Представьте себе махину, чья масса колеблется от полутора до двух солнечных. Сжатие этой массы до размеров нескольких километров, при котором кубический сантиметр вещества приобретает вес в сотни миллионов тонн, и добавление к ней мощнейшего магнитного поля – вот что из этого получится, как объясняют в Naked Science.
Недавно астрономы обнаружили самый яркий пульсар из всех, расположенных вне нашей галактики, и вообще один из самых ярких пульсаров. Удивительно, но этот объект много лет был у астрономов перед глазами, однако никто не догадывался о его природе. Установить истину помог необычный метод поиска пульсаров.
В этом материале мы расскажем о пульсарах, что это за объекты и почему они так интересны. Они относятся к числу самых необычных явлений во Вселенной, и их стоит изучить подробнее! Для начала кратко напомним, что пульсар (точнее, радиопульсар) – это нейтронная звезда, характеризующаяся мощным магнитным полем. Причины этого, которые мы еще рассмотрим, делают ее космическим радиомаяком, излучающим строго периодический сигнал.
Нейтронные звезды предоставляют физикам уникальные возможности для исследований, созданные самой природой. Достичь подобной плотности вещества, достигающей сотен миллионов тонн на кубический сантиметр, или создать магнитные поля силой в миллиарды тесла, не под силу человечеству. Поэтому астрономические наблюдения являются единственным методом изучения поведения материи в экстремальных условиях.
Несмотря на это, наблюдать их не так просто. Нейтронные звезды, за небольшими исключениями, практически не обнаруживаются с помощью обычных (оптических) телескопов. Причина кроется в их небольших размерах: диаметр таких звезд измеряется всего несколькими километрами. Для сравнения, диаметр Солнца составляет почти 1,4 миллиона километров! Именно поэтому наблюдение пульсаров является одним из немногих способов изучения нейтронных звезд.
Использование пульсаров возможно и в практических целях, таких как навигация и синхронизация времени.
По мнению ученых, в нашей галактике может существовать от десятков до сотен тысяч пульсаров. Современные радиотелескопы пока не позволяют обнаружить все эти объекты. На сегодняшний день известно лишь несколько тысяч пульсаров. Поиск таких объектов в других галактиках представляет еще большие сложности, и пока что их количество крайне мало.
Этот недавно обнаруженный пульсар, PSR J0523-7125, находится в Большом Магеллановом Облаке, являющемся галактикой-спутником Млечного Пути. Его плотность потока, или, другими словами, яркость, превышает показатели предыдущего самого яркого пульсара в этой галактике более чем в два раза.
Этот заметный объект был известен наблюдателям на протяжении долгого времени. Однако его ошибочно принимали за отдаленную галактику, поскольку никто не предполагал, что это пульсар. Только когда астрономы, использующие австралийский радиотелескоп ASKAP, использовали нестандартный подход к поиску пульсаров, ситуация изменилась.
Вместо использования периодичности сигнала, являющейся характерной чертой пульсаров, исследователи сосредоточились на поиске источников мощного радиоизлучения круговой поляризацией. Этот признак также характерен для пульсаров, хотя и не часто используется при их обнаружении.
Астрономы использовали южноафриканский телескоп MeerKAT для изучения PSR J0523-7125. Это позволило им зафиксировать ожидаемые периодические сигналы. Особенностью этих сигналов стало их необычная продолжительность. В отличие от большинства пульсаров, у которых импульс занимает лишь 1–5% периода, у PSR J0523-7125 этот показатель достигает 35%. Это можно представить не как серию коротких «пиков», а как протяжные «пи-и-и-и-и-и-ики». Возможно, именно поэтому стандартные методы не идентифицировали этот объект как пульсар.
Авторы надеются, ученые считают, что их подход откроет возможности для обнаружения большего числа экзотических пульсаров, даже за пределами нашей галактики.
Теперь мы более детально расскажем об этих необычных объектах.
Маленькие зеленые человечки
История открытия пульсаров поистине уникальна. Она представляет собой редкий случай, когда исследователи всерьез задумались о возможности обнаружения сигнала от внеземной цивилизации.
Радиоволны из далёких уголков Вселенной принимают радиотелескопы, принцип их работы схож с работой обычных радиоприёмников. Теоретически, можно подключить динамик вместо компьютера, который регистрирует данные, и попытаться услышать «музыку сфер». Однако на практике это обернется бессмысленным треском и шипением. За исключением пульсаров.
