2014-04-30

Пульсари і магнітари

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Магнітар

Неважко уявити собі здивування землян, коли в 1574 році на небі спалахнула наднова зірка. Теоретична астрономія в ті часи була зовсім не схожа на ту, яку зараз вивчають у школі. Відповідно до загальноприйнятої тоді теорії, Земля перебувала у центрі світобудови, розділеної сферою Місяця на дві частини - підмісячному і надмісячну. У першій траплялися народження і смерті, спостерігалися нерегулярні рухи і зупинки. У другій панував ідеальний одвічний порядок: у заповненому ефіром космосі за ідеальними круговими орбітами рухалися ідеально сферичні небесні тіла, які не знали ні народження, ні змін. Спалах нової зірки здавався чимось неможливим і в силу цього або ілюзорним, або зловісним.

Як не дивно, цій загальноприйнятій картині світу кінець настав дуже швидко. Всього через сто років, в 1687 році, з'явилася книга Ньютона «Математичні початки натуральної філософії», що передбачала зовсім інший космос: нескінченний, який не має центру, який не знає кордонів. Закон всесвітнього тяжіння об'єднав весь світ. Та ж сила, яка визначала рух Землі навколо Сонця, визначала і рух Місяця навколо Землі. Не було нічого дивного в тому, що якісь зірки спалахували, якісь гасли, якісь розвалювалися на частини, якісь стикалися одна з одною. Дивно було інше - космос виявився практично порожнім. Розрідженість матерії, у міру того, як вона усвідомлювалася, представлялася все більш страшною.

Порожнеча позаземного світу настільки ж погано доступна людській уяві, наскільки недоступна їй густина деяких об'єктів, що там знаходяться. І для людей епохи Відродження було б так само дивно дізнатися, що в той момент, коли вони бачили яскравий спалах на небі, вони стали віддаленими свідками (а в силу віддаленості просторової, відповідно, віддаленими та за часом) народження одного з найбільш щільних у Всесвіті тіл - нейтронної зірки. Матерія, якщо можна так висловитися, цього об'єкта настільки щільна, що якщо б її можна було зачерпнути звичайною горілчаною стопкою, маса її виявилася б рівною масі п'ятдесяти кубічних кілометрів води, тобто масі цілого озера, причому не маленького. З самого моменту свого відкриття в 1932 році нейтронним зіркам було призначено стати осередком природних крайнощів - крайня густина лише одна з них. 

Існування нейтронної зірки було передбачене, ледве був відкритий нейтрон. Це можна вважати теоретичним відкриттям, і зроблено воно було саме для того, щоб пояснити те, що відбувається із зіркою після її перетворення в наднову. За часом воно практично збіглося з експериментальним виявленням нейтрона, здійсненим Джеймсом Чедвіком (James Chadvick) в 1932 році. До цього часу вже багатьом стало зрозуміло, що в ядрі повинні бути і позитивно заряджені частинки і нейтральні. Тому ніщо не заважало народженню гіпотези про нейтронні зірки до робіт Чедвіка, тим не менш вони трохи запізнилися, але не дуже: майже відразу на семінарі Бора в Копенгагені ідею про нейтронні зірки висловив Лев Ландау. Він, правда, нічого публікувати не став. А вже у 1933 році в журналі «Physical review» Вальтер Бааде (Walter Baade) і Фріц Цвікі (Fritz Zwicky) опублікували статтю, яка показала, що вибух наднової - це не тільки, і навіть не стільки розліт нагрітої матерії в різні боки, добре видний з відстані в мільйони світлових років, а й колосальний стиск внутрішнього ядра зірки. В результаті зовнішня оболонка забирає більшу частину енергії, через що ядро виявляється не настільки нагрітим, але ядру дістається велика частина наявного у зірки обертання, і воно швидко розкручується. Воно залишається як пам'ятка про те, що трапився космічний катаклізм. Його при бажанні можна було б навіть назвати «кам'яним» - він важчий і щільніший за будь-який земний камінь. Ось тільки в частині твердості метафора кульгає: тіло зірки знаходиться, швидше, у надтекучому стані, ніж у твердому.

