Интервью с соседом Долгожданный пульсар помог в исследовании черной дыры в центре Галактики

Изображение центральной области нашей Галактики, полученное на космическом рентгеновском телескопе Чандра. В центре источник Стрелец A* — сверхмассивная черная дыра, на которую выпадает горячий межзвездный газ.

Недавно одна международная команда астрономов открыла, а вторая исследовала нейтронную звезду (пульсар), расположенную почти в самом центре нашей Галактики. От центральной сверхмассивной черной дыры (ЧД) ее отделяют лишь несколько световых лет. Это первая (и долгожданная!) известная нам нейтронная звезда в непосредственном окружении центра нашей звездной системы. Вполне вероятно, что она гравитационно связана с находящейся там сверхмассивной ЧД и движется вокруг последней по замкнутой орбите. Открытие такого объекта открывает большие возможности в изучении полей и вещества рядом с ЧД. Чем, собственно, поспешила воспользоваться еще одна группа астрономов, измерившая с помощью новооткрытой звезды величину галактического магнитного поля в ее окрестности. Впрочем, обо всем по порядку...

Мечты сбываются

Пульсар — это нейтронная звезда, очень маленький (всего в два десятка километров), но очень плотный (поскольку весит в полтора раза больше Солнца), а главное, очень быстро вращающийся шар. Один оборот вокруг своей оси такая звезда способна делать всего за несколько миллисекунд. При вращении звезда излучает не равномерно, а двумя узкими пучками, образованными ее сильнейшим магнитным полем.

Если такой пучок попадает в поле зрения наблюдателя на Земле, то нейтронная звезда представляется в виде пульсирующего объекта. Видимый период вспышек излучения при этом совпадает с периодом вращения, причем, что очень важно, с хорошей точностью. При этом период вращения пульсаров очень и очень стабилен. Строго говоря, он, конечно, изменяется со временем, но темпу ухода таких «часов» (то есть стабильности) позавидуют многие производители атомных стандартов времени на Земле.

Нейтронная звезда представляет собой конечный продукт эволюции звезд. Звезда состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры из электронов и ядер тяжелых элементов.

Импульсы, которые приходят от пульсара, несут большое количество информации о его окружении — нейтронная звезда выступает нерукотворным зондом просто отличного качества. Например, при известном движении такого «зонда» можно напрямую изучить структуру гравитационного и магнитного полей в окрестности звезды, свойства вещества, через которое пришлось пройти сигналу по пути к нам. Именно поэтому, астрофизики уже очень давно хотели найти такой пульсар в окрестности Стрельца А* — сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре нашей Галактики.

В апреле 2013 года мечты астрофизиков сбылись — им удалось обнаружить пульсар SGR J1745-2900. По части обращения вокруг своей оси этот пульсар считается медленным — он совершает один оборот за 3,76 секунды. При этом период удалось измерить очень точно уже его первооткрывателям — погрешность составила всего 200 наносекунд.

Стрелец А* был открыт в 1972 году. Тот факт, что он является сверхмассивной черной дырой массой свыше 4 миллионов солнечных, был установлен в 2002 году учеными из Института Макса Планка во главе с Райнером Шеделем. По уточненным данным, дыра располагается на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли.

Обнаружили пульсар в каком-то смысле случайно. Первоначально космическая обсерватория «Чандра» зафиксировала 29 апреля 2013 года мощную вспышку рентгеновского излучения в направлении, почти совпадающем с центром нашей Галактики. Далее обсерватория и спутник «Свифт» продолжили наблюдать за этой областью и вскоре убедились, что там присутствует точечный источник периодического излучения с периодом около четырех секунд.

Период и спектр его излучения, темп изменения периода (который тоже был измерен и составил 200 микросекунд в год), случаи ярких рентгеновских вспышек не оставляли другой возможности, кроме как утверждать, что мы видим молодую нейтронную звезду с особенно сильным магнитным полем.

Чуть позже в последовавших затем наблюдениях на нескольких больших радиотелескопах тот же объект был найден и в радиодиапазоне. Это позволило оценить расстояние до него, и полученная оценка вполне соответствовала его расположению в центре Галактики.

