Текст книги "Суперобъекты. Звезды размером с город"

Будущее звездной Вселенной

Что же ждет звездный мир в будущем? Сейчас процесс выглядит довольно стационарно. Звезды непрерывно формируются из межзвездной среды (в нашей Галактике образуется несколько звезд в год, а есть системы, где темп в десятки раз выше). В конце своей жизни они сбрасывают внешние слои. Делают они это или спокойно, или в результате взрыва сверхновой. В итоге что-то остается (белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра), но большая часть вещества попадает обратно в межзвездную среду и может войти в состав следующего поколения звезд. Однако если мы подумаем об очень далеком будущем Вселенной – речь идет не о миллионах или миллиардах, а о десятках или даже сотнях миллиардов лет, – то, конечно же, газ будет потихонечку истощаться. То есть спустя многие-многие годы новые звезды будут образовываться очень редко. Сейчас мы это уже видим в эллиптических галактиках – там очень мало плотного холодного газа, из которого легко могут образоваться новые светила, и поэтому все звезды уже очень старые.

Фотографии эллиптической и дисковой галактик. Эллиптическая галактика ESO 325-G004 входит в состав скопления Abell S0740 (вокруг видно много других галактик разных типов). А дисковая – известный объект каталога Мессье, М101. В эллиптической газ уже практически закончился и процесс звездообразования очень слаб. Ярких массивных звезд, дающих голубоватый свет, там практически нет. В дисковых галактиках газа еще много, и красивый спиральный узор образован в основном яркими молодыми массивными звездами, которые сформировались менее нескольких десятков миллионов лет назад.

В далеком будущем это ждет все галактики: новые поколения звезд не будут формироваться, и тогда лишь уже образовавшиеся легкие звезды будут потихоньку доживать свой век. Ведь массивные звезды живут не очень долго, они быстро взорвутся, превратятся в нейтронные звезды и черные дыры. А маломассивные звезды могут существовать десятки миллиардов лет, пока не пережгут весь свой водород и не дойдут до стадии красного гиганта, а потом – белого карлика.

В конце концов, если Вселенная будет вечно расширяться, то через сотни миллиардов лет она останется без звезд. Мир станет «безвидным и пустым»: из объектов звездных масс будут в нем лишь белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В более отдаленном будущем (которое и вообразить трудно) скорее всего, так или иначе начнут распадаться и они. Белые карлики и нейтронные звезды – из-за распада протонов. А черные дыры – из-за излучения Хокинга. Правда, и распад протонов, и хокинговское излучение пока остаются гипотезами, хотя и очень привлекательными.

К счастью, пока у нас есть и белые карлики, и черные дыры, и нейтронные звезды. Последние проявляют себя как источники очень разных типов.

II. Многообразие нейтронных звезд

Все хорошо в меру

Нейтронные звезды – самые интересные объекты во Вселенной. Это очень легко доказать. Возьмем любой объект. Например, ядро звезды. В принципе, при наличии неограниченных технических возможностей, можно любой достаточно массивный объект (начиная с красного карлика) превратить в нейтронную звезду, если его сильно сжать. В природе это происходит так: ядро звезды, довольно занимательный объект сам по себе, сжимается гравитацией. Источники энергии внутри исчерпываются, и ядро начало схлопываться – коллапсировать. Оно сжимается и становится все интереснее.

В физике, как правило, когда параметры достигают экстремальных значений, появляется что-то новое и примечательное. При существенном уплотнении вещество ведет себя не так, как при обычных значениях плотностей. Очень сильные магнитные поля меняют свойства вещества не так, как обычные магнитные поля. Количество переходит в качество. Так вот, представим, что мы сжимаем и сжимаем объект, и становится все интереснее и интереснее. Мы можем наблюдать крайне любопытные физические процессы, не встречающиеся в других условиях. Но если сжать его слишком сильно – получится черная дыра. То есть все исчезнет в этой черной дыре. Это уже не так увлекательно, потому что у черной дыры всего один основной параметр – масса. Кроме этого, черная дыра может вращаться, и это важно для описания пространства-времени в непосредственной близости от нее. Правда, эффект значителен лишь при экстремальном вращении, которое в природе у черных дыр достигается нечасто. Наконец, у дыры может существовать электрический заряд, но в реальности черные дыры почти всегда не заряжены, или заряд очень маленький, так как на заряженный объект быстро натекают заряды противоположного знака. Так что «пережав» и создав черную дыру, мы теряем часть интересной физики[7]7
  О физике черных дыр можно прочесть в книге Леонарда Сасскинда «Битва при черной дыре», изд-во «Питер» (2013).


