Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Первоначально многолучевой приемник разрабатывался для поиска тусклых галактик, идентифицируемых по характерной спектральной линии атомов водорода длиной 21 сантиметр. Именно на этой длине волны, соответствующей 1420 МГц и попадающей в микроволновую область спектра, излучение газа атомов водорода проникает сквозь облака пыли, непрозрачные для видимого света. Но астрономы быстро поняли, что многолучевой приемник благодаря сильно увеличенному полю зрения радиотелескопа можно использовать для поиска пульсаров.
Когда Джон Саркисян, руководящий на месте работой телескопа Parkes, показал мне многолучевой приемник, моей первой мыслью было: “Вот это да! Что за бочка!” В самом деле, будучи около метра в поперечнике и полтора метра в высоту, он выглядел как металлическая бочка, внутри которой помещается шестиугольная конструкция из тринадцати маленьких цилиндров. Это криостат, температура внутри которого во время работы составляет 20 кельвинов. Такая близкая к абсолютному нулю температура позволяетустранить шумы и повышает чувствительность прибора. Для сравнения: средняя температура пустого пространства между небесными телами порядка 2,73 кельвина (или -270,42 градуса Цельсия). Когда я приехала в обсерваторию Parkes, то увидела многолучевой приемник хранившимся в крошечном строении вблизи телескопа. Астрономы заменили его однолучевым приемником, поскольку Parkes тогда отслеживал покидающий Солнечную систему космический зонд “Вояджер-2”. Для наблюдения пульсаров его позднее вернули на место, подвесив высоко над центром антенны.
Один из разработчиков многолучевого приемника – опытный исследователь пульсаров астроном Эндрю Лайн. Я встретилась с ним в июле 2019 года в обсерватории Джодрелл-Бэнк, всего в часе езды от Манчестера. Был солнечный день, пятница, и астрономы устроили пикник прямо рядом с 76-метровым телескопом Lovell. Студенты, преподаватели и служащие сидели на асфальте рядом с возвышающимся над ними, залитым солнцем огромным телескопом. В сравнении с Parkes, где все, от диспетчерской башни до самой тарелки-отражателя, заставляет ностальгически вспомнить шестидесятые годы, Lovell выглядит гораздо современнее. Все телефоны пришлось перевести в “режим полета”. Как и рядом с Parkes, радиомолчание – непреложное правило, хотя выполнить его не так-то легко, учитывая близость к Манчестеру. Я последовала за Лайном в стоящее неподалеку здание, выглядящее как летний домик. Здесь рабочие кабинеты астрономов. За свою длинную карьеру Лайну удалось достичь многого, но, по его словам, в число результатов, которыми он гордится больше всего, входит его роль в создании многолучевого приемника и масштабный обзор Parkes.
“Мы сделали малошумящие усилители и часть оборудования криостата”, – рассказывает он, добавляя, что бэкенд [19] приемника Parkes на самом деле создан в обсерватории Джодрелл-Бэнк. Вскоре после того, как в 1999 году многолучевой приемник установили на телескопе Parkes, такой же, хоть и с четырьмя рупорными облучателями, был помещен и на телескоп Lovell. До появления многолучевого приемника у радиотелескопов обычно был всего один рупорный облучатель. Когда радиоволны от отдаленных объектов достигают параболической антенны, они, отражаясь, собираются в ее фокусе и попадают в рупорный облучатель. Один рупорный облучатель собирает сигналы, которые затем усиливаются в приемнике и преобразуются в электрический сигнал. При такой схеме каждый раз телескоп можно направлять только на один маленький участок неба, а значит, наблюдение больших участков требует больших затрат времени.
И тут на помощь приходит многолучевой приемник. Большее число рупорных облучателей позволяеттелескопу одновременно обследовать несколько соседних участков неба, и тем самым все небо можно охватить гораздо быстрее, чем при одном рупорном облучателе. Волны от каждого рупорного облучателя попадают в отдельный приемник, и каждая рупорная антенна имеет две поляризации. У многолучевого приемника Parkes тринадцать рупорных облучателей, а значит, всего получается двадцать шесть выходов. Так Parkes эффективно и дешево превратился в радиотелескоп с существенно большим отражателем. “Инициатива использовать приемник для наблюдения пульсаров принадлежит Эндрю Лайну. Он же одну за другой разработал системы аналоговых фильтров, позволяющих их отыскивать, – замечает Мэтью Бейлз, астроном из Технологического университета Суинберна. – Постепенно мы модифицировали наборы фильтров, которые для обзоров Вселенной с высоким временным разрешением должны были быть цифровыми”. Позднее именно эти обзоры позволили обнаружить большинство из первых тридцати FRB и убедить мир, что такие загадочные вспышки радиоизлучения реальны.
 
