Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

В последние годы жизни звезды этот ядерный синтез и производство тяжелых элементов невероятно ускоряются, а температура и давление переходят опасную черту. Горение водорода в такой звезде может продолжаться много миллионов лет, а гелий исчерпывается примерно за миллион лет. После этого начинается ядерное горение углерода, продолжающееся всего около тысячи лет. Затем следует горение оставшегося кислорода, длящееся всего несколько недель. Похожая судьба ждет и более тяжелые элементы: после кислорода горит неон, затем магний и, наконец, на самой последней стадии, как раз перед тем, как ядро звезды станет железным, выгорает кремний, что, вероятно, занимает всего один день.

Именно тогда у звезды и начинаются истинные проблемы. В отличие от предыдущих элементов, ядерные превращения железа происходят не с выделением, а с поглощением энергии. Однако к этому моменту производство энергии звездой уже прекратилось, и ядро начинает сжиматься, поскольку гравитационная энергия остается единственным источником энергии. Когда масса ядра, состоящего теперь из железа, достигает порогового значения, равного примерно 1,4 массы Солнца, ядро неожиданно теряет способность сопротивляться сокрушительной силе гравитации. В доли секунды внешние слои ядра рушатся и устремляются внутрь со скоростью примерно семьдесят тысяч километров в секунду, что составляет около 23 % от скорости света. В результате коллапса при слиянии протонов и электронов образуются нейтроны, что, в свою очередь, приводит к образованию вырывающегося наружу из коллапсирующей звезды потока нейтрино. Падающее на центр вещество отбрасывается от железного ядра, плотность которого к этому времени становится невероятно 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.