Знову ж таки немає нічого дивного в тому, що про існування нейтронних зірок всі знали, хоча і не могли їх знайти, і в тому, що врешті-решт їх знайшли, коли шукали щось зовсім інше. Їх виявили в 1967 році кембріджські астрономи Ентоні Хьюіш (Anthony Hewish), нобелівський лауреат 1974 року, і Джоселін Белл (Jocelyn Bell) - аспірантка Хьюіша. Сподівалися виявити мерехтіння в міжпланетному просторі, а виявили електромагнітні імпульси, що випромінюються джерелами дуже малих кутових розмірів. Обізвати ці імпульси мерехтінням просто не повернувся язик - вони приходили з майже ідеальною регулярністю, настільки спантеличивши Хьюіша, що перший час джерела таких імпульсів, що знаходила на небі Джоселін Белл, називав не інакше як LGM - маленькі зелені чоловічки. Природу цих чоловічків швидко зрозумів Томас Голд. Це не більш ніж нейтронні зірки, що володіють сильним магнітним полем і швидко обертаються навколо своєї осі.

Саме слово «пульсар» являє собою скорочення від англійського pulsating radio star, яке має на увазі присутність радіовипромінювання. Зараз вже важко сказати, хто саме придумав це слово, але, мабуть, це все-таки були астрономи, а не астрофізики. Це слово говорить про явище, а не про його природу. І тоді ще не всім було ясно, що нейтронна зірка може і не мати радіовипромінювання. Тільки в кінці 1970-х років з'явилася підозра на існування нейтронних зірок, що посилають в простір короткі імпульси в гамма-діапазоні. Потім знайшлися і ті, випромінювання яких лежало в рентгенівському діапазоні. Всі ці незвичайні чи, як їх стали називати, «аномальні» нейтронні зірки не випромінювали в радіодіапазоні, від чого слово «пульсар» їм не цілком підходило.

У тому, що астрономи, першими побачили передбачені теоретиками нейтронні зірки на небі, не визнали їх і обізвали пульсарами, немає нічого дивного. Теоретики пророкують багато екзотичних об'єктів, далеко не всі з яких можна виявити. Крім того, теоретики говорили про будову, а астрономи виявили явище. Ніхто їм не говорив, що нейтронна зірка повинна блимати. І взагалі, це об'єкт, що викликає певний інтуїтивний протест - а астроном-спостерігач у своїй роботі покладається на інтуїцію не меншою мірою, ніж на теорію. Нейтрон - частка нестабільна. Період напіврозпаду для нього дорівнює приблизно 10 хвилин. Тому хоча невелика кулька, згорнута з нейтронів, не буде розштовхуватися електростатичними силами, які розштовхали б таку кульку, згорнуту з протонів, але вона проіснує недовго, оскільки нейтрони будуть розвалюватися один за другим.

І якщо знайти пояснення стабільності нейтронної зірки відносно легко, набагато важче сказати, а чому вона власне мигає. Не зелені ж «чоловічки», справді, включають і вимикають на ній свій «відбивач»? Тут, власне, і виявилася основна ідея Томаса Гулда, яка полягала в тому, що сильне магнітне поле не дозволяє зірці випромінювати ні в яких напрямках, крім напрямку дипольного моменту. Інакше кажучи, електромагнітна хвиля залишає планету тільки поблизу магнітного полюса. Це стосується не тільки радіовипромінювання. Багато пульсарів випромінюють також і видиме світло. Тільки людське око не може помітити, що вони по кілька сотень разів на секунду встигають мигнути.

Екстремально сильне магнітне поле - друга крайність, якою знамениті пульсари. Для того щоб здавлювати електромагнітне випромінювання, яке виходить від зірки, поле пульсара має бути на десять порядків більшим від магнітного поля Землі. Магнітне поле найпотужніших магнітів, які коли-небудь були створені людиною, слабші від магнітного поля пульсара в мільйон разів. Причому найбільші сучасні технології дозволяють людям утримувати таке поле всього протягом декількох мікросекунд. Правда, напруженість його цілком космічних масштабів: воно всього в десять разів слабше від поля на поверхні білих карликів - найнамагніченіших в природі предметів, якщо не рахувати нейтронних зірок. Розрив, що відокремлює карлики від пульсарів, колосальний - в десятки, а то й у сотні тисяч разів.

І все-таки в космосі є об'єкти, напруженість магнітного поля яких на два-три порядки більша від напруженості магнітного поля пульсарів, - ці об'єкти прийнято називати магнітарами (magnetar). Вони справжній раритет у прямому сенсі слова. Вони настільки рідкісні в космосі, що їх загальна кількість на сьогоднішній момент обчислюється одиницями: є дев'ять виявлених магнітарів і ще кілька «підозрюваних». Магнітари були введені в астрофізику теоретично, але інакше, ніж нейтронні зірки. В кінці 1970-х років були виявлені нові астрономічні явища - м'які повторювані гамма-сплески і аномальні джерела рентгенівських променів, які отримали назви аномальних рентгенівських пульсарів. З декількох теоретичних моделей, запропонованих для пояснення цих явищ, «вижила» тільки одна - магнітарна (Томпсона і Дункана).