SGR J1745-2900 находится на расстоянии не более пяти световых лет (а скорее всего, даже меньшем) от центральной черной дыры. Причем с большой вероятностью пульсар гравитационно связан с черной дырой и обращается вокруг него по замкнутой орбите. Это, в принципе, делает возможными в будущем наблюдения затмений пульсара черной дырой, что было бы еще более долгожданным результатом. Но для этого должно очень повезти.

Первые результаты

Уже сейчас можно использовать обнаруженный объект для изучения того, что происходит рядом с нашей черной дырой, весящей, к слову, в четыре миллиона раз больше, чем Солнце. Первые важные результаты были опубликованы чуть меньше чем через месяц после появления статьи об открытии пульсара. Их суть в следующем: европейским и американским астрономам, работающим на нескольких радиотелескопах, удалось измерить галактическое магнитное поле рядом с этим пульсаром. И тем самым экспериментально подтвердить существующие теории, описывающие падение горячего межзвездного газа на черную дыру.

Замагниченная нейтронная звезда представляет собой своего рода «маяк»

Это оказалось возможным благодаря одному из свойств пульсаров: электромагнитные волны, которые они излучают, оказываются сильно поляризованными. То есть вектор электрического поля в них колеблется преимущественно в некой одной плоскости. Но ориентация этой плоскости (угол ее поворота вокруг луча зрения) зависит от того, на какой длине волны наблюдается пульсар, если при этом его окружает даже небольшое магнитное поле. (Здесь, конечно, имеется в виду межзвездное магнитное поле, а не поле самой нейтронной звезды, которое на порядки больше.) Этот эффект носит название эффекта Фарадея и позволяет, в принципе, измерять магнитные поля рядом с источниками поляризованного излучения.

Так, наблюдая пульсар в трех частотных диапазонах, авторы второй работы оценили магнитное поле рядом с J1745-2900 на уровне в несколько миллигаусс. Для сравнения, типичное межзвездное магнитное поле (вдалеке от центра Галактики) примерно в тысячу раз меньше. Что следует из полученного результата? Один весьма важный вывод.

Синхротронное (или магнитотормозное) излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями по траекториям, искривленным магнитным полем.

Измеренное поле — это поле, сопутствующее тому горячему газу, который постоянно падает (притягивается) на нашу центральную черную дыру и который обеспечивает часть ее активности. К примеру, особенности (вид спектра) излучения, приходящего из этой области, часть которого имеет синхротронную природу. Само излучение наблюдается довольно давно, но теория, его объясняющая, требует наличия существенных магнитных полей в близкой окрестности черной дыры, поскольку именно магнитное поле влияет на структуру потока горячего газа и, в результате, на темп его выпадения на ЧД. Это сложный физический процесс, описать который в деталях в рамках данного текста возможности нет. Но главное, что эта теория требовала экспериментальной проверки, которая невозможна без прямого измерения величины поля на расстоянии в 1-2 световых лет от черной дыры — как раз там, где находится открытый пульсар. Что, собственно, и было сделано.

Таким образом, в конечном итоге было дано экспериментальное подтверждение (одно из многих необходимых) нашей теории, описывающей процесс выпадения межзвездного газа на центральную черную дыру. Подобные процессы так или иначе работают вблизи всех черных дыр, в том числе тех, что находятся в других Галактиках. Но проверить непосредственно некоторые положения теории мы можем, только исследуя ближайший к нам подобный объект.

Изучение вновь открытого пульсара еще не закончено. Он движется в пространстве с достаточно большой скоростью, что, как надеются авторы последней работы, позволит как минимум сделать подобные замеры магнитных полей и в других точках той же окрестности черной дыры. Ну и кроме того, по существующим оценкам, таких нейтронных звезд вблизи центра Галактики должно быть не так уж и мало. Их видимое отсутствие немало беспокоило астрономов, но теперь, после открытия первой из них, есть основания надеяться, что будут обнаружены и другие.

Антон Бирюков