наша Галактика, вмещающая около трехсот миллиардов звезд, уже “отстает от расписания”. Наиболее “молодая” из известных сверхновых взорвалась в центре Млечного Пути примерно в 1870 году. Однако видно ее не было – скрывала космическая пыль. Теперь астрономы могут наблюдать остаток этой сверхновой как яркий источник радио- и рентгеновского излучения. В видимой Вселенной по крайней мере два триллиона галактик, и это значит, что каждую секунду где-то в бескрайних просторах космоса десять звезд становятся сверхновыми13.

Похоже, нет никакой регулярности в том, где и когда может появиться сверхновая, и поэтому отследить их очень трудно. Астрономы с помощью телескопов-роботов проводят широкий обзор неба, то есть мониторинг всех вспышек в различных диапазонах длин волн. Компьютерные алгоритмы проверяют полученные данные и отбирают многообещающих кандидатов в сверхновые, а астрономы пытаются срочно забронировать время для работы на мощных телескопах, чтобы исследовать электромагнитный спектр вспышки – ее астрофизические “отпечатки”. Маттео Кантьелло, астрофизик из Принстонского университета, называет такой анализ звездной криминалистической экспертизой: мы знаем, что звезда умерла, а теперь хотим точно выяснить почему и как. Наблюдение последних часов жизни звезды – если таковое возможно – может дать астрономам необычайно важную информацию о сверхновых. В частности, демонстрирует ли умирающая звезда заранее, за несколько месяцев, недель или дней, признаки неизбежного взрыва.

23 февраля 1987 года астрономы получили редкую возможность увидеть сверхновую “в действии”. В обсерватории Лас-Кампанас в Чили ночная смена только приступила к работе. Тогда здесь работали по старинке: ученые находились рядом с телескопом, а не за сотни миль от него в комфортабельном офисе с высокоскоростным интернетом. Дежурные Ян Шелтон и Оскар Дуальде сканировали небо. Неожиданно Шелтон заметил вспышку света в карликовой галактике – Большом Магеллановом Облаке. По космическим масштабам это недалеко от Млечного Пути, на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Земли. Вспышка оказалась настолько яркой, что ее можно было увидеть невооруженным глазом. Шелтон быстро задокументировал наблюдение. (Позднее он узнал, что еще один астроном из Новой Зеландии тоже наблюдал эту вспышку.) Ученые сверились с каталогом и увидели, что на месте вспышки раньше была массивная, неожиданно исчезнувшая звезда: перестал существовать голубой сверхгигант Сандулик -69º 202, обычно сиявший на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Он взорвался сверхновой II типа с коллапсирующим ядром, которая позднее стала называться SN 1987А. Это самая близкая к Земле сверхновая, звезду-предшественницу которой можно было наблюдать более четырехсот лет.

За три часа до того, как астрономы в Чили и в Новой Зеландии заметили вспышку в оптическом диапазоне, три детектора нейтрино – Kamiokande II в Японии, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) в Огайо на берегу озера Эри и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в России – зарегистрировали в общей сложности около двух десятков нейтрино. Это намного больше, чем любая из этих трех обсерваторий обнаруживала когда-либо ранее. До этого нейтринный механизм взрыва сверхновой был лишь теорией, получившей теперь наглядное доказательство14.

Однако убедительно доказать, что именно нейтрино “обеспечивают” энергией взрыв сверхновой, гораздо труднее. Ученые пробовали делать трехмерное компьютерное моделирование нейтринного механизма коллапсирующего ядра звезды, но это очень дорого и долго: даже один вычислительный эксперимент может занять несколько месяцев. И наблюдения не слишком помогают понять механизм взрыва сверхновой. “Дело в том, – говорит Стивен Смартт из Университета Квинс в Белфасте, – что вы видите только момент прохождения ударной волны через поверхность звезды-предшественницы”. Наблюдаемое свечение определяется радиусом звезды и количеством материала вокруг нее, а эти характеристики не слишком полезны для понимания механизма взрыва. “Решить этот вопрос можно, измерив кинетическую энергию выброшенного вещества, зная его движение и сравнивая энергию ударной волны и энергию взрыва звезды, – говорит Смартт. – Но это и теоретически трудно сделать, а обследовать непосредственно центр взрыва практически невозможно”.

Уже более тридцати пяти лет ученые изучают эволюцию SN 1987A. Они видели в реальном времени переход от небулярной стадии к остатку сверхновой. Большая загадка – отсутствующая нейтронная звезда: в соответствии с размером звезды-предшественницы (порядка двадцати масс Солнца) она, согласно теории, должна находиться в центре остатка сверхновой. Нейтринные наблюдения свидетельствовали, что на месте ядра исходной звезды действительно образовался компактный объект. Но астрономы ничего не нашли. Одно из возможных объяснений состоит в том, что там просто слишком много “мусора”, скрывающего ядро за плотными тучами пыли и газа. Или, возможно, магнитное поле нейтронной звезды, если она есть, либо слишком сильное, либо слишком слабое для того, чтобы стало возможно образование обычного пульсара. С другой стороны, возможно, на молодую нейтронную звезду упало слишком много выброшенного вещества – так много, что ее масса увеличилась до точки невозврата, вызвав дальнейший коллапс в черную дыру.

Никаких сигналов приближающейся смерти голубого сверхгиганта обнаружить не удалось, хотя ученые наблюдали сверхновую почти сразу