В мире звезд

От причудливого мира пульсаров...

Что ни месяц, научные журналы приносят очередную новость. Вот передо мной три недавних сообщения. Декабрь 2004: зарегистрирован сильнейший всплеск электромагнитного излучения от пульсара, находящегося в 12 тысячах световых лет от Солнца. Вспышка продолжалась всего 15 миллиардных долей секунды, но была на порядок мощнее всех ранее зарегистрированных. Январь 2005: экзотическая группа пульсаров обнаружена в одном из плотных звездных скоплений вблизи центра Млечного пути, в 28 тысячах световых лет от Солнца. Здесь найдено свыше 20 новых пульсаров, среди которых четыре относятся к числу самых быстро вращающихся, а два — к числу наиболее массивных из всех обнаруженных до сих пор. Февраль 2005: открыт новый быстро вращающийся пульсар, который может оказаться очередным источником для наблюдения гравитационных волн. И так далее.

То и дело натыкаясь на такого рода интри1ующие заголовки, невольно захочешь понять, что же такое эти пульсары, и почему они вращаются, и что за вспышки они излучают. В космосе есть много причудливых и странных объектов — чего стоят одни только «черные дыры»! — но пульсары, несомненно, являются едва ли не самыми фантастическими. Все их физические параметры поражают, точнее сказать — подавляют воображение. Плотность вещества — самая большая в звездной Вселенной. Притяжение на поверхности — в миллион раз сильнее, чем на Земле. Температура — в тысячу раз больше, чем на Солнце. Магнитное поле - в миллиарды раз больше земного. Скорость движения — самая большая из известных вообще. И тому подобное.

Само слово «пульсар» наводит на мысль о каких-то пульсациях. И действительно, главной особенностью пульсаров является их пульсирующее излучение. Радиоволны от всякого пульсара приходят к нам в виде очень короткого всплеска, потом на короткое время исчезают совсем и снова появляются — и все это со строгой регулярностью, с точностью до миллиардных долей секунды.

Астрономам и прежде были известны источники излучения, периодически меняющие яркость, — например, долгопериодические цефеиды. Оболочка этих звезд периодически сжимается и расширяется, и это меняет их яркость. Но у этих звезд, как говорит само их название, период пульсаций яркости довольно большой, порядка нескольких дней. У пульсаров же — очень маленький: десятые, сотые, а то и тысячные доли секунды. Обычная звезда, радиус которой составляет порядка миллиона километров, не может так быстро менять свои размеры. Значит, пульсар должен иметь очень небольшой радиус.

С другой стороны, «мигания» пульсара могут быть следствием не пульсаций его объема, а вращения звезды как целого—что-то наподобие маяка. Это, однако, накладывает дополнительное ограничение. Звезда, вращающаяся десятки раз в секунду, должна быть не только достаточно маленькой, но и достаточно плотной, иначе ее разорвут центробежные силы. Науке известно два класса звезд малого размера и высокой плотности — это белые карлики, образующиеся из обычных, не очень массивных звезд после выгорания в них термоядерного горючего, и так называемые нейтронные звезды, образующиеся из остатков очень массивных звезд после их превращения в сверхновую.

Первый пульсар был открыт в 1967 году радиоастрономом Энтони Хьюишем и его аспиранткой Джоселин Белл Барнелл. К тому времени, когда статья Хьюиша и Белл, содержавшая сообщение об этом открытии, появилась в журнале «Nature», авторы уже пришли к заключению, что «источником этих сигналов могут быть либо белые карлики, либо нейтронные звезды». Вскоре, однако, группа нашла еще один пульсар, на сей раз в центре Крабовидной туманности, который посылал целых 30 радиоимпульсов в секунду. Никакой белый карлик не мог бы уцелеть при такой скорости вращения, и это решило спор в пользу нейтронных звезд.

История пульсаров развивалась дальше, причем весьма бурно, о чем свидетельствуют открытые на сегодняшний день полторы тысячи таких звезд. Почти все они находятся в пределах нашей галактики Млечный путь, в нескольких тысячах или десятках тысяч световых лет от Солнца, и лишь 9 обнаружено в Магеллановых облаках (звездных скоплениях, которые являются спутниками Млечного пути); в других галактиках пульсары (пока) не найдены. Пульсары движутся в космическом пространстве с огромными скоростями, намного быстрее обычных звезд, и не случайно именно пульсару принадлежит рекорд среди всех измеренных звездных скоростей. 1200 километров в секунду — такова головокружительная скорость, с которой этот маленький гигант большого веса пересекает сейчас туманность Гитары, образованную в космическом газе его движением (и курьезно похожую по форме на гитару).

