Теоретики передбачили існування нейтронних зір (Neutron Star, NS) ще в тридцяті роки XX ст., але ніхто не очікував, що їх скоро відкриють, оскільки було зрозуміло, що побачити такий об’єкт нелегко. Нейтронні зорі мали бути дуже невеликими за розмірами і надзвичайно щільними тілами, у сотні разів меншими, ніж білі карлики — найкомпактніші з відомих тоді зір, які ледве вдавалося побачити в телескоп. Зменшення радіуса в сто разів означає, що площа поверхні випромінювання буде меншою в десять тисяч разів. Світність пропорційна площі джерела і температурі його поверхні в четвертому степені. У нейтронної зорі температура поверхні може сягати кількох мільйонів градусів (у гарячих білих карликів — лише десятків тисяч градусів). У такому разі максимум випромінюваної енергії нейтронних зір має припадати на рентгенівський діапазон, але й там їхня світність невелика. В оптичному діапазоні за температури в мільйон градусів випромінюється значно менша частка енергії, тому реєстрація нейтронної зорі в середині XX ст. здавалася цілком неможливою.
Частина карти неба в гамма-променях. Нижнє джерело — пульсар у Крабоподібній туманності, верхнє — Гемінга. Відстань між ними приблизно 15 градусів. Гемінга (назва походить від сузір’я Близнят (Gemini) і слова «гамма») — друге за яскравістю гамма-джерело на нашому небі. Джерело було відкрито в 1972 році і є, очевидно, найближчим до нас радіопульсаром (відстань до нього 157 пк, або 512 св. років), основний пучок радіовипромінювання якого не потрапляє на Землю. Випромінювання від цього об’єкта пульсує з періодом 237,1 мс.
Попри це, нейтронні зорі були виявлені наприкінці 60-х рр., причому майже одночасно у двох різних своїх іпостасях: як радіопульсари і як рентгенівські пульсари. Слово «пульсар» позначає характерну особливість двох груп об’єктів — вони випромінюють серії імпульсів з майже ідеальною періодичністю: перші в радіодіапазоні, другі — у рентгенівському. У решті об’єкти дуже сильно відрізняються. Усі рентгенівські пульсари входять до складу тісних подвійних систем, у яких другий компаньйон є нормальною зорею. (Зауважимо, що пульсуюче рентгенівське випромінювання спостерігають і від одиночних нейтронних зір. Але це вже інша історія, і тому під «рентгенівськими пульсарами» ми розумітимемо лише подвійні системи.) Висока світність таких пульсарів пояснюється акрецією на поверхню нейтронної зорі речовини, що надходить від її сусідки. У потужному гравітаційному полі нейтронної зорі речовина розганяється до дуже високої швидкості і після удару об її поверхню починає світитися в рентгенівському діапазоні. Через досить сильне ($\sim10^{12} Гс) магнітного поля NS речовина випадатиме на поверхню лише поблизу її магнітних полюсів, а обертання зорі призводить до спостережуваних пульсацій випромінювання.
Залишок наднової Кассіопея А (Cas A), що вибухнула близько 300 років тому. Фотографію отримано Космічною рентгенівською обсерваторією «Чандра». Різні кольори на цьому зображенні відповідають рентгенівським променям різних енергій: червоні — найм’якшим, білі — середнім, а сині — жорсткішим. Розмір оболонки дорівнює приблизно 10 світловим рокам, а відстань до залишку — 10 000 світлових років. У центрі залишку міститься точкове рентгенівське джерело. Цей об’єкт належить до описаного нами класу компактних рентгенівських джерел у залишках наднових, які не є радіопульсарами. Рентгенівське випромінювання від залишку Кассіопея А спостерігали давно, але це було випромінювання оболонки, а будь-яке інше джерело через низьку кутову роздільну здатність тривалий час не вдавалося виявити. Запуск супутника «Чандра» допоміг розв’язати цю проблему. Перед вами одне з перших зображень, отриманих «Чандрою». Невиразна біла цятка приблизно в центрі залишку — це і є загадковий компактний об’єкт. Його природа досі не зрозуміла. Це може бути молода нейтронна зоря, що остигає, або чорна діра, на яку відбувається акреція з внутрішніх частин оболонки.
Зображення побудовано за даними спостережень інструментом EGRET на борту Комптонівської космічної гамма-обсерваторії (CGRO).
Перші радіопульсари виявилися поодинокими об’єктами. Дещо пізніше стало зрозуміло, що невелика частина таких джерел — приблизно 1% — може входити до складу подвійних систем, але механізм випромінювання ніяк не пов’язаний із цим фактом, що ускладнює їх виявлення. Натомість за допомогою подвійних радіопульсарів можна вивчати дуже цікаві явища: вимірювати маси нейтронних зір, спостерігати їхню прецесію, перевіряти тонкі ефекти, передбачені загальною теорією відносності (наприклад, випромінювання гравітаційних хвиль). Надалі ми говоритимемо лише про поодинокі нейтронні зорі.
