Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

высока – 400 миллионов миллионов грамм на кубический сантиметр. Так рождается нейтронная звезда (или черная дыра, если масса звезды очень велика).

В этот момент вокруг ядра образуется гидродинамическая ударная волна, которая разогревается за счет энергии разлетающихся во всех направлениях нейтрино. Они движутся вдоль прямолинейных траекторий и достигнут Земли раньше света сверхновой, поскольку фактически взрыва еще не было. При движении ударной волны от ядра к поверхности звезды, что может занять несколько часов, температура внешних оболочек звезды сильно увеличивается. Это делает возможным образование более тяжелых элементов из группы железа, например радиоактивного никеля-56, и элементов промежуточной массы между кремнием и группой железа, например радиоактивного титана-44 (считается, что существенно более тяжелые элементы, такие как золото, платина, серебро и уран, образуются при слиянии нейтронных звезд). Когда ударная волна достигает внешних или промежуточных слоев звезды, происходит сильнейший взрыв, сопровождающийся выбросом вещества со скоростью более пятидесяти миллионов километров в час. Именно этот последний взрыв оповещает о гибели звезды великолепной вспышкой сверхновой, которая способна затмить целую галактику.

Такие сверхновые называются “сверхновыми с коллапсирующим ядром”. Коллапс может проходить по-разному, но наиболее часто встречаются сверхновые типа Ib, типа Ic и типа II. Во всех трех случаях звезда-предшественница исходно имеет два слоя: внешний водородный и под ним гелиевый. Звезды, потерявшие за время жизни оба слоя, взрываются как сверхновые типа Ic; те, у которых гелиевый слой не выгорел, – как сверхновые типа Ib. Если при коллапсе все еще имеются оба слоя, ученые говорят о сверхновой типа II. Однако, несмотря на десятилетия наблюдений, изучения и моделирования, до сих пор точно неизвестно, как при таких сценариях коллапса ядра рождается нейтронная звезда.

В последнее время недоумение у ученых вызывает совсем другой тип сверхновых с коллапсирующим ядром – так называемые сверхъяркие сверхновые. Эти удивительно мощные, редкие транзиенты примерно в пятьдесят раз ярче своих коллапсирующих “родственников”. Хотя четкого объяснения их природы нет, как и представления о том, почему они такие яркие, но гипотез предостаточно. Согласно одной из них, такие сверхновые получают энергию от сильно намагниченных, быстро вращающихся нейтронных звезд, которые образуются при обычном коллапсе и передают энергию выброшенному при взрыве звездному материалу – остаткам звезд, разогревая их настолько, что они начинают светиться. В скором времени такие системы наблюдения, как Large Synoptic Survey Telescope (Большой обзорный телескоп), позволят обнаружить миллионы новых сверхновых. Анализ полученных результатов будет чрезвычайно полезен для понимания того, как и почему на самом деле взрываются гигантские звезды, и астрономы с нетерпением ждут этих многообещающих данных18.

Глава 4

Зомби и звездотрясения

Чиа Мин Тан проводил каникулы дома, в Малайзии. 7 августа 2017 года был тихий летний день. После ланча мать и брат отправились смотреть телевизор, а Тан решил проглядеть данные со станции наблюдения пульсаров, с которыми он работал в Манчестерском университете перед отъездом домой. Тан стал магистрантом ровно год, десять месяцев, двенадцать дней и двадцать часов тому назад. Работу над диссертацией он стремился закончить как можно скорее. Это была первая остановка на длинной дороге к его мечте – он хотел стать профессором.

Тан анализировал данные, полученные при обзоре неба LOFAR Tied-Array All-Sky Survey (LOTAAS). LOFAR (Low Frequency Array, “низкочастотная антенная система”) – необычный, достаточно новый инструмент, представляющий собой сеть радиотелескопов, расположенных главным образом в Нидерландах1. Это самый большой в мире и самый чувствительный телескоп, работающий в диапазоне частот 10-240 МГц, самых низких частот, которые можно зарегистрировать наземным телескопом. Сигналы, на которые Тан с удивлением смотрел, указывали на то, что в том месте, откуда они исходят, имеется несколько новых пульсаров с разными периодами – разными временами, за которые нейтронная звезда совершает один полный оборот вокруг своей оси. Все они располагались на одном и том же расстоянии от Земли и в одной и той же области неба. Заинтригованный, Тан продолжил анализировать данные. Стало понятно, что источник всех сигналов – один и тот же пульсар, но у него невероятно длинный период вращения, равный 23,5 секунды, и что сигналы регистрировались несколько раз за время оборота пульсара вокруг своей оси. Тан был ошарашен: это самый медленный из всех известных пульсаров. Тан немедленно сообщил о своем открытии коллегам из международной группы ученых LOTA AS. Сразу была запланирована встреча для обсуждения дальнейших действий, но Тану пообещали, что дождутся его возвращения.

Через несколько дней, в самолете, летящем назад в Манчестер, Тан думал только о своем открытии. Пульсар, теперь его называют PSR J0250 + 5854, вращался так медленно, что на диаграмме, обычно используемой астрономами для оценки популяции пульсаров в зависимости от скорости вращения звезды, он попадал ниже так называемой линии смерти. Эта теоретическая линия определяет границу, за которой пульсар считается умершим – он вращается так медленно, что прекращает испускать радиоволны, которые можно зарегистрировать. Когда такое происходит, обнаружить нейтронную звезду невозможно, если только она не “вернется к жизни” (что может произойти только в очень ограниченном числе специальных случаев). Пульсар Тана, однако, далеко отодвинул линию смерти от того места, где ученые ожидали ее обнаружить.

Сделанное открытие представлялось Тану невероятным: он никак не ожидал, что откроет такой важный новый пульсар, да еще во время работы над диссертацией. Однако то, что открытие было сделано дома, несколько притушило возбуждение: коллеги не могли порадоваться вместе с ним. Тан объяснил родным, что обнаружил нечто совсем необычное, но объяснить им, что это такое, оказалось невозможно. Он не мог дождаться того момента, когда снова окажется в Манчестере.

Рейс задерживался, и Тан уже начал паниковать. На встречу, где планировалось обсуждать новый пульсар, он примчался с чемоданом прямо из аэропорта. Коллеги дожидались его, и они вместе приступили к обсуждению значимости открытия и будущей научной публикации. Ученые пришли к выводу, что, вероятно, есть еще не открытые медленно вращающиеся пульсары. “Если мы их обнаружим, мы будем лучше себе представлять популяцию пульсаров и нейтронных звезд в галактике”, – говорит Тан. Кроме того, это поможет астрономам оценить, насколько быстро образовывались нейтронные звезды при эволюции Вселенной. У новооткрытого пульсара есть еще одна странность. Дело в том, что, хотя вращается он очень медленно, измерения скорости замедления вращения показывают, что в сравнении с другими пульсарами его магнитное поле велико.

После того как LOFAR обнаружил этот пульсар, его сигналы зарегистрировали и другие телескопы с рабочей частотой от 300 до 400 МГц. Как и многие астрономы сегодня, Тан еще ни разу не нанес визит радиотелескопу, на котором работает.