[Закрыть].

Во всем нужна мера. Если остановиться вовремя, то из ядра звезды размером десятки тысяч километров получится шарик радиусом километров десять – двенадцать. Это размер крупного города. Там есть сверхплотное вещество, которого нет в земных лабораториях, сверхсильные магнитные поля, которые нельзя создать в лабораторных установках. У вас очень сильная гравитация на поверхности. Все с приставками «сверх-» и «супер-». И вы можете наблюдать это экзотическое физическое многообразие! То есть вы можете непосредственно изучать сверхплотное вещество, которое находится в сверхсильном гравитационном, магнитном, электрическом поле. И это суперинтересно!

Внутреннее строение нейтронной звезды. Выделяют две основные части: ядро и кору. Каждую из них, в свою очередь, также делят надвое. Во внутренней коре появляются свободные нейтроны в сверхтекучем состоянии. А поведение вещества во внутреннем ядре вообще остается загадкой.

Предсказание и открытие нейтронных звезд

Внутри у наших суперобъектов все тоже страшно интересно. Кроме сверхплотного вещества, там может быть сверхтекучесть протонов, нейтронов, разные экзотические состояния, новые элементарные частицы. Это чрезвычайно любопытные для исследователя объекты.

Нейтронные звезды (что нечасто бывает в астрономии) вначале предсказали. Произошло это еще в 30-е годы ХХ века. Началось все с работы Льва Ландау, написанной даже до открытия нейтронов. В статье было высказано предположение о существовании сверхплотных звездных конфигураций с плотностью порядка ядерной. Но ничего не говорилось о возможном происхождении таких звезд, о том, где и как их искать. Настоящее откровение случилось в 1934 году, когда Вальтер Бааде и Фриц Цвикки опубликовали коротенькую заметку, в которой сумели правильно предвидеть, что нейтронные звезды рождаются в результате вспышек сверхновых (а потому их можно обнаружить в остатках этих взрывов).

Однако несмотря на то, что это весьма интригующее предсказание, никто не бросился искать нейтронные звезды. Дело в том, что найти десятикилометровый шарик где-то, бог знает где (в далеком остатке сверхновой), очень трудно. В итоге обнаружили их случайно только в 1967 году (Бааде не дожил до этого момента, а Цвикки – да). Никто не смог догадаться, что, если у компактных объектов есть сверхсильные магнитные поля (которые предсказывались за несколько лет до открытия пульсаров в работах Виталия Гинзбурга и Леонида Озерного) и они быстро крутятся, то в результате должны формироваться строго периодические радиоимпульсы (это неудивительно, специалисты до сих пор спорят о природе механизма генерации радиоизлучения пульсаров). А именно такие радиоимпульсы и были открыты.

Сама по себе история открытия радиопульсаров весьма драматична. Она в деталях рассказана во множестве книг и статей. Напомним, что поскольку пульсарный сигнал выглядит искусственным – слишком уж точным и коротким был период, как будто работает радиомаяк или еще какое-то устройство, – то первая мысль была о том, что астрономы уловили послание внеземного разума. Первый источник даже назвали LGM-1, т. е. Little Green Men –1. Уже тогда инопланетян называли маленькими зелеными человечками. Источник впоследствии получил «нормальное» имя – PSR B1919+21, но его первое обозначение явственно свидетельствует о неординарности открытия.

Типичные сигналы радиопульсара. Импульсы приходят строго периодически, что связано с вращением нейтронной звезды. У обычных радиопульсаров интервал между пиками составляет примерно от 10 миллисекунд до 10 секунд.

В 1960-е годы внеземной разум был очень модной темой. Наверное, это было связано с тем, что человек как раз вышел в космос и казалось, что мы вот-вот полетим к звездам. Тогда были потрачены довольно большие ресурсы на поиски искусственных внеземных сигналов. Активно проводились и наблюдения, и обсуждения. Собирались крупные международные симпозиумы с участием ведущих ученых. Кстати, современный скептицизм ученых относительно всяких зеленых человечков оправдан тем, что ученые лет 10–15 очень серьезно исследовали эту проблему, но не нашли ничего хотя бы немного обнадеживающего. Показательно, что в начале программы по изучению внеземного разума назывались CETI–Communication with ExtraTerrestrial Intelligence. Но потом быстро поняли, что ни о каком контакте в ближайшее время речь не пойдет, и возник термин SETI – Search for ExtraTerrestrial Intelligence, сохранившийся до сих пор.