В июле 1967 года аспирантка Кембриджского университета Джоселин Белл работала с данными, полученными с радиотелескопа. Она обнаружила короткий радиосигнал, который повторялся с поразительной точностью каждые 1,337 секунды. Этот сигнал не был случайным шумом, а представлял собой четкое, регулярное повторение. Он напоминал тиканье гигантского метронома, расположенного где-то в космосе, — настолько точного, что его можно сравнить с атомными часами. Описать это как странное явление было бы значительным упрощением.
Изначально Энтони Хьюиш, научный руководитель Белл, интерпретировал эти сигналы как помехи, исходящие от какого-либо оборудования. Они очень походили на работу радиомаяка или локатора. Однако аспирантка убедила его в том, что загадочное тиканье имеет космическое происхождение. Несмотря на это, его регулярность казалась неестественной. Открыватели таинственного объекта дали ему обозначение LGM-1, что является аббревиатурой от «little green men» – «маленькие зеленые человечки».
Это была не шутка, и у исследователей не было времени для развлечений. На тот момент радиоастрономия как область знаний практически совпала по возрасту с началом научной деятельности Белла. Люди только начинали «прослушивать» космос с помощью радиоволн. И существовала вполне обоснованное предположение, что межзвездное пространство наполнено сигналами от внеземных цивилизаций. Неудивительно, что открытие пульсаров (которые стали называть космическими «маяками») вызвало сенсацию и волнение в научном сообществе.
Контакт отменяется
По словам антрополога Станислава Дробышевского, ключевым аспектом любого научного исследования является предельная дотошность. Если вы сформулируете интересную гипотезу, то коллеги с готовностью предоставят вам список из ста двадцать семь аргументов, объясняющих, почему ее преждевременно считать подтвержденной. Это, конечно, неприятно, но именно такой подход позволяет науке искать правду, избегая при этом необоснованных предположений.
Несмотря на привлекательность гипотезы об инопланетном происхождении, астрономы стремились найти естественное объяснение необычным характеристикам пульсаров. Очевидно, что регулярный радиосигнал должен быть результатом какого-то периодического явления в космосе, но что это за явление?
Вряд ли газовое облако, не имеющее четкой структуры, способно функционировать с точностью, присущей атомным часам. Такая высокая степень упорядоченности указывает на то, что речь идет о движении твердого тела. Но что это за движение? Вращение вокруг оси? Движение по орбите? Пульсации?
Период этого явления составлял всего около секунды. Независимо от природы космического маяка, его размеры оказывались чрезвычайно малыми. Если бы Земля, с её радиусом в 6400 километров, совершала оборот вокруг своей оси за одну секунду, скорость точки на экваторе превысила бы 40 тысяч километров в секунду, что составило бы 13% скорости света!
Природа пульсаров вскоре перестала быть тайной. Ученые уже располагали всеми необходимыми данными. Еще в 1934 году, всего через два года после открытия нейтрона, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки высказали предположение о том, что в результате взрывов сверхновых формируются нейтронные звезды. Кроме того, незадолго до открытия пульсаров Николай Кардашев и Франко Пачини показали, что нейтронные звезды должны характеризоваться быстрым вращением и сильным магнитным полем. Основываясь на этих представлениях, Томас Голд раскрыл природу пульсаров вскоре после их обнаружения, хотя и существовали альтернативные гипотезы.
Незабываемые крошки
Нейтронные звезды до определенного момента существовали лишь в теоретических моделях, не имея наблюдательных подтверждений. Открытие пульсаров впервые предоставило доказательства реального существования нейтронных звезд, а не только теоретических построений астрофизиков. За этот вклад Хьюиш был удостоен Нобелевской премии по физике 1974 года (Белл же почему-то не был отмечен.
Нейтронные звезды можно назвать своеобразным финальным этапом эволюции некоторых звезд. Рассмотрим этот процесс более детально.
Если бы не противодействие давлению, любая звезда коллапсировала бы под воздействием собственной гравитации. Ключевую роль в этом давлении играет не вещество, а излучение. Таким образом, звезду от гибели удерживают силы света — ее собственное излучение.
В течение всей своей жизни звезда теряет массу из-за звездного ветра и излучения. Однако до самого конца она сохраняет значительную массу. Когда термоядерная реакция прекращается, остаток звезды остается под воздействием собственной гравитации. Это не приводит к благоприятным последствиям для него.