Начальный период быстрого вращения нейтронной звезды не может продолжаться очень долго. Но мир пульсаров причудлив, и в нем есть такой класс нейтронных звезд, которые время от времени не замедляют, а ускоряют свое вращение или сложным образом его меняют. Поскольку обычно пульсары, как уже сказано, «мигают» с величайшей регулярностью, точнее всяких электронных часов, то любые отклонения от такой регулярности легко заметить, разумеется, при наличии соответствующих методов наблюдения и приборов. Именно так был открыт новый класс пульсаров — так называемые «реставрированные».

Это странное название получили те старые пульсары, период вращения которых удлинился уже до нескольких секунд. Но затем они случайно оказались вблизи распухших перед смертью нормальных звезд. Попав в такую раздувшуюся газовую оболочку, старый пульсар благодаря своей массе начинает жадно притягивать звездный газ. Газ этот, под действием колоссальной силы тяжести пульсара, приобретает при падении на него огромную кинетическую энергию и передает ее пульсару, тем самым заново разгоняя и разгоняя его — порой до сотен оборотов в секунду. К настоящему времени обнаружено уже более ста таких «миллисекундных» пульсаров, и некоторые из них были пойманы, что называется, «на горячем» в буквальном смысле этого слова — в теснейшем соседстве с теми нормальными звездами, которые они доедают.

Миллисекундные пульсары подарили астрономам самые точные часы во Вселенной, а вот «бинарные пульсары» дали им возможность проверить эйнштейнову теорию гравитации. В этом очередном подклассе пульсаров было найдено два разных типа звезд, оба двойные и оба довольно редко встречающиеся. К первому типу относятся двойные звезды, в которых одним партнером является пульсар, а другим — бывший пульсар, то есть старая нейтронная звезда, уже переставшая быстро вращаться и энергично излучать. Второй, еще более редкий тип — двойная звезда, состоящая из двух активных пульсаров.

Первый бинарный пульсар был открыт в 1974 году астрономом Тэйлором и его аспирантом Хульсе. В этой звездной паре активный пульсар с периодом вращения 1/17 секунды обращался вокруг обычной, невращающейся нейтронной звезды. Близость двух нейтронных звезд-тяжеловесов создавала в пространстве между ними такое могучее гравитационное поле, в котором эффекты, предсказанные теорией Эйнштейна, должны были стать доступными измерению. В частности, можно было ожидать ощутимого замедления времени (отражающегося в изменении частоты излучения). искривления пространства и спирального сближения обеих звезд, которые при этом должны были терять «потенциальную» энергию, излучая ее в виде гравитационных волн. Хульсе и Тэйлор действительно обнаружили все эти эффекты теории Эйнштейна, за что по справедливости поделили Нобелевскую премию 1993 года.

А в начале 2004 года группа английского астронома Лайна открыла первую бинарную группу, состоящую из двух активных пульсаров, молодого, делающего 44 оборота в секунду, и старого, лениво поворачивающегося раз в 2,8 секунды. Эта пара все еще изучается, но уже установлено, что более быстрый пульсар излучает с какого-то небольшого участка своей поверхности мощный «ветер» заряженных частиц, который омывает медленный пульсар расходящимся конусом и искажает поле его излучения.

Все эти новые открытия позволили постепенно уточнить теорию строения и излучения пульсаров и шире — нейтронных звезд вообще, разработанную еще в семидесятые годы прошлого века. Причина излучения пульсаров оказалось самой трудной загадкой для теоретиков. Как показали расчеты, оно сильно искажается их огромными магнитными полями. Силовые линии магнитного поля охватывают испускаемые пульсаром мощные потоки заряженных частиц и электромагнитных волн (от радиоволн до рентгеновских лучей и гамма- излучения) и собирают их в узконаправленные пучки. Этот механизм до сих пор не вполне еще ясен, но очевидно, что в силу такого же, как на Земле, несовпадения оси магнитного поля и оси вращения эти направленные пучки излучения, испускаемого пульсаром, вращаются вместе с ним, как лучи маяка. Поэтому они улавливаются земными телескопами лишь в тот момент, когда поворачиваются точно в сторону Земли. Это происходит, разумеется, столько же раз в секунду, сколько раз в секунду поворачивается пульсар. Так возникают те «пульсации», благодаря которым пульсары и были обнаружены впервые.

Как уже сказано, на сегодняшний день число зарегистрированных пульсаров достигло полутора тысяч. Половина из них была обнаружена за первые 30 лет изучения, вторая — за последние 7 лет, когда австралийский 64- метровый радиотелескоп Паркс начал систематическую «охоту» за ними. Это количество позволяет уже сделать некоторые статистические обобщения.

Такая статистика показывает, что большинство пульсаров относится к классу «обычных», с периодами вращения от десятых и сотых долей секунды до секунды. Возраст этих пульсаров составляет от 1 до 10 миллионов лет. Меньшую часть пульсаров составляют «миллисекундные» («реставрированные») с возрастом порядка 1 — 10 миллиардов лет. Можно набросать и некий общий сценарий, историю жизни типичного пульсара. Первые 10 тысяч лет своей жизни, а то и больше, он проводит внутри расширяющейся оболочки бывшей сверхновой, подгоняя ее ураганными потоками излучения и заряженных частиц, которые непрерывно испускаются с его поверхности. После этого бурного «детства» наступает не менее бурная «зрелость», и пульсар переходит в класс обычных «радиопульсаров», постепенно замедляя, однако, свое вращение, пока, по истечении миллионов лет, оно не спадает до нескольких оборотов в секунду. Еще позже в своей жизни некоторые из этих старых медленных пульсаров переживают своего рода «вторую молодость» — по счастливой случайности попадают в «переработку» в топке умирающей звезды и, высасывая ее газ, возрождаются к жизни, превращаясь в сверхбыстрые «миллисекундные» пульсары.

Мир пульсаров поистине причудлив и богат неожиданностями. Время открытий в этой области далеко еще не закончилось. Так, в 1992 году у одного из пульсаров была открыта своя планетная система — две большие планеты размером с Юпитер и одна поменьше. Еще более сенсационным оказалось обнаружение в 1998 году совершенно нового класса пульсаров (и нейтронных звезд вообще) — так называемых «магнитаров».

...к громовым магнитарам

Настоящая сенсация должна быть подобна революционной идее — она должна овладевать массами и побуждать их к экстраординарным поступкам. Например, броситься к компьютеру и написать запрос ученому соседу (а все мы — соседи по интернету): «Не эта ли вспышка магнитара была причиной недавнего цунами в Юго- Восточной Азии?»

Еще вчера человек представления не имел, что на свете существуют какие-то там магнетары, никогда в жизни не слышал даже этого слова, а если бы услышал, то, скорее всего, опасливо сплюнул бы через левое плечо, за которым всегда находится нечистая сила. Но вот газеты принесли сенсацию: «Вспышка магнитара по ту сторону Млечного пути, достигшая Земли 27 декабря 2004 года, была такой мощной, что, произойди она поближе, наша атмосфера лишилась бы своего озона, а мы все — своих кредитных карточек» — и вот гражданин-налогоплательщик срывается с места и бросается к компьютеру с законным возмущением: «Как это, чтобы какой- то там магнитар размагнитил мою кредитную карточку?* Я жаловаться буду! Распустили, понимаешь!»

Успокоим читателя: к недавнему цунами упомянутый магнитар не имеет никакого отношения и нашим кредитным карточкам ничего не грозит, потому что активные магнитары в природе вообще весьма редки, их на сегодняшний день во всей нашей галактике обнаружено всего 11 штук, и за все время существования Земли, за все ее невообразимые четыре с половиной миллиарда лет ни один магнитар, судя по всему, вблизи нашей Солнечной системы не вспыхивал. Хотя, впрочем...

Давайте попробуем разобраться по порядку. Магнитары — это весьма экзотическая разновидность пульсаров, грубо говоря — это сверхнамагниченные (как указывает само их название), очень медленные и очень молодые пульсары. Однако мысль о существовании нейтронных звезд, одновременно и очень молодых, и очень медленно вращающихся, и сильно намагниченных, кажется противоречивой и, будучи впервые высказанной еще в 1987 году, встретила понятное недоверие ученых.

Мысль эта, однако, не была чисто спекулятивной. Ее породило странное событие, произошедшее 5 марта 1979 года, когда астрономические приборы зарегистрировали колоссальный поток гамма-излучения, продолжавшийся всего две десятые секунды, но по энергии равный всему излучению Солнца за 10000 лет. Астрономия знает подобные гамма- вспышки, но они обычно очень коротки и сразу же обрываются; в данном же случае налицо была загадочная особенность: после первого импульса вспышка продолжалась еще 200 секунд, и все это время демонстрировала отчетливые и регулярные пульсации с периодом в 8 секунд каждая.

