Некоторые пульсары выбрасываются из остатков сверхновых с превышением скорости в тысячу километров в секунду. Новое исследование предполагает, что причиной такого ускорения может быть весьма необычное явление – интенсивное направленное нейтринное циклотронное излучение.
Жизненный цикл массивных звёзд завершается мощными взрывами сверхновых. Когда в недрах звезды термоядерный синтез достигает стадии образования железа, дальнейшее слияние ядер прекращается, поскольку оно не приводит к выделению тепловой энергии, необходимой для поддержания давления, противодействующего гравитационному коллапсу.
В результате гравитационного коллапса железное ядро, сравнимое по размеру с Землей и превосходящее по массе Солнце, за короткий промежуток времени сжимается в сотни раз, формируя нейтронную звезду. Огромное количество энергии, высвобождающееся во время сжатия, вызывает взрыв, который выбрасывает внешние слои звезды – именно это мы видим как вспышку сверхновой.
Колебания звездного ядра, турбулентные потоки и магнитные поля, существующие в ядре звезды до взрыва, приводят к искажению сферической симметрии коллапса. Асимметрия сил, воздействующих на сжимающееся ядро, может привести к тому, что пульсар получит «пинок» ( pulsar kick) со скоростью от 200 до 500 километров в секунду и покинуть центр туманности, образовавшейся после взрыва сверхновой.
Предложено несколько гипотез, объясняющих данный выброс, однако ни одна из них не позволяет объяснить существование «сверхскоростных» пульсаров, обладающих еще более высокими скоростями отдачи – до полутора тысяч километров в секунду. Такая скорость, приблизительно равная 1/200 от скорости света, значительно превышает галактическую вторую космическую скорость (550 км/с для Млечного Пути). Следовательно, взрыв сверхновой может вытолкнуть пульсар за пределы галактики.
Астрономы под руководством Ли Чжэна, работающего в Синьдзянской астрономической обсерватории) изучили различные процессы в недрах нейтронных звезд и нашли среди них новый возможный механизм образования сверхскоростных пульсаров.
Этот механизм достаточно сложен, однако мы постараемся объяснить его, опираясь на более понятные читателю примеры. В его основе лежит излучение нейтронов, возникающее в результате циклотронного нейтринного излучения. Знакомые с физикой удивятся: разве циклотронное излучение испускают не только заряженные частицы, двигающиеся в магнитном поле? Здесь мы напомним, что такое классическое циклотронное излучение.
При движении заряженной частицы перпендикулярно магнитному полю происходит её отклонение силой Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и вызывает её постоянное отклонение в сторону, заставляя двигаться по спирали, «обвивающей» линию магнитного поля. Частица, подобно любому заряду, движущемуся с ускорением, в процессе этого испускает электромагнитные волны, частота которых соответствует периоду обращения вокруг линии поля.
Нейтринное циклотронное излучение имеет мало общего с классическим излучением, основываясь на теоретических представлениях электрослабого взаимодействия, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, движущиеся по кругу нейтроны способны излучать пары нейтрино и антинейтрино — элементарных частиц, отличающихся малым весом и высокой неуловимостью. Слабое взаимодействие лежит в основе многих процессов радиоактивного распада и превращений элементарных частиц, в которых часто задействованы нейтрино.
Подобно фотонам, генерируемым в процессе циклотронного излучения, нейтрино переносят угловой момент этого движения. В отличие от фотонов, нейтрино характеризуются наличием «внутреннего» углового момента — спином — именно в него передается угловой момент нейтронов. Они покидают систему не по касательной, подобно фотонам, а двигаются вдоль оси вращения. В результате этого процесса нейтроны, помимо потери скорости вращения, приобретают импульс, который заставляет их перемещаться вдоль оси вращения. Круговое движение трансформируется в спираль, напоминающую пружину.
Интенсивность процесса будет крайне низкой, если просто заставить нейтрон двигаться по круговой траектории. Однако, под воздействием колоссального давления, характерного для пульсарных недр, нейтроны переходят в сверхтекучее состояние (даже при температурах, достигающих сотен миллионов градусов). Эта жидкость, как единое целое, вращается вместе с пульсаром, совершая несколько оборотов в секунду. Вращение сверхтекучей жидкости представляет собой более сложный процесс, который состоит из наложения множества микроскопических квантовых вихрей, сопоставимые с явлениями, возникающими в сверхтекучем жидком гелии.
Каждый вихрь формируется из едва заметной нити обычной нейтронной жидкости, вокруг которой циркулирует сверхтекучая жидкость. Нейтроны, расположенные вблизи этих нитей, совершают во много раз больше оборотов в секунду по сравнению с общим вращением пульсара. Интенсивность циклотронного нейтринного излучения прямо пропорциональна восьмой степени угловой скорости вращения.
Сверхтекучесть нейтронов повышает интенсивность нейтринного излучения, и отдача от него оказывает ощутимое воздействие на пульсар, придавая ему импульс. По мере замедления вращения новорожденный пульсар набирает скорость благодаря нейтринному потоку, подобно работе ракетного двигателя. Полученная таким образом скорость суммируется с первоначальной, обусловленной асимметрией коллапса, и может достигать значительных величин, превышающих тысячу километров в секунду. Вектор движения, как правило, ориентирован вдоль оси вращения пульсара, что и было подтверждено астрономическими наблюдениями для пульсаров в созвездии Парусов и в Крабовидной туманности.
Исследователи подчеркивают универсальность механизма «нейтринной ракеты», который неизменно вызывает замедление вращения пульсаров, даже при отсутствии других факторов. Он определяет наименьшую скорость такого замедления, и чем медленнее вращается пульсар, тем сильнее он замедляется под воздействием этого механизма. Наблюдения подтверждают это: не было зафиксировано пульсаров с медленным вращением и медленным замедлением.
Куда исчезает угловой момент, если, как кажется при обычном наблюдении, пульсар замедляет вращение и ускоряет линейное движение, не взаимодействуя ни с чем?
Он не исчезает, а переходит в угловой момент нейтринного потока. Нейтрино распространяются по прямой, однако каждое из них обладает спином — микроскопическим угловым моментом, являющимся квантово-механическим свойством самой частицы. И все нейтрино, составляющие этот поток, ориентированы в одном направлении. В случае возможности поглощения этого потока каким-либо объектом, он начал бы вращаться в направлении, противоположном пульсару, с величиной, эквивалентной потере углового момента самим пульсаром. Однако нейтрино практически свободно проходят через материю, поэтому угловой момент потока продолжает свое путешествие по Вселенной вместе с ним.