Осознав, что радиопульсары – это естественный феномен, надо было понять, какие же астрономические объекты могут вести себя таким образом. Ввиду наличия короткого стабильного периода было всего два кандидата: это или пульсации белых карликов, или вращение нейтронных звезд. Конечно, белые карлики тоже вращаются, а нейтронные звезды пульсируют, но периоды не подходят. Чтобы выбрать что-то одно, нужно было измерить, как период изменяется со временем. Ясно, что со временем и энергия вращения, и энергия пульсаций должны уменьшаться. Но в одном случае (при пульсациях) период будет тоже уменьшаться, а в другом расти.

Если мы рассмотрим вращение, то потери энергии должны приводить к его замедлению. То есть период потихоньку возрастает. Пульсации ведут себя не так. Возьмите упругий шарик и вертикально уроните его на гладкую твердую поверхность. Он будет прыгать, энергия будет теряться. Но вы услышите, что частота ударов все время растет: та, та, та-та, та-та-та. Это наглядно иллюстрирует, что при затухании пульсаций период должен становиться короче.

Радиоастрономы довольно быстро смогли обнаружить, что периоды радиопульсаров растут. Совсем чуть-чуть: чтобы период увеличился на секунду, обычно требуется несколько миллионов или даже десятков миллионов лет. Но этот рост однозначно позволял сказать, что мы имеем дело не с пульсациями белых карликов, а с вращением нейтронных звезд.

Именно энергия вращения в конечном счете превращается в радиоизлучение. И не только в него. В радиодиапазоне излучается ничтожная доля от полного энерговыделения. Если нейтронная звезда является радиопульсаром, то она излучает не только в радио-, но и во всех других диапазонах, просто не всегда это видно. Стабильность излучения пульсаров делает их источниками, полезными в народном хозяйстве. Во-первых, их можно использовать как эталон точного времени. А во-вторых, по ним можно ориентироваться. И здесь как раз лучше всего подходят радиопульсары, видимые в рентгеновском диапазоне.

Рентгеновские детекторы становятся все дешевле, компактнее и надежнее. Многие радиопульсары, видимые в рентгеновском диапазоне, представляют собой яркие стабильные источники. Их легко увидеть и трудно с чем-нибудь перепутать, так как благодаря пульсациям излучения с точно известным периодом они как бы несут индивидуальные метки. Сейчас и в России, и в Европе, и в США активно разрабатывают системы ориентации спутников по рентгеновским пульсарам. Это особенно важно для аппаратов, которые работают в автоматическом режиме вдали от Земли. Недаром и на известных пластинах с краткой информацией о человеке и нашей планете, установленных на аппаратах серии «Пионер» и «Вояджер», положение Земли было показано относительно радиопульсаров, чтобы братья по разуму могли при случае найти нас. Если спутник находится в Солнечной системе, но далеко от Земли, то довольно трудно с высокой точностью определить его расстояние от Солнца. Наблюдения миллисекундных пульсаров в рентгеновском диапазоне позволят сделать это с точностью в несколько сот метров без необходимости постоянной связи с Землей.

Итак, радиопульсары были открыты. За это дали Нобелевскую премию. Дали ее не тому человеку. Это тоже отдельная, довольно типичная, история: главный автор открытия – Джоселин Белл – остался без приза. Но важно, что нейтронные звезды наконец-то обнаружены и люди начали их изучать.

Радиопульсары и рентгеновские пульсары – старый зоопарк

С радиопульсарами астрономам повезло: у нейтронных звезд вдруг оказались своего рода «бубенчики». Выяснилось, что молодые нейтронные звезды – не просто 10-километровые горячие шарики, они вдобавок излучают мощные периодические радиоимпульсы. Но был и еще один сюрприз, правда, авторам его открытия не так повезло.

С Земли невозможно наблюдать рентгеновское излучение космических объектов: все поглощается атмосферой. Приборы надо запускать в космос. Астрономы смогли начать это делать в начале 1960-х, устанавливая детекторы еще не на специализированных спутниках, а на ракетах, полет которых продолжался совсем недолго. Однако Риккардо Джиаккони, Герберт Гурски и их коллеги обнаружили несколько рентгеновских источников. Одним из них был объект, получивший наименование Sco X-1. Sco – обозначение созвездия Скорпион, именно там находится источник. X указывает на то, что это рентгеновский источник, во многих странах рентгеновские лучи называют Х-лучами (как обозначал их и сам Вильгельм Рентген). Наконец цифра 1 говорит о том, что это первый обнаруженный рентгеновский источник в созвездии Скорпион.

