Сергей Попов о загадочном магнитаре и Великом объединении нейтронных звезд
В физике «Великим объединением» называют пока не созданную теорию, которая объединила бы электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Дальше останется только «Теория всего», там добавится и четвертое взаимодействие — гравитация. В 2010 году Вики Каспи из университета МакГилла (Монреаль, Канада) ввела в обиход термин «Великое объединение нейтронных звезд». Что он обозначает?
Лет 15 назад астрономы начали с удивлением обнаруживать, что молодые нейтронные звезды могут наблюдаться как источники очень разных типов. Какие-то из них выглядят как обычные радиопульсары. Какие-то производят мощные гамма-вспышки. Некоторые обладают сильным рентгеновским излучением, хотя как радиопульсары не видны. Некоторые «сидят» в самых центрах остатков сверхновых и светят потому, что очень горячие. Целый зоопарк! Казалось, что по какой-то причине начальные свойства этих объектов очень разнятся. То есть с самого рождения нейтронную звезду ждет какая-то определенная судьба.
Однако несколько лет назад начали открывать еще более удивительные явления, показывающие, что судьба нейтронной звезды не столь однозначна. Например, оказалось, что нейтронные звезды с гамма-вспышками (их называют источниками повторяющихся мягких гамма-всплесков) и нейтронные звезды с аномально большой рентгеновской светимостью (аномальные рентгеновские пульсары) — «родственники». У многих аномальных пульсаров стали регистрировать вспышки, а у источников повторяющихся всплесков зарегистрировали высокую рентгеновскую светимость между вспышками. Теперь и те и другие относят к классу магнитаров — нейтронных звезд, чья активность связана с выделением энергии магнитного поля (или, можно сказать, энергии мощных электрических токов внутри звезды, которые это поле и создают). Дальше — больше. Хотя некоторые ученые уже поверили, что магнитары не проявляют себя как радиопульсары (и даже придумали теории для объяснения этого!), неожиданно было открыто пульсарное излучение и от аномальных рентгеновских пульсаров, и от источников повторяющихся гамма-всплесков. И это еще не все. Один из радиопульсаров неожиданно стал в несколько раз ярче в рентгеновском диапазоне, и от него пошли вспышки. Жил-был пульсар — стал магнитар!
Есть и другие примеры «кентавров» — источников, проявляющих свойства разных классов объектов. Это надо как-то объяснять. То есть, нужна какая-то объединяющая модель, которая смогла бы в рамках единой картины описать разные типы источников и объяснить превращения и сочетания свойств. Вот это и есть «Великое объединение нейтронных звезд».
У нейтронных звезд не так уж много параметров. И один из самых главных — магнитное поле. Он должен играть важную роль в Великом объединении. Поле может уменьшаться (с выделением энергии), расти или оставаться неизменным. Причем на разных стадиях жизни звезды поведение может быть различным. Одна из проблем связана с тем, что магнитное поле трудно измерить. Другая — с тем, что поле может иметь множество разных компонент.
Обычно магнитные поля нейтронных звезд не измеряют напрямую. Но их можно оценить. Если у нас есть одиночная нейтронная звезда, вокруг пустота, а звезда вращается, то, во-первых, она будет периодическим источником излучения, во-вторых, вращение будет замедляться (период растет). Вот по темпу изменения периода как раз можно прикинуть, чему равно магнитное поле. Именно так оценивают поля радиопульсаров. Они оказываются равными примерно 10 в 12 степени гаусс. Это в десятки тысяч миллиардов раз больше, чем на поверхности Земли или Солнца (вне пятен). Так же оцененные поля магнитаров еще в сотни раз больше. Но эта оценка касается лишь одной (хотя и самой главной) компоненты поля — дипольной. Это самое привычное для нас поле. Оно похоже на поле обычного магнита: два полюса и форма линий, напоминающая бабочку (или восьмерку, или знак бесконечности — кому что). Эта компонента поля слабее других спадает с расстоянием. Но вблизи поверхности объекта поле может выглядеть очень «кудряво». Например, на Земле есть магнитные аномалии, на Солнце — пятна, которые связаны с мощными магнитными полями. Измерить эти компоненты издалека гораздо труднее.
Единственный хороший способ точно измерить поля (любую компоненту) — это измерить его влияние на спектр объекта. Именно так, к примеру, измеряют поля звезд. Здесь астрономы достигли высокой точности, хотя речь идет о полях, скажем, в сотни гаусс. А вот сверхсильные поля нейтронных звезд удается измерить крайне редко. Это связано с особенностями их спектров. До недавнего времени хорошие измерения касались только нейтронных звезд, являющихся рентгеновскими источниками в тесных двойных системах. Но наши герои — совсем другие, это «герои-одиночки». И вот в августе астрономы отрапортовали о важном прорыве.
Чтобы построить точный рентгеновский спектр, нужно собрать много фотонов. Самый лучший агрегат для этого — европейский спутник XMM-Newton. Именно его использовала группа итальянских астрономов (Андреа Тиенго из университета Павии и его соавторы, статья с открытием опубликована в журнале Nature) для исследования одного из самых загадочных магнитаров, который астрономы обозначают SGR 0418+5729. Его тайна связана с магнитным полем. По замедлению периода вращения необычного магнитара удалось оценить его дипольное поле. Оно оказалось обычным, таким же как у радиопульсаров. Это странно — до этого все магнитары имели гигантские дипольные магнитные поля. Ученые подозревали, что дело тут в других компонентах поля, прижатых к поверхности — они должны быть большими. Но вот только измерить их очень сложно.
Детальный спектр, полученный с помощью XMM-Newton однозначно говорит о том, что вблизи поверхности магнитара SGR 0418+5729 поле очень сильное. И это очень точные данные! Удивительно, что самое точное измерение магнитного поля у одиночной нейтронной звезды впервые выполнено для столь странного объекта. Магнитар оказался магнитаром. Поле у поверхности в сотни, а может, и в тысячи раз выше, чем у обычных радиопульсаров. Почему же это так важно?
Это открытие вносит некоторую ясность в картину Великого объединения нейтронных звезд. Во-первых, подтверждено, что активность магнитаров связана с сильными полями в их коре. Это хорошая новость, так как были сомневающиеся. Некоторые ученые пытались объяснить магнитары без привлечения сильных полей и возлагали на SGR 0418+5729 некоторые надежды. Во-вторых, подтверждено, что активность нейтронных звезд может быть связана с недипольными компонентами магнитных полей, и более того, что эти компоненты могут в сотни раз превосходить дипольное поле!
Теперь важные аспекты единого сценария эволюции нейтронных звезд не выглядят столь умозрительными. Объекты исследования астрономов находятся очень далеко, и изучать их поэтому непросто. Тем более трудно строить теоретические модели. Тут легко навоображать себе какие-нибудь несуществующие свойства и стать жертвой собственных фантазий. К счастью, наблюдатели рано или поздно вносят ясность. Сейчас мы на шаг ближе к Великому объединению нейтронных звезд.