Если масса звезды на момент ее образования превышала десять солнечных масс, ее коллапс приводит к эффектному зрелищу. Под действием гравитации внешние слои звезды, утратив поддержку от ядерных реакций, быстро оседают на массивное ядро и отскакивают от него, подобно мячу. Высвобождающаяся при этом энергия вызывает ослепительное свечение расширяющейся оболочки звезды, напоминающее вспышку целой галактики. Этот процесс получил название вспышка сверхновой.
Под действием гравитации ядро звезды стремительно сжимается. Возникающее давление оказывается настолько велико, что не выдерживают даже атомы. В центре небесного тела электроны соединяются с протонами, формируя однородную массу из нейтронов – вещество, плотность которого превышает плотность атомного ядра. Только после этого колоссальное давление останавливает дальнейшее сжатие.
Если масса ядра звезды превышает массу Солнца более чем в 2,7 раза, то даже давление нейтронного вещества оказывается недостаточным. В этом случае ядро угасшей звезды превращается в черную дыру. Однако это уже совсем другая тема, и сейчас мы рассматриваем нейтронные звезды.
Закон сохранения момента импульса гласит: если вращающееся тело уменьшает свой размер, его скорость вращения увеличивается. Этот принцип понятен, например, фигуристу, который прижимает руки к телу во время выполнения прыжка-тулупа.
Процесс сжатия ядра отработавшей звезды прекращается, когда плотность вещества достигает сотен миллионов тонн на кубический сантиметр. Это приводит к уменьшению его размеров до нескольких километров. В соответствии с законом сохранения момента импульса, скорость вращения увеличивается… приблизительно до одного оборота в секунду.
В автобиографии звезды можно представить главу под названием «Как я стала нейтронной». Это был сложный период в моей жизни, время, когда я потеряла почти все (и это неудивительно, учитывая такие потери массы! — Naked Science). Мне пришлось стать более сдержанным и действовать оперативнее. И больше меня не называют ласковым именем».
Упоминание о жесткости неслучайно, поскольку вещество нейтронных звезд, вероятно, является самым твердым и устойчивым во всей Вселенной. Именно эта характеристика позволяет небесному телу сохранять целостность при столь высокой скорости вращения.
Для изменения скорости вращения такого массивного объекта, масса которого составляет от 1,5 до 2,7 солнечных, требуется значительное усилие. В результате скорость его вращения остается практически неизменной. Поэтому пульсары являются очень надежными часами. Безусловно, их ход со временем замедляется, но очень медленно: менее чем на секунду за 100 миллионов лет. Это происходит по мере того, как энергия вращения пульсара расходуется на излучение.
Однако, Вселенная обладает склонностью к неожиданностям. Иногда ей подвластно преобразование обычной нейтронной звезды в необычный миллисекундный пульсар. Как следует из названия, такой объект совершает один оборот вокруг своей оси всего за несколько миллисекунд.
Механизм «раскрутки» до сих пор не изучен до конца. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что миллисекундные пульсары формируются из нейтронных звезд, находящихся в тесной двойной системе с обычными звездами. Близость к нейтронной звезде оказывает негативное влияние на «партнера». Сильная гравитация этого объекта буквально забирает вещество у другого светила. Вместе с аккрецирующейся материей нейтронной звезде передается и угловой момент, что приводит к увеличению скорости ее вращения. В целом, ситуация напоминает земную: кто быстрее вращается, тот получает больше ресурсов, но в мире нейтронных звезд причина и следствие меняются.
Миллисекундные пульсары представляют собой скорее исключение из общего правила. Обычно нейтронные звезды совершают оборот за секунду или приблизительно за это время.
Периодический процесс с очень стабильной частотой, приблизительно равной секунде, наверняка вызвал бы ассоциации с Джоселин Белл. Однако, как вращение нейтронной звезды может генерировать радиосигнал, да еще и такой мощный, чтобы его удалось зафиксировать на Земле?
Неземной магнетизм
Нейтронные звезды обладают еще одной особенностью, которая позволяет им претендовать на звание самых выдающихся объектов во Вселенной. Они являются самыми сильными магнитами. Магнитные поля пульсаров достигают миллиардов тесла. К примеру, самое мощное поле, созданное в ходе экспериментов (и то лишь на короткие промежутки времени), составляет «всего лишь» 2800 тесла.
Необычайно высокие значения возникают благодаря закону сохранения магнитного потока. Эти законы, действительно, оказывают значительное влияние, когда массивное ядро звезды сжимается до размеров всего в несколько километров. По мере уменьшения размеров небесного тела его магнитное поле становится более плотным, концентрированным. В результате формируется мощный магнит с поразительной силой.
Читатель, разбирающийся в физике, может спросить: магнитные поля возникают из-за электрических токов, но какие токи могут существовать в нейтронной звезде? Ведь нейтроны не имеют электрического заряда, значит, нечему течь!
В нейтронных звездах нейтроны присутствуют преимущественно в центральных слоях. Вблизи поверхности, где понижено давление, сохраняются и протоны, и электроны. По мнению теоретиков, именно движение протонов порождает в нейтронной звезде токи огромной величины. При этом протоны формируют пары, аналогично тому, как электроны в сверхпроводнике. Таким образом, нейтронную звезду можно представить как сверхпроводящий магнит, где токи обусловлены не электронами, а протонами.
По сути, вращающийся магнит является генератором. Вращение нейтронной звезды порождает сильное электрическое поле, которое извлекает заряженные частицы из её коры. Таким образом, даже при наличии колоссальной гравитации, пульсар окружен своеобразной атмосферой, состоящей из протонов и электронов.
Частицы, движущиеся в магнитном поле со скоростями, близкими к скорости света, генерируют широкий спектр излучения, охватывающий диапазон от гамма-квантов до радиоволн. Магнитное поле настолько мощное, что высокоэнергетичные гамма-кванты распадаются на электроны и позитроны, тем самым обогащая атмосферу пульсара. Таким образом, вещество возникает непосредственно из излучения!
В условиях экстремального магнитного поля и материи, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, происходят удивительные явления, кажущиеся невозможными. Подробное описание всех этих процессов выходит за рамки данного текста, поэтому тех, кто интересуется, рекомендуем обратиться к замечательной научно-популярной книге Б. Б. Кадомцева «На пульсаре».
Мы сосредоточимся на формировании периодического сигнала радиопульсара. Существуют также рентгеновские и гамма-пульсары – это нейтронные звезды с мощными магнитными полями, однако их механизмы излучения отличаются.
Зажечь маяк
Радиоизлучение пульсаров возникает благодаря электронам и позитронам, движущимся по спиралям вокруг линий магнитного поля. Этот процесс именуется синхротронное излучение.
Околосветовые скорости оказывают необычное воздействие на пространство. Частица испускает радиоволны во все стороны – с точки зрения самой частицы, или, как это любят говорить физики, в ее системе отсчета. Однако для наблюдателя, находящегося вне этой системы, например, для нас с вами, эти «все стороны» выглядят как сжатый конус. Таким образом, нейтронная звезда излучает тонкий радиолуч.
Пульсар совершает вращение вокруг своей оси, и вместе с ним вращается и излучаемый луч. Когда этот луч направлен на Землю, радиотелескоп регистрирует интенсивный всплеск излучения. Этот всплеск и представляет собой импульс пульсара. После этого луч смещается и возвращается на следующем обороте. Вот и получается: пик… пик… пик…
Если Земля действительно находится на траектории луча, то это лишь гипотеза. Существует вероятность, что луч проходит мимо нашей планеты, и в таком случае мы не обнаружим пульсар, даже если он расположен неподалеку.
Нейтронные звезды не сохраняют статус пульсара надолго. Энергия, излучаемая частицами в их атмосфере, истощается всего за несколько миллионов лет. Затем этот бывший источник света переходит в состояние радиомолчания. По мнению теоретиков, в нашей галактике находится около миллиарда нейтронных звезд, и, как уже упоминалось, пульсаров среди них – десятки или сотни тысяч. Таким образом, каждый пульсар является весьма редким явлением.
Нейтронные звезды и, в особенности, пульсары остаются объектами, которые еще предстоит полностью изучить. Например, в работе космических часов пульсаров иногда происходят необъяснимые сбои, приводящие к пропуску импульса. Причина этого явления до сих пор не ясна, ведь нейтронная звезда не может просто так пропустить один оборот. Кроме того, некоторые импульсы обладают чрезвычайно высокой интенсивностью, что привело к их классификации как гигантские. Происхождение этих явлений остается загадкой. Список вопросов, требующих ответов, можно продолжать и дальше. Они ждут своих исследователей.