Магнітне поле на поверхні магнітарів виявляється настільки велике, що «здавлюються» не тільки електромагнітні хвилі. Радикально здавлюються і атоми. Звичайно, всередині будь-якої зірки (а нейтронної - особливо) атомів як таких немає: тиск всередині зірки такий великий, що електронні оболонки сусідніх атомів зчіплюються, і відбувається своєрідне «угрупування» електронів. У земних умовах схоже відбувається в повністю іонізованій плазмі. Не буде великим перебільшенням вважати ядро зірки одним великим атомом. Але на її поверхні атоми можуть існувати окремо один від одного. Сильне магнітне поле стискає їх до такої міри, що сферично симетричний при нормальних умовах атом витягується в сотні разів і стає схожий на полімер. Ці квазі-полімерні нитки переплітаються одна з одною, утворюючи щось на зразок килима, який вкриває поверхню магнітара. За однією з версій саме розриви цього «килима» призводить до потужних викидів гамма-випромінювання, що змушує «зашкалювати» всі орбітальні лічильники гамма-квантів.

Хоча період напіврозпаду нейтрона близько 10 хвилин, нейтронні зірки стабільні протягом тисячоліть. Густина нейтронної зірки настільки велика, що при масі, яка в десятки разів перевищує сонячну, вона має радіус, що не перевершує десяти кілометрів. Друга космічна швидкість, тобто мінімальна швидкість, яка потрібна, щоб подолати силу тяжіння настільки маленького і важкого об'єкта, виявляється порівняною зі швидкістю світла - наприклад, її третина або навіть половина (варто нагадати, що більшою густиною володіють тільки чорні діри, для яких друга космічна швидкість порівняна зі швидкістю світла). Нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Про нейтрино ми давно вже знаємо, що його «не спіймаєш за бороду» - воно благополучно покидає околиці зірки. Але електрон нікуди подітися не може: він знову захоплюється протоном, вилітає ще одне нейтрино, яке теж летить у невідомому напрямку, а протон перетворюється в новий нейтрон. Вихованій в дусі законів збереження людині подібна марнотратність відразу здасться трохи підозрілою. Навряд чи таке може продовжуватися до безкінечності. Запас нейтрино рано чи пізно повинен вичерпатися. Що станеться з нейтронною зіркою тоді?

Теоретики вже частково дали відповідь і на це питання. У кінцевому рахунку, нейтронна зірка перетвориться на чорну діру. Це й не дивно, адже в чорні діри рано чи пізно звалиться вся наявна у Всесвіті матерія. Але це занадто далека перспектива. Чи немає чогось ближчого? Можливі різні варіанти. Але серед них один заслуговує особливої уваги. Іноді можливе перетворення пульсара, який із завидною регулярністю випромінює в простір радіоімпульси, в магнітар, схильний до рідкісних «зоретрусів» і неймовірно потужних викидів м'яких гамма-квантів. У статті, опублікованій журналом Nature, йдеться про спостереження, проведені міжнародною групою дослідників з США та Австралії, які виявляють близькість пульсарів та магнітарів.

Не завжди така еволюція йде досить швидко, щоб бути поміченою. Швидкість її знову ж таки залежить від напруженості магнітного поля. І нейтрино, і радіовипромінювання забирає енергію пульсара в простір, через що його обертання сповільнюється. Але зазвичай щільна матерія зірки настільки непрозора, що й деякі нейтрино «за бороду» ловляться, і радіовипромінювання поглинається. При сильному магнітному полі «тіло» зірки стає прозорішим і вона сповільнюється швидше - до однієї мілісекунди на рік. На відміну від пульсара, що випромінює до декількох тисяч імпульсів в секунду, період «миготіння» магнітара 8-10 секунд.

Мабуть, головне достоїнство цього вінця «зоряної еволюції» у тому, що його магнітне поле вже по-справжньому сильне. Його напруженість перевищує так звану «квантово-електродинамічну межу», через що відбувається «закипання вакууму». Можливо його теж вдасться поспостерігати? Втім, це тема вже зовсім іншої розповіді.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus