Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

В случае обычного одиночного пульсара излучение в радиочастотном диапазоне связано с вращением нейтронной звезды, тогда как рентгеновское и гамма-излучение магнетара обязано затуханию магнитного поля. Хотя механизм излучения магнетарами радиоволн еще не установлен окончательно, считается, что светимость в радиодиапазоне связана с вращением магнетара. Тем не менее должна быть какая-то связь между активностью коры магнетара, изменением магнитного поля и сбоями вращения звезды, которые проявляются в изменении радиоизлучения. Например, радиоволны, исходящие от первого магнетара, не удавалось обнаружить вплоть до 2003 года, но они появились примерно в то же время, что и рентгеновская вспышка. “Ясно одно: что бы ни произошло на поверхности и внутри звезды, что стало причиной рентгеновской вспышки, так или иначе оно же обусловило и радиоизлучение”, – говорит Камило. Но почему? Он продолжает: “На самом деле мы не знаем детали этого процесса. Привела ли вспышка к рентгеновскому излучению, став причиной образования множества заряженных частиц вблизи звезды, которые движутся вокруг нее вдоль силовых линий ранее существовавшего магнитного поля, или само магнитное поле перестраивается и сжимается – и каким-то образом сильнее ускоряет все имеющиеся заряженные частицы?”
Камило продолжал наблюдение этого магнетара в течение следующих двух лет, после чего вдруг обнаружил, что его радиоизлучение становится все слабее и слабее. “Жаль, что я не наблюдал этот магнетар раньше, в 2002 или в 2003, и в 2004, и в 2005 году. Неизвестно, что нам тогда удалось бы обнаружить. Может, он был еще ярче и еще интереснее, – говорит Камило. – Мы зарегистрировали пульсации только в 2006-м, когда прошло уже три или четыре года после рентгеновской вспышки”. Все это время рентгеновское излучение становилось все слабее, и когда Камило это понял, он заметил, что средний поток радиоизлучения тоже уменьшается.
Этот магнетар “умер” в 2008 году. Камило страшно расстроился, но надежду терять не хотелось: а что, если он внезапно вернется к жизни? Оставалось только ждать и прочесывать космос в поисках других излучающих радиоволны магнетаров. В июне 2007 года Камило обнаружил еще один магнетар, излучающий радиоволны вот уже более десяти лет. Еще два были затем открыты другой группой. В 2009 году при обзоре Млечного Пути с помощью телескопа Parkes обнаружили третий магнетар, находящийся достаточно близко к Земле – всего на расстоянии тридцати тысяч световых лет. Астрономы называют его PSR J1622-4950. Сначала считалось, что это простой пульсар, но затем стало понятно, что это медленный, продолжающий замедляться пульсар с периодом вращения, равным четырем секундам, а значит, как и магнетар, он обладает большим магнитным полем. Ученые пришли к выводу, что с ним связан подобный магнетару точечный источник рентгеновского излучения. В течение следующих нескольких лет этот источник наблюдали с помощью рентгеновского телескопа Chandra и действительно видели его в рентгеновском диапазоне. А затем, в 2014 году, он тоже умер… на три года.
Камило продолжал следить за первым радиомагнетаром еще несколько лет, проверяя его по нескольку минут примерно раз в месяц, но тот оставался мертвым. 26 апреля 2017 года Камило был уже в Южной Африке и работал на строящейся обсерватории MeerKAT. В то время обсерватория насчитывала всего шестнадцать отражателей, а по завершении строительства их стало шестьдесят четыре. Сообщение пришло на почту, когда Камило уже собирался уходить из своего кабинета, чтобы поехать в аэропорт Кейптауна, откуда он должен был лететь в Австралию. В сообщении содержался краткий отчет о результатах наблюдений магнетаров, которые по просьбе Камило вел его коллега с помощью телескопа Parkes. Он писал: “Да, Фернандо, первый магнетар все еще мертв. Второй магнетар делает свое дело – он по-прежнему яркий. И третий магнетар тоже светится очень ярко”. Камило подумал тогда: “Как же он может светиться, если он уже мертв!” Сначала Камило решил, что это ошибка, но понял: если это не так, значит, магнетар внезапно снова “включился”. Впопыхах, боясь пропустить свой рейс, он отправил коллеге ответ и попросил его продолжать следить за магнетаром. Однако тот ответил, что вскоре телескоп Parkes будет отключен на месяц, поскольку требуется замена части его электронной системы.
 
“И во время полета я не переставал думать об этом. Ну что за несчастье! – вспоминает Камило. – Источник в южной полусфере неба, и Parkes — единственный радиотелескоп в мире, который может справиться с такой задачей”. И вдруг его осенило: ведь он научный руководитель принципиально нового телескопа. Телескоп еще не полностью готов, но что с того? “Добравшись до Австралии, я отправил электронные письма некоторым моим коллегам в Южной Африке”, – говорит Камило. Они “как одержимые” с помощью четырех рентгеновских телескопов XMM, Chandra, Swift и NuSTAR проводили наблюдения этого магнетара по нескольку минут каждый день не только в радио-, но и в рентгеновском диапазоне. Теперь он светил несколько иначе, поскольку за время длительного бездействия его магнитное поле перестроилось. Но, по словам Камило, то, что этот магнетар вернулся, было поразительно.
Еще один магнетар, PSR J1745-2900, открыли в 2013 году. Он знаменит своим специфическим местоположением вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Открытие это шокировало: астрономы думали, что столь близко к галактическому центру на сравнительно низких радиочастотах они не смогут обнаружить даже пульсары. И не из-за того, что не слишком старались, – радиотелескопы более десяти лет обследовали эту область, но безрезультатно. Их главной целью всегда был поиск миллисекундных пульсаров, которые затем можно использовать как невероятно точные часы, двигающиеся по быстрым орбитам вокруг галактического центра, для проверки общей теории относительности. (Более подробно об их усилиях будет рассказано в главе 8.) Магнетар к миллисекундным пульсарам не относится: его период вращения составляет 3,76 секунды, а магнитное поле достигает 1014 гауссов.
Поскольку магнетары – большая редкость, они невероятно загадочны. Астрономы знают, что в течение нескольких тысяч лет эти источники рентгеновских лучей постепенно гаснут, но неясно, как после исчезновения рентгеновского излучения затухает магнитное поле. Возможно, существенное магнитное поле остается “вмороженным” в звезду и затухает мало. Вероятно, обнаружить радиоизлучение магнетаров, и без того нерегулярное, становится еще труднее. Поэтому до тех пор, пока магнетар не вернется к жизни, найти его очень сложно, если вообще возможно. “Поиск спорадического радиоизлучения – многообещающий способ найти дремлющие магнетары”, – говорит Томпсон. Поскольку в сравнении с рентгеновским излучением энергия радиоизлучения, которую можно обнаружить, очень мала, их открытие будет делом новых, более чувствительных радиотелескопов, таких как Square Kilometer Array (“антенная система площадью в квадратный километр”). Дремлющие магнетар ы определенно есть. Астрономы считают, что в такой галактике, как Млечный Путь, каждые тысячу лет рождается один магнетар. А поскольку в нашей Вселенной порядка двух триллионов галактик, в космосе “притаились” 2×1021 дремлющих магнетаров, дожидающихся того дня, когда они проснутся и будут замечены теми, кто наблюдает небо.
  
Чуть глубже: Многолучевой приемник
 
Более тысячи из известных пульсаров были открыты при самом большом на сегодняшний день многолучевом обзоре галактической плоскости радиотелескопом Parkes, где все еще на посту “старослужащая” – австралийская тарелка. Когда в 1997 году Parkes начал сканирование галактической плоскости, были известны только чуть больше семисот пульсаров, а всего год спустя, 5 ноября 1998 года, в копилку астрономов добавился тысячный пульсар. Это известие попало на первые страницы многих мировых газет. Обзор продолжался до марта 2000 года и возобновился в декабре 2001-го. Невероятный успех проекту обеспечил достаточно специальный прибор – многолучевой приемник, установленный в фокальной области тарелки Parkes в 1996 году. Этот приемник использовался и при обзоре промежуточных галактических широт, выполненном для Технологического университета Суинберна, и во многих других случаях. В общей сложности на счету Parkes более половины всех известных пульсаров, включая знаменитый и до сих пор уникальный двойной пульсар – единственную известную двойную систему из двух радиопульсаров, о которой упоминалось в главе 2. Многолучевой приемник нашел и самый первый быстрый радиовсплеск, или FRB (FastRadio Burst), так называемый “всплеск Лоримера”. Он входит в новый класс чрезвычайно мощных и коротких вспышек в глубоком космосе, происхождение которых до сих пор неизвестно (более подробно о FRB будет рассказано в главе 9).