С 2004 года многолучевой приемник с семью рупорными облучателями есть как у телескопа Arecibo в Пуэрто-Рико, так и в Китае у нового гигантского сферического телескопа FAST с пятисотметровой апертурой и неподвижным основным отражателем. Он был построен CSIRO, и в настоящее время это самый большой криогенный приемник16.
  
Чуть глубже: Экзотический мир рентгеновских источников
 
Имеется странный подкласс необычно ярких астрономических объектов – аккрецирующих двойных систем, излучающих в рентгеновском диапазоне. Впервые их заметили в 2014 году, когда астрономы обнаружили пульсации, которые приняли за пульсации черной дыры в системе, классифицированной как сверхъяркий рентгеновский источник, или ULX (ultra-luminous x-ray source). Они были известны с 1980 года. Тогда астрономы впервые наблюдали чрезвычайно яркие точечные рентгеновские источники, излучение которых на всех длинах волн превышало излучение миллиона Солнц. Исследование таких пульсаций в 2014 году показало, что по крайней мере некоторые из них – нейтронные звезды. К настоящему времени мы знаем о шести [20] таких объектах17.
Ли Таунсенд, астроном из Кейптаунского университета, в первый раз заметил пульсации одного из этих странных “чудищ” в 2016 году, когда зафиксировал рентгеновскую вспышку такого источника. Объект, известный как массивная рентгеновская двойная система в Малом Магеллановом Облаке, Таунсенд изучал уже много лет. Его поведение соответствовало поведению обычной аккрецирующей двойной рентгеновской системы, и излучение было ожидаемым. Внезапно произошла мощная вспышка, в тысячу раз ярче, чем все, когда-либо виденные Таунсендом, что переводило объект в разряд ULX. “Это один из первых случаев, когда мы действительно увидели переход нормальной рентгеновской двойной системы в режим ULX, – рассказывает Таунсенд. – И это одно из немногих имеющихся свидетельств того, что рентгеновские двойные системы действительно могут быть связаны с ULX”.
По словам Таунсенда, он был ошеломлен мощностью аккреции, которая в десять-двадцать раз превышала предел Эддингтона, определяющий максимальную светимость в зависимости от массы звездного тела. “Даже сегодня остается загадкой, почему так произошло. Никто достоверно не знает, почему в подобных системах аккреция столь велика”, – добавляет он.
  
Чуть глубже: Хронометрирование пульсаров
 
Обычно всплески излучения одиночного пульсара настолько регулярны и так точно синхронизированы, что на протяжении десятилетий стабильность некоторых из них может соперничать с точностью атомных часов. Отдельные пульсации происходят через регулярные интервалы, складываясь в поразительно стабильный усредненный профиль пульсаций – характеристику, которую можно использовать, чтобы определить, когда всплеск достигнет Земли.
Но примерно в 10 % случаев, когда пульсар входит в двойную систему и движется вместе со своим компаньоном, возможны очень небольшие, но регулярные изменения моментов прихода импульсов пульсара в точку наблюдения. Хронометрирование (иногда еще говорят “тайминг”) – это метод отслеживания появления этих импульсов.