Причуда природы в кубе

Магнитар, прикидывающийся пульсаром, озадачил астрономов

Используя сразу несколько крупных радиотелескопов, расположенных на разных материках, удалось прояснить некоторые удивительные подробности, связанные с "жизнедеятельностью" уникального объекта, открытого в 2003 году рентгеновской обсерваторией NASA Rossi (в качестве транзиентного аномального рентгеновского пульсара) и получившего обозначение XTE J1810-197. Предполагается, что XTE J1810-197 представляет собой вращающуюся одиночную нейтронную звезду, которая обладает сверхмощным магнитным полем - так называемый магнитар (magnetar). Однако притом, что магнитары вообще представляют собой весьма малочисленный класс объектов, XTE J1810-197 и среди магнитаров оказался поистине уникальным, способным на такие фокусы, которых раньше ни у какого другого магнитара не наблюдалось. Странное поведение этого объекта может вынудить астрономов пересмотреть кое-какие теории, связанные с радиопульсарами (другой класс объектов, связанных с нейтронными звездами) и обещает принести с собой новое понимание физики самых экстремальных объектов нашей Галактики. 24 августа вышла соответствующая статья в научном журнале Nature (vol 442, pp 892-895), ее можно найти также и на arXiv.org.

Нейтронные звезды - это остатки массивных звезд, взорвавшихся в виде сверхновых. Их масса превышает массу нашего Солнца, но при этом они сжаты до диаметра порядка 20 километров и обладают плотностью, превышающей плотность атомного ядра (по сути, они такими сверхгигантскими атомными ядрами и являются). "Обычные" пульсары - это нейтронные звезды, испускающие в "режиме маяка" пучки радиоволн из районов своих магнитных полюсов. Если Земля попадает в такой вращающийся пучок радиоволн, то астрономы могут зафиксировать излучение от пульсара с помощью радиотелескопов. Начиная с открытия первого пульсара в 1967 году ученые смогли отыскать уже приблизительно 1700 подобных радиоисточников. Всем пульсарам свойственны очень сильные магнитные поля, однако около дюжины известных землянам нейтронных звезд обладают магнитными полями еще в 100-1000 раз более сильными, чем у типичных пульсаров. Это те самые магнитары, для наблюдателей проявляющиеся в качестве аномальных рентгеновских пульсаров (АРП, англоязычный термин - anomalous X-ray pulsars - AXPs) и источников мягких повторяющихся гамма-всплесков (МПГ, soft gamma repeaters - SGRs, обнаружены советскими учеными в самом конце 1970-х годов). "Магнитное поле магнитара моментально развернуло бы любой авианосец так, чтобы он указывал на север, подобно стрелке компаса, на которую воздействует магнитное поле нашей Земли", - поясняет Дэвид Хелфанд (David Helfand) из Колумбийского университета (Columbia University) в Нью-Йорке, принимавший участие в этих исследованиях. Ведь поле магнитара в тысячу триллионов (10¹⁵) раз превосходит земное (10¹⁴ гауссов в сравнении с земными 0,5 гаусса).

Магнитар, о котором идет речь, находится приблизительно в 10 тысячах световых лет от Земли в направлении на созвездие Стрельца (в этом созвездии расположен наш галактический центр, но до него еще "пилить и пилить" - он в 26 тысячах световых лет), и он регулярно испускает мощные радиоимпульсы точно так же, как и любой "порядочный" радиопульсар, у которого собственное магнитное поле несравненно слабее. Обычный же магнитар был бы виден лишь в рентгеновском диапазоне и только иногда мог бы проявлять себя как очень слабый источник в оптике и инфракрасных лучах.

"Никто прежде не регистрировал радиоимпульсов от магнитаров. Мы вообще думали, что магнитары на это неспособны, - пояснил руководитель американо-австралийской группы исследователей Фернандо Камило (Fernando Camilo) из Колумбийского университета. - Этот объект позволит нам узнать новые вещи о физике магнитаров, то, что мы никогда иначе не узнали бы".

