Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Сама конструкция GBT немного отличается от конструкции радиотелескопов Parkes и Lovell. Радиоволны из космоса отражаются от рефлектора и собираются в чрезвычайно чувствительных приемниках радиотелескопа, помещенных в верхней части боковой конструкции – стрелы, которая смонтирована сбоку от рефлектора, чтобы не мешать сбору излучения самой тарелкой. Боковая стрела выглядит как мускулистая рука, поднявшая массивный инструмент, чтобы продемонстрировать свою силу в момент бесконечного триумфа. И этому радиотелескопу есть чем гордиться. В 2019 году с его помощью была обнаружена самая массивная на сегодняшний день нейтронная звезда, имеющая массу 2,14 солнечной[26]. В 2006 году GBT обнаружил в космосе соединение ацетамид – самую большую межзвездную молекулу с пептидной связью, а также другие органические молекулы, обогатив наше понимание химического состава межзвездной среды. В том же году радиотелескоп обнаружил в молекулярном облаке в Орионе большое магнитное поле в форме катушки, а в созвездии Змееносец – на расстоянии около двадцати трех тысяч световых лет от нас – огромную полость, заполненную горячим газом с плотностью меньше плотности окружающей межзвездной среды.

Благодаря своей превосходной чувствительности, огромной зоне радиомолчания вокруг, приемникам с очень низким уровнем шума и передовой методике поиска пульсаров телескоп GBT оказался удивительно совершенным инструментом для поисков пульсаров и измерения периодов их вращения. За прошедшие годы GBT обнаружил более двухсот пульсаров, многие из которых – миллисекундные. Он даже обнаружил несколько миллисекундных пульсаров в источниках гамма-излучения, ранее найденных телескопом Fermi, а это означает, что теперь мы узнали о нескольких нейтронных звездах, которые излучают как в радио-, так и в гамма-диапазоне. Райан Линч, астроном, работающий на телескопе GBT, называет его лучшим “пульсарным телескопом” в мире. Поэтому, если задаться целью искать большую популяцию миллисекундных пульсаров в галактическом центре, GBT – один из наиболее подходящих инструментов для этого, с ним может конкурировать только MeerKAT, а в будущем – еще более чувствительный SKA и, возможно, китайский FAST. Но все же, говорит Слейтер, обнаружить пульсары в центре Галактики будет непросто даже для них.

В 2009 году GBT обнаружил три пульсара недалеко от галактического центра. Это были не миллисекундные пульсары, а довольно молодые нейтронные звезды, и они не были гравитационно связаны с центральной черной дырой. Большинство астрономов больше интересуются именно миллисекундными пульсарами, потому что, если бы они были связаны с черной дырой, это позволило бы ученым провести точную проверку общей теории относительности (см. главу 8), наблюдая крошечные изменения в “ходе их часов” – точнее, изменения моментов поступления радиоимпульсов от них12.

Тем не менее открытие этих трех пульсаров доказало, что GBT (по крайней мере, в некоторой степени) может “рассмотреть” объекты и сквозь слой “мусора”, заполняющего район галактического центра. Этот “мусор” представляет собой огромное скопление газа и пыли, которые обращаются вокруг галактического центра, закрывая нам обзор. Чем больше газа в межзвездном пространстве, тем больше вокруг носится свободных электронов, взаимодействующих с радиоволнами более низких частот, излучаемых пульсарами. А это означает, что сигнал, регистрируемый астрономами, будет иметь сильную дисперсию, то есть приходящий импульс будет размыт, и это размытие делает идентификацию точечного источника более сложным делом. Еще больше мешает ионизированный газ, который рассеивает любой сигнал. Импульсы по пути к Земле отклоняются толщей газа, а это означает, что им приходится преодолевать большие расстояния, чтобы добраться до нас. Они прибывают в разное время, и это превращает сигнал от точечного объекта в сильно размазанный по времени. Этот эффект затрудняет детектирование импульсов, и, если рассеяние будет сильным, мы вообще не сможем различить отдельные источники, поскольку сигналы от них будут перекрываться13.