Место вспышки совпадало с остатком сверхновой звезды в Большом Магеллановом облаке. И периодичность, и место вспышки говорили о пульсаре, причем о пульсаре старом, уже успевшем сильно затормозиться (молодые пульсары, как мы помним, совершают десятки оборотов в секунду), а между тем та сверхновая, на месте которой наблюдался этот пульсар, взорвалась сравнительно недавно — несколько тысяч лет тому назад. Обычным путем, то есть постепенным сбрасыванием вращательной энергии, пульсар так быстро затормозиться не мог, и поэтому возникла мысль, что его тормозит какое-то поле.

Мысль, может быть, и заглохла бы, но в 1986 году астрофизики, обсуждая свои новые открытия на конференции в Тулоне, во Франции, пришли к выводу, что есть явные признаки существования еще двух объектов такого же типа. Каждый испускал мягкие гамма-лучи и каждый испускал их в виде повторяющихся вспышек, то есть периодически. Все три звезды тут же получили понятное название SGR (soft gamma repeaters, или в свободном переводе «мягкие гамма-заики», потому что они как бы не могли выговорить свою вспышку сразу) и каталоговые обозначения: SGR 0526-66 (тот, что в Магеллановом облаке), SGR 1806-20 и (самый активный) SGR 1900-14.

Тогда-то два молодых теоретика, Роберт Дункан и Кристофер Томпсон, выступили с высказанной выше идеей, утверждая, что во всех трех случаях налицо какой-то новый тип пульсаров - пульсары сверхмагнитные, или магнитары, как они их назвали впоследствии. Именно колоссальное магнитное поле, заявили Дункан и Томпсон, играет роль того загадочного тормоза, который так стремительно превращает бешено вращавшийся нейтронный остаток сверхновой звезды в сверхмедленный пульсар. По расчетам Дункана и Томпсона, при достаточной массе исходной сверхновой звезды и очень быстром (до 1000 оборотов в секунду) начальном вращении ее нейтронного остатка, в нем может возникнуть и закрепиться магнитное поле, в 1000 раз большее, чем у обычного пульсара.

Вращение «нейтронной жидкости» в таком поле должно порождать сильнейшие токи, которые будут поддерживать это насыщенное энергией состояние крохотной звезды. Как объяснял Томпсон, «в магнитаре колоссальное магнитное поле скручено внутри звезды, точно чудовищно сжатая спираль. Стремясь развернуться, эта пружина время от времени взрывает твердую кору магнитара, и в этом „звездотрясении“ высвобождается огромная энергия, которая испускается в виде вспышки мягкого гамма-излучения. Благодаря встряске магнитное поле несколько перестраивается, скорость вращения магнитара резко спадает, но все равно остается очень большой, и потому спустя некоторое время этот процесс повторяется — снова и снова, пока магнитар окончательно не замедлится».

Дункан и Томпсон впервые опубликовали свою теорию в 1992 году, но, как уже сказано, были встречены с недоверием. Однако в мае 1998 года группа астронома Хриссы Кувельюту опубликовала данные длительных исследований звезды SGR 1806-20. Из этих данных неопровержимо следовало, что звезда представляет собой типичный молодой пульсар с атипично медленным вращением. По своим параметрам звезда походила на те магнитары, существование которых постулировали Дункан и Томпсон. Этот вывод был подкреплен произошедшей незадолго до того (в декабре 1997 года) гамма-вспышкой звезды SGR 1900-14. Группа Кувельюту исследовала и эту вспышку и установила, что ее источником является другой сверхмедленный пульсар. После открытий Кувельюту возможность существования магнитаров была признана всеми.

Все 11 таких звезд моложе 10 тысяч лет и все тормозятся своими магнитными полями так быстро, что еще через несколько тысяч лет перейдут в разряд «мертвых» магнитаров, больше не испускающих гамма-вспышек и вообще не подающих никаких видимых признаков жизни. Поскольку срок активной жизни магнитаров очень короток, заметить их, понятно, удается редко, но мертвых магнитаров, как полагают астрономы, должно существовать огромное множество. Некоторые энтузиасты думают даже, что именно магнитар — это типичный результат взрыва сверхновой, а обычные пульсары с их в тысячу раз более слабыми магнитными полями — просто случайные «мутанты». Как говорит Дункан, «вполне возможно, что большинство нейтронных звезд составляют магнитары, а не радиопульсары». Тем более интересно присмотреться к особенностям этих звезд.

