Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

В то время как наблюдения пульсаров велись уже несколько десятилетий, появились два новых метода измерения массы и радиуса – LIGO и новый прибор NICER, отправленный в 2017 году на Международную космическую станцию.
NICER и охота за горячими точками
Когда восьмилетняя Айрин впервые увидела фотографию с дюжиной людей в защитных костюмах и масках, в которых были вырезаны только узкие щелочки для глаз, она радостно рассмеялась: “Ниндзя!” Ее мама, астрофизик Анна Уоттс, говорит, что это одна из ее любимых фотографий, поскольку на ней изображены ее коллеги во время последнего этапа сборки лучшего из всех когда-либо сконструированных инструментов для изучения внутреннего строения нейтронных звезд. Я встретилась с Уоттс в ее офисе в Амстердамском университете по пути к LOFAR (телескопу, с которым мы встречались в главе 4). NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), прибор для изучения внутреннего строения нейтронных звезд, – это ящик массой 372 килограмма и размером с посудомоечную машину, вмещающий в себя рентгеновский телескоп. В июне 2017 года он совершил перелет на ракете Falcon 9 компании SpaceX на Международную космическую станцию. Астронавтам потребовалось два дня, чтобы с помощью робота-руки прикрепить его к станции.
Теперь, когда NICER заработал, ученые, в том числе Уоттс, наконец получили возможность с его помощью очень точно измерять и массу, и радиус любой (почти) нейтронной звезды. И 12 декабря 2019 года NICER выдал первые результаты – самые точные измерения массы и радиуса пульсара19.
Чтобы собрать этот прибор, НАСА потребовалось четыре года работы. Конструктивно NICER предназначен для изучения одиночных пульсаров, для чего внутрь него вставлена конструкция из пятидесяти шести детекторов рентгеновских фотонов, регистрирующих энергию и момент прихода фотонов. Большинство пульсаров излучает радиоволны, испускаемые частицами, которые ускоряются в магнитосфере, окружающей нейтронную звезду. Эти частицы должны вернуться на поверхность, чтобы звезда оставалась электрически нейтральной, так что эти частицы “обратного тока” предположительно ударяются о поверхность, разогревая полярные шапки звезды, что приводит к образованию светящихся областей – горячих точек, излучающих рентгеновские волны. Вот для чего предназначен NICER: вместо того чтобы регистрировать все рентгеновское излучение нейтронной звезды, он отслеживает точную форму импульсов рентгеновского излучения от горячих точек, которая зависит от массы и радиуса нейтронной звезды. Это как раз то, что Уоттс изучала еще до того, как NICER был сконструирован20.
Однажды в 2015 году Уоттс совершенно случайно оказалась в той лаборатории НАСА: она делала доклад в Массачусетском технологическом институте тогда же, когда конструкторы NICER проверяли детекторы. Она захотела взглянуть на технологические разработки и получила разрешение побродить по лаборатории. Детекторы невероятно хрупки, так что ей пришлось надевать защитный костюм, и она сильно нервничала, поскольку, как пошутила Уоттс, “была неуклюжей”. Через полтора года она получила по электронной почте письмо из НАСА: ее пригласили участвовать в работе команды. Она была бы счастлива присоединиться, но тогда еще не была уверена в том, что ее участие в работе принесет пользу.
Однако она все-таки присоединилась к команде. Неожиданно ее теоретическая работа по горячим точкам приобрела большую значимость. Ученые уже наблюдали горячие точки и с помощью рентгеновских детекторов предыдущих поколений, но до сих пор их наблюдение не становилось приоритетной задачей ни в одном из проектов.
Идея состояла в том, чтобы измерять то, как интенсивность рентгеновского излучения от определенной горячей точки меняется при вращении нейтронной звезды, когда эта горячая точка то появляется в поле зрения, то исчезает. Поскольку нейтронная звезда – очень плотный объект, согласно общей теории относительности, траектория фотонов, излучаемых горячими точками, будет искривляться.