О том, что XTE J1810-197 способен излучать радиоволны, стало известно в 2004 году (это показал Жюль Альперн (Jules Halpern) из Колумбийского университета и его коллеги, работавшие с радиотелескопом VLA (Very Large Array) в штате Нью-Мексико). Ну а в марте нынешнего года Камило и его сотрудники занялись детальным изучением этого радиоизлучения уже с помощью восточно-австралийского радиотелескопа Parkes, принадлежащего CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) - Общественной организации научных и прикладных исследований (позже к проекту присоединились радиотелескопы Robert C. Byrd Green Bank Telescope, Very Long Baseline Array (VLBA) и целый ряд других инструментов в Австралии, США и Европе). Сразу же удалось обнаружить удивительно мощные радиоимпульсы, следовавшие каждые 5,54 секунды, что соответствовало выявленному ранее периоду вращения нейтронной звезды (и таким образом было опровергнуто более раннее предположение, что радиоволны могло испускать облако частиц, выброшенных из нейтронной звезды во время рентгеновской вспышки). Однако XTE J1810-197 этим не ограничивается, он остается также мощнейшим излучателем на частотах до 140 ГГц, а это самая высокая частота, что когда-либо регистрировалась в случае радиопульсаров. Кроме того, в отличие от всех "нормальных" пульсаров, мощность радиоимпульсов от магнитара и их форма меняются изо дня в день. Эти вариации с большой вероятностью указывают на то, что магнитные поля, окружающие пульсар, также подвержены существенным изменениям. Ожидается, что в самое ближайшее время сила импульсов этого странного магнитара изменится на всех длинах волн, включая радиодиапазон (т.е. снизится до уровня, предшествовавшего 2003 году, правда, когда это случится, в точности еще неизвестно - может через шесть месяцев, а может быть спустя полстолетия).

"Для меня одной из самых потрясающих характеристик этого излучения является то, что его спектр имеет явное плато, - говорит Камило. - Это означает, что его яркость неизменна на всех наблюдаемых частотах от 350 мегагерц до 140 гигагерц. А типичный пульсар на наиболее высоких частотах излучал бы приблизительно в 15 тысяч раз слабее, чем на низких..." (В настоящее время это самая яркая нейтронная звезда из всех, известных астрономам.)

Наиболее авторитетной теорией, позволяющей описывать поведение аномальных источников рентгеновских лучей и рождение мягких повторяющихся гамма-всплесков, в настоящее время считается та, что создана в 1992 году канадцем Кристофером Томпсоном (Christopher Thompson) и американцем Робертом Дунканом (Robert Duncan). Эти теоретики связали вспышечную активность магнитаров с пересоединением магнитных силовых линий в их магнитосфере (так это рассматривалось первоначально) или внешней твердой коре, плавающей поверх сверхтекучего "слитка". Предполагается, что во внешних слоях нейтронных звезд нейтроны и протоны могут образовывать "нормальные" атомы (в квазизвездном центре они друг к другу прижаты чудовищным давлением столь радикально, что происходит "обобществление" электронных оболочек и ядер). Сверхмощное магнитное поле корежит (вытягивает) эти атомы на поверхности так, что они образуют своеобразные квазиполимерные нити, переплетающиеся друг с другом и образующие нечто вроде ковра, покрывающего всю поверхность магнитара (говорят также о пронизывающем эту субстанцию едином релятивистском фермиевском море электронов, ну а глубже "вздувшиеся" от нейтронов ядра образуют "ядерные спагетти" и "ядерную лазанью" - nuclear spaghetti and lasagna, - застывающую плотными ветвями и плитами). Возможно, именно спорадическая перестройка фрагментов с пересоединением "прицепленных" к ним магнитных силовых линий (как в плазме во время вспышек на Солнце) и приводит к мощным выбросам излучения. Альтернативная теория связывает активность "магнитаров" с наличием аккреционных дисков от полностью разрушенных компаньонов или же из материала, выброшенного в ходе взрывов. В своей работе Камило и его коллеги пишут, что их наблюдения исключают альтернативные аккреционные модели для AXPs.

"В любом случае, это открытие сближает редкостного "зверя" - магнитар - с гораздо более распространенными радиопульсарами и наверняка поможет навести нам некоторый порядок во всем этом "зоопарке" нейтронных звезд", - уверен доктор Камило.

Источники:

Supermagnetic Neutron Star Surprises Scientists, Forces Revision of Theories - NRAO - Press Releases

Parkes finds unexpected 'heartbeats' in star - Innovations-Report

Strange pulsing star puzzles astronomers - Space.Com

Transient pulsed radio emission from a magnetar - arXiv.org - astro-ph

Ссылки:

Что такое магнитары? - Сергей Попов

Небесные мерцания магнитов - Дмитрий Баюк

Открытие радиоизлучения от транзиентного аномального рентгеновского пульсара XTE J1810-197 - Обзоры препринтов astro-ph

Точное положение аномального рентгеновского пульсара XTE J1810-197 и его идентификация в ИК - Обзоры препринтов astro-ph

Нейтронный радиомаяк - "Популярная механика"

Ученые услышали "сердцебиение" звезды - СайберCекьюрити.Ру

Астрономы зафиксировали сильное сердцебиение магнетара - Zhelezyaka.com