Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

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.

Но исследования показали, что есть странная группа рентгеновских пульсаров, которая отличается от всех остальных. И, немножко забегая вперед, можно сказать, что они оказались магнитарами. Эти странные рентгеновские пульсары имели примерно одинаковые периоды в районе 5–10 секунд (хотя в целом периоды рентгеновских пульсаров заключены в очень широком диапазоне – от миллисекунд до часов). Светимость у них была раз в сто меньше, чем у собратьев. Период вращения все время только увеличивался (в то время как у большинства рентгеновских пульсаров он то уменьшается, то растет). И не наблюдалось никаких свидетельств присутствия второй звезды в системе: не было видно ни самой звезды, ни модуляций излучения, связанных с орбитальным движением. Оказалось, что это в самом деле одиночные нейтронные звезды. Никакого перетекания вещества или, как говорят, аккреции там нет. Просто сама нейтронная звезда имеет очень горячие полярные шапки. Оставалось объяснить почему.

И здесь на помощь как раз приходят сильные магнитные поля. То самое выделение энергии тока, которое происходит не из-за короткого замыкания, а потихоньку, как в чайнике или электронагревателе, или еще каком-нибудь электроприборе. Температура выше там, где находится нагревательный элемент, – где течет ток. А потом с помощью теплопроводности, тепло распространяется по всему объему. Поверхность нейтронной звезды действительно можно греть не равномерно, а сильнее прогревать, например, полюса (это происходит из-за того, что тепло в коре переносят электроны, а им проще двигаться вдоль линий магнитного поля, которые как раз на полюсах направлены к поверхности). Тогда мы тоже будем видеть рентгеновский пульсар.

Какое-то время обсуждалась гипотеза, что аномальные рентгеновские пульсары могут светить благодаря аккреции. Тогда у них должен быть довольно мощный аккреционный диск. Вещество могло накопиться сразу после взрыва сверхновой. Это могло бы объяснить светимость и периоды источников. Но не объясняет некоторые особенности их всплесков, а главное – вспышки. Оказалось, что некоторые аномальные рентгеновские пульсары могут давать так называемые слабые вспышки, подобные наблюдаемым у источников мягких повторяющихся гамма-всплесков.

Источники мягких повторяющихся гамма-всплесков, кстати, между вспышками могут выглядеть как аномальные рентгеновские пульсары. Часть ученых заподозрила, что это «родственники» и роднит их сильное магнитное поле.

Сильные поля

Почему в случае аномальных рентгеновских пульсаров и источников мягких повторяющихся гамма-всплесков говорят именно о сильных магнитных полях? Разумеется, строго говоря, даже слабые магнитные поля могут приводить к тому, что какие-то части поверхности нейтронной звезды будут более горячими. И короткое замыкание в принципе можно устроить без очень сильных магнитных полей. Но, конечно, если поля большие, значит, и токи текут большие. Энергии выделяется больше, и объекты просто заметнее. Это первая причина.