 
Искривление будет таким сильным, что при вращении звезды свет от горячих точек, лежащих на ее поверхности, будет закручиваться вслед за ними, при этом искривляясь так, что NICER увидит эти точки даже тогда, когда они уже будут находиться на обратной стороне звезды. Прибор измеряет то, как интенсивность меняется со временем, и рисует зависимость. И тогда оказывается возможным точно предсказать, какую картину увидит наблюдатель для звезды с определенной массой, радиусом и скоростью вращения. “А мы в нашем случае решаем обратную задачу: по полученной картине делаем заключение о массе и радиусе звезды”, – говорит Уоттс.
Регистрация рентгеновского излучения – дело непростое, поэтому помимо поиска новых нейтронных звезд в задачи NICER входит также исследование известных миллисекундных радиопульсаров с целью зарегистрировать импульсы рентгеновского излучения от них. Если их масса уже была найдена раньше с помощью хронометрирования радиопульсаров, половина дела, считай, уже сделана.
Поскольку в определенные периоды в году Солнце на небе приближается к уже известным пульсарам, астрономам периодически приходится сталкиваться с помехами от фотонов, излучаемых Солнцем. “Нам фактически пришлось обрезать некоторые данные, чтобы убедиться, что мы используем только излучение, приходящее под определенными углами, дабы не допустить этого дополнительного зашумления солнечным светом”, – говорит Уоттс.
Тем не менее данные NICER по наблюдению нескольких ближайших миллисекундных пульсаров, похоже, согласуются с предыдущими измерениями их полного рентгеновского излучения, проведенными на других телескопах, что Уоттс считает обнадеживающим.
Масса пары наблюдаемых пульсаров, полученная из данных по хронометрированию их радиоимпульсов, превышала удвоенную массу Солнца. И для такой большой массы искривление света за счет гравитации настолько велико, что, если радиус пульсара мал, импульсы невозможно зарегистрировать. Таким образом, наблюдение пульсаций излучения позволяет установить нижний предел радиуса, то есть минимальный возможный радиус.
Результаты, опубликованные командой NICER 12 декабря 2019 года, хороши, но еще недостаточно точны для того, чтобы определить, какой именно вид плотной материи может находиться внутри ядра. Радиус оказывается прямо посередине между значениями, которые предсказывает ядерная физика, и существующими в астрофизике ограничениями, “так что теоретики могут пока дышать спокойно”, по словам Уоттс. Но, учитывая эту неопределенность и тот факт, что радиусы не соответствуют ни одному из предельных значений, оцененных учеными, пока по этим результатам они не могут сделать каких-либо определенных выводов о составе внутреннего ядра.
Эти результаты вполне могут измениться, когда команда NICER будет анализировать данные по следующим звездам. Тогда как с помощью NICER можно изучать только одиночные пульсары, будущие рентгеновские телескопы, такие как eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry, “с увеличенной точностью определения рентгеновских временных и поляриметрических характеристик”) и STROBE-X (Spectroscopic Time-Resolving Observatory for Broadband Energy X-rays, “спектроскопическая обсерватория с высоким временным разрешением для широкого рентгеновского диапазона”), позволят изучать и аккрецирующие пульсары. Там горячие точки возникают, когда материал от звезды-компаньона переносится на магнитные полюса пульсара, а также когда в “океанах” на поверхности нейтронной звезды происходят термоядерные взрывы. В то время как в одиночной нейтронной звезде кора – это ее внешний слой, в аккрецирующих звездах перенесенное с компаньона вещество наносится поверх коры и формирует внешний жидкий океан21.
Уже запланировано, что подобные детекторы нового поколения будут от десяти до двадцати раз больше предыдущих и будут запускаться в космос в течение следующего десятилетия. Уоттс ждет не дождется этого. Она говорит, что такой телескоп позволит ученым зарегистрировать резкие изменения внутри ядра – то, например, что происходит при таинственных фазовых переходах кварков (считается, что кварковая материя меняет свое состояние, подобно тому как вода меняет свое, превращаясь из жидкости в пар или лед). Однако оценить эти переходы кварков непросто из-за того, что природа сильного ядерного взаимодействия, которое связывает кварки друг с другом с помощью глюонов, понятна пока только приблизительно22.