Однако GBT справляется с этими проблемами лучше, чем многие другие радиотелескопы. Он чрезвычайно чувствителен в высокочастотной области, где влияние рассеяния и дисперсии, мешающих обнаруживать пульсары, меньше, и это повышает вероятность их нахождения. С другой стороны, как говорит Линч, “пульсары не хотят помочь нам их найти, поскольку при переходе к высоким частотам их яркость уменьшается”. Таким образом, нужно найти компромисс между необходимостью преодолеть негативные эффекты от рассеяния на ионизированном газе, которое испытывает излучение на пути от пульсаров к Земле, и необходимостью работать в области частот, где чувствительности еще хватает на то, чтобы обнаружить пульсары, хотя по своей природе они там и слабо излучают. Другими словами, задача, которую должны решить астрономы, состоит в том, чтобы найти радиотелескоп, работающий на частотах достаточно высоких, чтобы преодолеть воздействие ионизированного газа, и, с другой стороны, достаточно чувствительный, чтобы можно было зарегистрировать более слабые на этих частотах сигналы от пульсаров, если они там есть.

Большинство миллисекундных пульсаров находится в шаровых звездных скоплениях – далеких звездных структурах Млечного Пути. Хупер говорит, что, судя по тому, как они светят, таких пульсаров в галактическом центре просто не может быть в таком количестве, чтобы объяснить регистрируемый избыток излучения. Однако другие астрофизики считают это возможным. Дискуссия, похоже, зашла в тупик, по крайней мере, так было до 2015 года, когда две группы ученых – одна во главе с Кристофом Венигером, астрофизиком из Амстердамского университета, а другая под руководством Слейтер – опубликовали статьи в поддержку гипотезы пульсаров. Эти две группы использовали несколько отличающиеся друг от друга методики для интерпретации данных с телескопа Fermi, учитывающие его технические ограничения. Поскольку Fermi не направлен на источник, как это происходит в традиционном эксперименте, а просматривает очень широкую область неба, он улавливает излучение, приходящее с разных направлений. Особенно яркие точечные источники (включая пульсары) появляются в этом излучении в виде горячих точек, но более слабые пульсары вполне могут затеряться на фоне шумов14.

Обе команды астрономов разбили участок неба вокруг галактического центра на множество пикселей. Затем они измерили изменения в уровне излучения от пикселя к пикселю, считая количество отдельных фотонов, регистрируемых телескопом Fermi. Они отметили, что наблюдались вполне заметные различия в количестве фотонов между этими пикселями даже после вычитания вариаций ожидаемого излучения от известных источников, иными словами, имелись “горячие” и “холодные” области неба. По их словам, горячие области, или яркие пиксели, можно объяснить наличием одного яркого пульсара или скопления миллисекундных пульсаров. Тусклые – более холодные – пиксели соответствовали отсутствию пульсаров. Хотя некоторые горячие и холодные точки можно считать появившимися случайно, уровень изменения яркости был достаточно высоким для того, чтобы его можно было объяснить присутствием скопления пульсаров, но настолько слабых, что их трудно обнаружить по отдельности. “Если вы замечаете на снимке какие-то разводы, то они связаны с пульсарами, хотя вы и не можете уверенно сказать, что видите отдельные пульсары”, – говорит Линден.

Авторы статьи утверждали, что, если бы именно столкновения вимпов – частиц темной материи, все еще существовавших лишь в теории, – были источником всего избыточного излучения, все участки неба должны были бы светиться в гамма-диапазоне примерно одинаково. Казалось бы, пульсары выиграли спор. Даже Хуперу пришлось признать, что аргумент в пользу пульсаров оказался довольно сильным. Он вспоминает, что эти две статьи оказали большое влияние на ученых и убедили многих в том, что именно быстро вращающиеся нейтронные звезды, вероятно, были источником излучения. “Раньше на arXiv.org каждые несколько дней выходила новая статья о свойствах темной материи, – говорит Хупер, – но внезапно количество таких работ снизилось в три или четыре раза. Вот так и упал до нуля интерес к этому предмету”.