Теперь мы знаем, что источник Sco X-1 – это тесная двойная система с нейтронной звездой. Вещество нормальной звезды перетекает на компактный объект, будучи захваченным его гравитацией. Этот процесс называется аккрецией. В результате падения вещества на нейтронную звезду выделяется много энергии. Поскольку газ разогревается до высокой температуры, мы видим яркий рентгеновский источник. Примерно такое понимание природы Sco X-1 возникло через несколько лет после открытия, еще до обнаружения радиопульсаров. Но не было решающего доказательства.

Профиль импульса рентгеновского пульсара. Для наглядности показано два периода излучения. Периоды рентгеновских пульсаров могут находиться в очень широком диапазоне: от миллисекунд до часов.

Ключевым аргументом мог бы стать период вращения нейтронной звезды. Текущее на нее вещество – это плазма. Она неохотно двигается поперек силовых линий магнитного поля. Поэтому вещество каналируется на магнитные полюса, нагревая небольшую площадь поверхности. Такие горячие пятна называют полярными шапками. Если шапка повернута к нам – мы видим большой поток излучения. А когда нейтронная звезда повернута к нам холодным боком – меньший. В результате излучение будет пульсирующим. Такие источники называют рентгеновскими пульсарами[8]8
  Иногда возникает путаница между аккрецирующими рентгеновскими пульсарами в двойных системах, пульсирующими тепловыми источниками в остатках сверхновых, аномальными рентгеновскими пульсарами и радиопульсарами, наблюдаемыми и в рентгеновском диапазоне. Это четыре разных типа объектов, чья светимость связана с разными источниками энергии: аккреция, запасы тепла, энергия магнитного поля и вращение соответственно. Но все они являются источниками пульсирующего рентгеновского излучения, и период пульсаций равен периоду оборота звезды вокруг своей оси. В этом параграфе мы говорим об аккрецирующих нейтронных звездах в двойных системах.


[Закрыть].

Если период пульсаций короткий – значит источник очень компактный и прочный (иначе вращение разорвало бы его). Кроме того, по свойствам излучения можно понять, что оно приходит от очень небольшого объекта. Все вместе это было бы доказательством того, что аккреция идет на нейтронную звезду. Но Sco X-1 не пульсирует. Рентгеновские пульсары были обнаружены уже после того, как открыли радиопульсары. Так что шанс обнаружить нейтронные звезды по их рентгеновскому излучению был упущен. Правда, за огромный вклад в развитие рентгеновской астрономии Риккардо Джиаккони получил свою Нобелевскую премию, но это было уже в 2002 году, когда Джиаккони исполнилось 70 лет.

Таким образом, к началу 1970-х сформировалась такая картина. Молодые нейтронные звезды видны как радиопульсары благодаря своему быстрому вращению и сильным магнитным полям. А более старые компактные объекты могут стать видны, если они входят в тесную двойную систему, когда начинается перетекание вещества с обычной звезды на нейтронную.

В старом зоопарке нейтронных звезд было два типа зверей: радиопульсары и аккрецирующие нейтронные звезды. И казалось, что других сюрпризов не будет. К счастью, реальность оказалась богатой на чудеса.

Магнитары, Великолепная семерка и все-все-все – новый зоопарк нейтронных звезд

Вначале казалось, что вырисовывается более или менее простая картина. Происходит вспышка сверхновой и рождается компактный объект. Действительно, внутри остатков сверхновых, внутри разлетающейся туманности, мы находим нейтронные звезды. У них сильные магнитные поля, в тысячи миллиардов раз больше, чем на Земле. У них быстрое вращение. Они могут рождаться с периодами 10–20 миллисекунд и даже меньше. Это очень-очень короткий период. Скорость вращения на экваторе приближается к скорости света. Такой вот нестандартный объект. Хотя в конце концов даже самые нестандартные могут оказаться типичными, если они все на одно лицо. Радиопульсары казались похожими друг на друга. А самым главным прототипом считался пульсар в Крабовидной туманности.

Нейтронная звезда с линиями магнитного поля. Вблизи поверхности поле может иметь более сложную структуру, но на больших расстояниях доминирует дипольная составляющая, образующая привычную картину силовых линий.