Все магнитары имеют периоды обращения между 5 и 12 секундами (напомним — у пульсаров эти периоды составляют десятые или сотые, а то и тысячные доли секунды). Все они обладают гигантскими магнитными полями, которые так резко замедляют вращение молодых магнитаров, что периоды их вращения за считанные столетия спадают с нескольких миллисекунд до нескольких секунд. После этого короткого промежутка активности все магнитары превращаются в слабо нагретые, очень медленно вращающиеся объекты, похожие на те, что астрономы раньше называли «тусклыми нейтронными звездами».

По многим своим свойствам (большой период вращения, повторяющиеся выбросы мягкого гамма-излучения) они близки к другому, тоже немногочисленному классу нейтронных звезд — так называемым аномальным рентгеновским пульсарам, которые медленно пульсируют в рентгеновской части спектра; большинство специалистов считают, что это — разновидность магнитаров с чуть более слабым магнитным полем. С другой стороны, некоторые специалисты склонны думать, что те чудовищные вспышки жесткого гамма-излучения, которые время от времени приходят из самых разных участков неба (и которые до сих пор считались последствиями взрывов сверхновых звезд), тоже порождены какими-то магнитарами, только наоборот — сверхсильными. И тут мы возвращаемся к тому, с чего начали, — к сенсации декабря 2004 года.

Если стремиться к строгости, то эту сенсацию следует отнести к февралю 2005 года, потому что именно тогда ученые, проверив и проанализировав показания своих приборов, сообщили журналистам (а журналисты — всему человечеству), что почти два месяца назад, 27 декабря минувшего года, что называется — под самый звон бокалов, Землю тряханула самая мощная за все времена вспышка гамма-излучения, которая пришла с другого конца нашей галактики, продолжалась доли секунды, равнялась по своей энергии всему, что испускает наше Солнце в течение 100 тысяч лет (!), и прослежена по обратной траектории к звезде SGR 1806-20 — той самой, исследование которой за 7 лет до того впервые убедило ученых в существовании магнитаров.

Если бы вспышка такой же мощности была не в гамма-области электромагнитного спектра, а в видимой человеческому глазу, нам показалось бы, что на небе внезапно, на какие-то доли секунды, появилась еще одна полная луна. А если бы вспышка такой мощности произошла не на расстоянии 50 тысяч световых лет, а «рядом» — на расстоянии, скажем, в 10 световых лет, — она немедленно разрушила бы весь озоновый слой над Землей, что неминуемо привело бы к массовому вымиранию животных (так что, возможно, какие-то прежние биологические катастрофы, вроде внезапной гибели динозавров, были вызваны именно такой близкой гамма-вспышкой).

И наконец, если бы такой магнитар даже в спокойном состоянии проходил мимо Земли, поспешили добавить журналисты, он размагнитил бы все наши кредитные карточки. Но поскольку, как мы уже знаем, никакие из перечисленных «если» не произошли, то рекордная вспышка, достигнув верхних, ионизированных слоев атмосферы, произвела там некоторое временное возбуждение, похожее на то, какое производит в земной ионосфере очередной сильный выброс заряженных частиц с Солнца. Хотя и меньше по последствиям — наша ионосфера слегка вспухла, как от удара, но «синяк» этот вскорости прошел без следа.

Громовой магнитар на другом краю Млечного пути разъяренно метнул свою молнию в пространство, но нашего берега достигло лишь слабое покачивание эфира, и мы, в нашей уютной планетной лодочке, да еще под радостный рев новогодней толпы, его даже и не заметили. Счастливое стечение обстоятельств, сказал бы пессимист, ведь в следующий раз может и не пронести. Оптимист же наверняка ответил бы, что магнитаров на свете не так уж много, живут они недолго, сверхновые звезды, из которых могли бы появиться новые магнитары, в наших провинциальных окрестностях, вообще говоря, не водятся, так что авось на наш век пронесет.

Скептик же, присутствуй он при этом споре, скорее всего, процедил бы, что все это пустое, никто там, на том другом краю галактики не был, никто живых магнитаров-пульсаров не видел, так что вполне возможно, что все на самом деле обстоит совершенно иначе — например, сидят на том краю на самом деле маленькие зеленые человечки и азартно итрают в какие-нибудь свои шашки. А у нас тут гремит и полыхает. И кредитные карточки чуть не размагничиваются...

ЛАБОРАТОРИЯ ЧЕЛОВЕКА

Олег Грибков