Фізичні процеси, що відбуваються на радіопульсарах, добре описані у статті Крісси Кувеліоту, Роберта Дункана, Крістофера Томпсона «Магнетари». Сьогодні кількість відкритих об’єктів уже перевищила півтори тисячі. Багато років найтиповішим радіопульсаром вважали джерело в Крабоподібній туманності. Ось його портрет: молода нейтронна зоря з періодом обертання 0,033 секунди й магнітним полем порядку $10^{12}$ Гс (для порівняння скажемо, що магнітне поле Землі становить приблизно 1 гаусс).
Пульсар народжується внаслідок вибуху масивної зорі — спалаху наднової. Перші 10–100 тисяч років свого життя нейтронна зоря перебуває всередині оболонки з речовини, викинутої під час вибуху, — залишку наднової, — або ж зовсім недалеко від цієї оболонки. Крабоподібна туманність якраз і є таким залишком, а пульсар розташований майже точно в його центрі.
Крива блиску Гемінги, згорнута з періодом її обертання. Період пульсацій цього об’єкта поступово збільшується, швидкість цих змін відповідає типовому для нейтронних зір магнітному полю $\sim 10^{12}$Гс.
Швидке обертання сильно намагніченого тіла породжує потоки заряджених частинок (пульсарний вітер), які забирають енергію. Унаслідок цього обертання пульсара поступово сповільнюється, а період пульсацій збільшується. Молоді NS проявляють себе як пульсари перші кілька мільйонів років, поки період їхнього обертання не досягне приблизно секунди (що сильніше магнітне поле, то довший критичний період). Потім вони припиняють випромінювати радіоімпульси.
Перша ознака того, що звичайні радіопульсари — це не все, чим нас можуть потішити одиночні NS, з’явилася приблизно 20 років тому, коли було відкрито так звані мілісекундні радіопульсари, які мають лише дві відмінності від звичайних, але які! По-перше, як випливає з назви, вони дуже швидко обертаються, їхні періоди становлять тисячні частки секунди. (Два найшвидші мілісекундні пульсари мають періоди близько 1,6 мс, тобто роблять понад 600 обертів за секунду.) По-друге, у них дуже слабке порівняно з іншими NS магнітне поле — близько $10^9$ Гс, через що мілісекундні пульсари дуже повільно гальмуються і дуже довго можуть зберігати здатність випромінювати радіоімпульси. Час активного існування цих об’єктів порівнянний із віком Всесвіту, але за іншими проявами вони схожі на своїх численніших звичайних побратимів. Причому слово «численніші» треба розуміти буквально: сьогодні відомо приблизно 50 мілісекундних пульсарів і понад 1500 звичайних. Слід зазначити, що звичайні пульсари живуть кілька мільйонів років, а мілісекундні — сотні мільйонів і мільярди, тобто виникнення мілісекундного пульсара — надзвичайно рідкісна подія.
Головна ж відмінність мілісекундних пульсарів від звичайних полягає в тому, як відбувається їхня еволюція. Мілісекундними пульсарами не народжуються, а стають: ми не спостерігаємо скільки-небудь значного народження нейтронних зір, що швидко обертаються і слабо намагнічені. За сучасними уявленнями, спочатку мілісекундні пульсари були звичайними нейтронними зорями, що входили до складу тісних маломасивних подвійних систем. В останній фразі важливе все. Система має бути тісною, щоб нормальний компонент подвійної системи заповнював свою порожнину Роша і відбувався процес акреції речовини. А її мала маса означає, що цей процес може тривати мільярди років. За цей час магнітне поле NS встигає ослабнути через омічні втрати в корі, а момент обертання, отриманий разом з акретованою речовиною, прискорює її осьове обертання до мілісекундних періодів. Нейтронна зоря може від самого початку входити до складу подвійної системи або народитися одиночною, а пізніше захопити нормальну зорю внаслідок близького прольоту (остання ситуація особливо характерна для кулястих зоряних скупчень).
За останні кілька років уявлення про те, якими можуть бути одиночні нейтронні зорі, почали змінюватися. По-перше, промінь радіопульсара може не потрапляти на Землю, і ми не зможемо спостерігати пульсуюче радіоджерело. Таку можливість обговорювали практично від моменту відкриття радіопульсарів, але виявити такі об’єкти вдалося лише за останні кілька років. По-друге, значна частка NS у молодості не проходить стадію радіопульсара або ж ця стадія виявляється дуже короткою. Причини різні. Близько 10% NS можуть бути магнетарами, яким присвячено попередню статтю. Крім того, деякі нейтронні зорі можуть народжуватися з повільним обертанням, недостатнім для появи радіопульсара. І, звісно, має існувати безліч згаслих радіопульсарів (приблизно в тисячу разів більше, ніж «працюючих»). Усі ці об’єкти, на відміну від пульсарів, слабо випромінюють у радіодіапазоні, тому для них було запропоновано термін «радіотихі нейтронні зорі».