Этот пульсар был открыт в 1968 году. Его обозначение PSR B0531+21 (где числа – координаты на небе, а буква «B» говорит о том, что координаты соответствуют эпохе 1950 года). Он находится в туманности, на месте которой в 1054 году китайские астрономы наблюдали взрыв сверхновой. (В Европе 1054 год отмечен Великой схизмой – расколом между Римской и Византийской церквами. Странно, что никто не заметил вспышку и не связал ее с концом света.) Сейчас период вращения нейтронной звезды, наблюдаемой во всех диапазонах спектра, составляет 33 миллисекунды. Но при рождении период был менее 20 миллисекунд. Магнитное поле пульсара примерно в 10 тысяч миллиардов раз больше земного.

Но в последние 15–20 лет стали открывать необычные молодые нейтронные звезды, не похожие на пульсар в Крабе. Открыли нейтронные звезды с очень большими магнитными полями – с полями в тысячу раз больше, чем у обычных радиопульсаров. Открыли молодые нейтронные звезды и с маленькими магнитными полями – в тысячу раз меньше, чем у обычных радиопульсаров. Открыли звезды, которые очень медленно вращаются при рождении. Медленно означает, что период вращения равен не десяти миллисекундам, а, скажем, одной секунде. Одна секунда для нас – все равно быстро, но это в сто раз медленнее, чем вращаются другие. Есть загадочная нейтронная звезда в остатке сверхновой RCW103. Обнаружилось, что ее излучение меняется с периодом почти семь часов, правда, пока нет полной уверенности, что это именно период вращения компактного объекта (например, это может оказаться орбитальным периодом или еще чем-то). Получился целый большой зоопарк молодых нейтронных звезд с очень интересными свойствами.

Сейчас в дополнение к радиопульсарам, которых известно более 2000 штук, выделяют следующие классы молодых нейтронных звезд. Во-первых, источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Во-вторых, аномальные рентгеновские пульсары. Две эти группы источников объединяют в общий класс магнитаров, их общее число – примерно три десятка. В-третьих, радиотихие нейтронные звезды в солнечных окрестностях, называемые Великолепной семеркой. В-четвертых, центральные компактные объекты в остатках сверхновых, их известно около десятка. Они тоже радиотихие, как и Семерка, они испускают тепловое излучение, но они моложе, у них короче периоды вращения и меньше магнитные поля. Наконец, надо упомянуть так называемые вращающиеся радиотранзиенты (Rotating radio transients – RRATs). Это явно родственники радиопульсаров, демонстрирующие очень короткие радиоимпульсы. Однако природа импульсов неясна, и источники выделяют в отдельный класс.

Совершенно непонятно, почему они такие разные. Казалось бы, все должно быть примерно одинаково. Вроде бы существует единый универсальный процесс: схлопнулось ядро звезды, и образовалась нейтронная звезда. Массы примерно одинаковые, радиусы – тоже. А вот вращение, магнитные поля и скорости – разные. Поэтому и наблюдаются они как непохожие друг на друга источники. В наши дни это очень актуальная задача – объяснить, почему новорожденные нейтронные звезды выглядят такими непохожими и как они потом эволюционируют.

Астрономы обнаружили такой парадокс. Если взять разные типы молодых нейтронных звезд и определить темп рождения в каждой популяции, то суммарный темп рождения молодых компактных объектов получается больше темпа сверхновых с коллапсом ядра. Странный результат. Значит, что-то мы делаем не так. Конечно, можно предположить, что мы ошиблись сразу во всех темпах, причем в одну сторону и в несколько раз. Но это вряд ли. Значит, видимо, просто нельзя складывать скорости рождения разных нейтронных звезд. Может быть, не совсем правильно думать, что все они рождаются настолько разными и их линии жизни никогда не пересекаются. Ведь если, например, сложить темпы рождаемости разных групп населения на Земле – мальчиков, девочек, физиков, химиков, болельщиков «Спартака», болельщиков ЦСКА, то окажется, что суммарный темп больше, чем темп рождения людей. Человек может, к примеру, родиться одновременно мальчиком, получить физическое образование и болеть за «Спартак». А может родиться девочкой, химиком, болельщицей ЦСКА, а потом сменить пол, стать физиком и начать болеть за «Барселону». То есть произойдет очень интересная эволюция. Может быть, что-то подобное происходит и у нейтронных звезд. То есть существуют какие-то эволюционные связи между пульсарами и магнитарами, магнитарами и Великолепной семеркой, Великолепной семеркой и центральными компактными объектами и т. д.