Магнитное поле пробило пульсар

Канадские астрономы обнаружили уникальный объект, по своим свойствам оказавшийся промежуточным звеном между обычными молодыми пульсарами и магнетарами – удивительными объектами с мощнейшими магнитными полями, которых известно чуть более десятка.

Считается, что многие проявления магнетаров могут быть связаны с разрушением внешней коры нейтронной звезды из-за сверхсильных магнитных полей. Магнитные линии пронизывают эту кору и уходят в недра, и не исключено, что астрономические исследования магнетаров, расположенных на огромных расстояниях от Земли, равно как и понимание их связи с другими пульсарами, может помочь в исследованиях атомного ядра и поведения частиц в таких условиях, которые недостижимы для земных лабораторий.

Как пишут учёные в статье, принятой к публикации в журнале Science, объект PSR J1846-0258, считающийся самым молодым из всех известных пульсаров, как оказалось, время от времени показывает мощнейшие вспышки в рентгеновском диапазоне – явление, прежде бывшее характерным лишь для магнетаров.

«Прямо на наших глазах один из типов нейтронных звёзд превращается в другой, – говорит ведущий автор статьи, Фотис Гавриил, ныне работающий в Университете американского штата Мериленд и расположенном здесь же Космическом центре имени Годдарда американской Национальной аэрокосмической администрации NASA.

– Это то промежуточное звено между пульсарами различных типов, которое мы так долго искали».

Пульсары представляют собой сверхплотные остатки звёздной эволюции – ядра звёзд, которые, исчерпав энергию термоядерных реакций, были более не в силах противостоять гравитации и сколлапсировали в нейтронные звёзды, в которых давление тяготения сдерживает лишь давление вырожденного нейтронного газа. Эти объекты массой чуть больше солнечной, но размерами – около десятка километров, и их плотность больше плотности атомного ядра.

Пульсары быстро вращаются и обладают мощнейшими магнитными полями, сжатыми до чудовищной напряжённости в миллиарды и триллионы раз больше напряжённости магнитного поля Земли, составляющей около 1 гаусса. За счёт быстрого вращения и сильного магнитного поля пульсары излучают строго периодические импульсы, из-за которых они и получили своё название. Импульсы возникают, скорее всего, из-за «эффекта маяка» – коллимированный луч пульсара просто периодически освещает нашу планету.

Магнетары – ещё более удивительные объекты, которых к настоящему времени известно всего 12 штук.

Вращаются они в среднем медленнее, чем обычные активные пульсары, и считается, что именно они, также являясь нейтронными звёздами, обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, напряжённость которых достигает сотен триллионов земных. Они проявляют самые разные типы активности – повторяющиеся вспышки в мягком рентгеновском диапазоне, вспышки в гамма-диапазоне, а их рентгеновские пульсации сильно отличаются от пульсаций обычных пульсаров.

Вместе с тем, хотя магнитные поля магнетаров в среднем значительно сильнее, чем у обычных пульсаров, рекордсмены среди последних по этому значению не сильно уступают магнетарам – для астрофизики с её огромным диапазоном параметров разница на порядок не так уж и велика. Учёные считают, что магнетары и пульсары – родственные объекты, но какова их связь, до сих пор не установлено. Возможно, явление магнетара – эпизод жизни каждого пульсара с достаточно сильным магнитным полем, а возможно, появление магнетара вызывают какие-то внешние причины.

Астрономы из группы Виктории Каспи в Университете Макгилла в канадском Монреале обратили внимание на пульсар PSR J1846-0258, находящийся в нашей Галактике примерно в 20 тысячах световых лет от Земли по направлению к созвездию Орла.

По всем признакам, это очень молодой пульсар: частота его вращения, составляющая сейчас три оборота в секунду, быстро уменьшается за счёт энергии, которую любой вращающийся магнит теряет в виде электромагнитных волн. Экстраполируя закон её сокращения в прошлое, учёные получают оценку возраста чуть менее 900 лет. Кроме того, пульсар до сих пор не успел улететь от остатка сверхнового, его породившего – Kes 75, в самом центре которого он наблюдается.

Скорость торможения вращения позволяет также оценить и дипольную составляющую его магнитного поля, которое оценивается в 49 триллионов гаусс – это в сто триллионов раз больше средней напряжённости магнитного поля Земли. Импульсы этого пульсара наблюдаются лишь в рентгеновском диапазоне и отсутствуют в радио, но это может быть вызвано тем простым обстоятельством, что «луч радиомаяка» нашу область Галактики просто не освещает.

Просматривая архивные данные космического аппарата RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer), наблюдавшего соответствующую пульсару область неба в созвездии Орла летом 2006 года, астрономы заметили пять вспышек в рентгеновском диапазоне длительностью около 0,1 секунды. Четыре из них произошли за час наблюдений 31 мая 2006 года, ещё одна была зафиксирована в течение часа, пока аппарат наблюдал созвездие Орла 27 июля того же года.

Сами по себе эти вспышки могли быть вызваны любым объектом в пределах 1 градуса от PSR J1846-0258, поскольку пространственное разрешение RXTE очень невелико, однако учёные уверены, что речь шла именно о вспышке пульсара. Дело в том, что после всплесков резко увеличивалась интенсивность его импульсов, а в хронологии этих импульсов наблюдались явные аномалии; случайное совпадение слишком маловероятно. К своей нормальной светимости после вспышки пульсар возвращался около двух месяцев.

Сами вспышки также были впечатляющими.

На 1/10 секунды крохотный пульсар стал излучать в 100 тысяч раз интенсивнее, чем Солнце, а полная энергия события, которую он высветил за следующие два месяца, только в рентгеновском диапазоне впятеро превысила значение, которое Солнце излучает за год!

По словам другого соавтора работы, Мархорье Гонсалеса, который теперь работает в Университете канадской провинции Британская Колумбия, до сих пор считалось, что «молодые, быстро вращающиеся пульсары просто не обладают достаточной магнитной энергией для таких мощных вспышек. А здесь мы видим нормальный пульсар, который ведёт себя, как магнетар».

По мнению учёных, их работа означает, что магнетары не являются объектами, принципиально отличающимися от всех прочих типов нейтронных звёзд, несмотря на свои крайне необычные проявления. Скорее, нейтронные звёзды рождаются с совершенно различными значениями магнитного поля, и магнетары просто оказываются самыми мощными по этому показателю.

Что определяет магнитное поле при рождении, пока не выяснено. Магнитное поле пульсара с необходимостью гораздо больше, чем магнитное поле звезды, при разрушении которой пульсар образовался. Известно, что среди звёзд есть особенные объекты, обладающие необычно сильными магнитными полями – так называемые «магнитные звёзды», однако даже для таких, «обычных» звёзд происхождение магнитного поля остаётся неясным.

Происхождение магнитного поля нейтронных звёзд и его особенности ещё интереснее, поскольку состояние вещества в недрах этого объекта описывается очень сложной, и не до конца разработанной физикой.

Учёные до сих пор спорят, в каком состоянии находятся нейтроны в недрах нейтронных звёзд. Некоторые полагают, что нейтроны образуют сверхтекучую нейтронную жидкость, другие считают, что сверхтекучее состояние распространяется не на всю звезду, третьи вообще полагают, что вещество здесь находится в виде «жидкости» из свободных кварков. Судить довольно сложно, поскольку физическая теория, описывающая эти состояния, – квантовая хромодинамика – сама до конца не разработана.