Радіопульсарів, що випромінюють «повз нас», сьогодні відомо лише два. Перший із них — знаменита Гемінга — незвичайне джерело гамма-випромінювання в сузір’ї Лебедя. Другий, дуже схожий на нього об’єкт, було відкрито кілька років тому. Слабке періодично пульсуюче випромінювання об’єктів спостерігається в рентгенівському та гамма-діапазонах. Імовірно, діаграма напрямленості для жорсткого випромінювання у пульсарів ширша, ніж для радіовипромінювання. Довгий час не вдавалося зареєструвати радіовипромінювання від цих об’єктів. На частотах, які використовують для спостереження за більшістю звичайних радіопульсарів, Гемінгу виявити не вдалося, але кілька років тому на низькочастотному радіотелескопі в Пущині було зареєстровано періодичний радіосигнал від першого з джерел. Результат, однак, потребує незалежного підтвердження на інших інструментах. Дослідники вважають, що радіопульсарів, чиє світло не доходить до нас, має бути принаймні в 2–3 рази більше, ніж спостережуваних.
Область антицентру нашої Галактики в жорсткому рентгенівському діапазоні. Яскрава горизонтальна смуга в центрі — диск нашої Галактики. Видно чотири джерела, позначені стрілками.
Магнетари не випромінюють імпульсів у радіодіапазоні, і це ще одна їхня загадка. Якщо у формули сучасної теорії радіопульсарів підставити типові параметри магнетарів (аномальних рентгенівських пульсарів і м’яких повторних гамма-спалахів), які мають періоди обертання близько 10 с і магнітні поля порядку $10^{14}$ –$10^{15}$ Гс, то ми побачимо, що вони мають випромінювати радіоімпульси (тобто ще не мали б «згаснути»). Однак спостереження цього не підтверджують. Цю проблему ще не розв’язано, можливо, це ще один прояв «іншої фізики», яка діє за полів, що перевищують квантову межу.
Ідею про те, звідки можуть узятися нейтронні зорі, що обертаються дуже повільно і не здатні стати пульсарами, протягом кількох років розробляє Олександр Тутуков з Інституту астрономії РАН у Москві. Він вважає, що якщо масивна зоря, з якої згодом утвориться NS, була одиночною або входила до складу широкої подвійної системи, її ядро перед колапсом обертатиметься дуже повільно, а NS, що з неї утвориться, матиме період у кілька секунд, який є надто великим, щоб вона стала радіопульсаром. У тісній подвійній системі зоря і, отже, її ядро не можуть обертатися з періодом, що перевищує орбітальний, оскільки потужні припливні сили, які діють у тісних подвійних системах, дуже швидко синхронізують осьове та орбітальне обертання зір. З таких систем утворюватимуться радіопульсари, подібні до спостережуваного в Крабоподібній туманності. Але оскільки широких подвійних систем досить багато, то через стадію радіопульсара не проходитиме помітна частка молодих NS.
Однак найвагоміший доказ існування радіотихих нейтронних зір було отримано зі спостережень джерел у залишках наднових. Той факт, що туманність ще не розсіялася в космічному просторі, свідчить про невеликий час, що минув від моменту вибуху. У деяких залишках наднових рентгенівська апаратура, встановлена на космічних обсерваторіях, бачить точкові джерела випромінювання. Очевидно, дуже молоді й гарячі нейтронні зорі не є радіопульсарами. Річ у тім, що в залишку наднової ми можемо спостерігати не тільки вузький промінь пульсуючого випромінювання, а й випромінювання релятивістських частинок, що їх випускає пульсар, у магнітних полях, які заповнюють оболонку, скинуту під час вибуху наднової. Такі туманності називають плеріонами, спектр їхнього випромінювання сильно відрізняється від спектра, спостережуваного в інших туманностях. Наявність плеріона вважають доказом існування пульсара в залишку, навіть коли самого пульсара не видно, а відсутність свідчить про те, що радіопульсара немає, попри молодий вік нейтронної зорі.
Спостереження в рентгенівському діапазоні, насамперед на супутнику ROSAT, показали наявність популяції джерел (можливо, це кілька різних популяцій), які ототожнюють з одиночними радіотихими NS. Сьогодні відомо сім слабких джерел м’якого рентгенівського випромінювання, які, найімовірніше, є такими одиночними NS («чудова сімка»). Вони можуть випромінювати з двох причин — або це молоді NS, які не встигли охолонути після вибуху наднової, або це старі нейтронні зорі, обертання яких сповільнилося настільки, що на них почалася акреція міжзоряної речовини, значно слабша, ніж та, що відбувається в подвійних рентгенівських системах. Результати чисельного моделювання, проведеного авторами цієї статті (у співавторстві з італійськими вченими), вказують, що перше пояснення є більш імовірним.
Сьогодні картина еволюції NS уже не здається такою простою і ясною, як 10 років тому, коли пульсар у Крабоподібній туманності вважали «ідеальною молодою нейтронною зорею». Сьогодні вона радше нагадує клаптикову ковдру — відкрито кілька нових класів об’єктів, але лише кілька об’єктів кожного класу — надто мало для надійного аналізу. Цілісна картина поки що не склалася. Очевидно, для подальшого прогресу знадобляться спільні зусилля спостерігачів і теоретиків.
ПРО АВТОРІВ:
Прохоров Михайло Євгенович — доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник ДАІШ МДУ.
Попов Сергій Борисович — кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник ДАІШ МДУ, постдок Падуанського університету, Італія.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):