Пульсар с самой маленькой орбитой

Прибор NICER, установленный на Международной космической станции, обнаружил звездную систему, в которой две звезды вращаются друг вокруг друга за 38 минут на расстоянии меньшем, чем от Земли до Луны. Разберемся в том, как происходило это открытие и какова физика процессов, обеспечившая появление столь необычного небесного тела.

В конце своего жизненного цикла звезда, которая достаточно массивна, чтобы взорваться, но недостаточно огромна, чтобы превратиться в черную дыру, оставляет после себя раскаленное сверхплотное ядро, в котором все настолько плотно упаковано, что электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны. Мы называем такие звезды нейтронными — сейчас их известно всего около трехсот, но это важнейшие природные лаборатории по изучению всех процессов с приставкой «сверх-»: сверхтекучести, сверхпроводимости, сверхвысоких температур и сверхсильных магнитных полей. Естественно, если какая-то из нейтронных звезд оказывается необычной, ее изучают еще более пристально.

Объект IGR J17062-6143 был обнаружен группой ученых под руководством Евгения Чуразова в 2007 году — космическая обсерватория Европейского Космического агентства INTEGRAL открыла целую россыпь новых интересных источников рентгеновского и гамма-излучения, в том числе и этот источник переменной светимости. Кстати, пугающе-абстрактные названия объектов обозначают всего лишь прибор, на котором было сделано открытие: в нашем случае IGR — это «ИНТЕГРАЛ», а дальше следуют приблизительные координаты: прямое восхождение 17º 6' 20" и склонение -61º 43′. Дальнейшие наблюдения с помощью орбитальных телескопов, работающих в жестком диапазоне электромагнитного спектра, таких как Swift, NuSTAR, Chandra и XMM-Newton, подтвердили, что обнаружен новый пульсар — то есть быстровращающаяся нейтронная звезда, с которой, как луч света из маяка, бьют два «прожектора» рентгеновского излучения.

Для того чтобы объяснить природу этого прожектора, необходимо сказать, что примерно половина звезд в Галактике являются двойными — они гравитационно связаны и вращаются друг вокруг друга. Звезды разных масс эволюционируют с разной скоростью, и когда одна звезда уже догорела и взорвалась, оставив после себя плотное ядро, которое мы называем нейтронной звездой, другая все еще может спокойно гореть. Если эти звезды не очень далеки друг от друга, то нейтронная звезда начнет перетягивать на себя часть внешней оболочки звезды-соседа. Это вещество, закручиваясь в плоский аккреционный диск, будет медленно приближаться к нейтронной звезде, постоянно нагреваясь за счет трения частиц друг о друга. Как мы уже говорили, у нейтронной звезды сильнейшие магнитные поля (в миллиарды раз сильнее земного). Эти поля не дадут веществу просто упасть на поверхность — они подхватывают его и несут вдоль магнитных линий, которые, как и на нашей планете, выходят из поверхности звезды на ее полюсах.

В итоге весь водород, гелий и прочие элементы, «украденные» у звезды-донора, путешествуют вблизи поверхности нейтронной звезды, будучи «вмороженными» в магнитные поля, пока не достигнут полюсов. Там вещество, наконец, на огромной скорости врезается в поверхность звезды, выделяя гигантскую энергию. Гигантскую настолько, что максимум излучения приходится не на инфракрасный, видимый или даже ультрафиолетовый диапазон спектра, а на рентгеновское и гамма-излучение. Именно эти выбросы и регистрируют космические обсерватории. Количество выделяемой на полюсах энергии почти не меняется во времени, но магнитный полюс не обязан совпадать с полюсом вращения (у Земли Южный магнитный полюс сейчас находится где-то в Канаде и дрейфует в сторону Сибири), поэтому по мере вращения нейтронной звезды мы то видим рентгеновское излучение, то нет. Период этого «мелькания», который, конечно же, совпадает с периодом вращения звезды, — это одна из важнейших характеристик пульсара.

Рентгеновский детектор NICER, который в 2017 году установили на внешней поверхности МКС, смог несколько месяцев наблюдать объект J1706 (даже ученые кривятся от большого числа цифр и предпочитают сокращать полные имена до таких прозвищ) и не только установил точную частоту вращения пульсара (163,6 оборота в секунду), но и заметил периодическое изменение времени прихода сигнала к нам. Сделал он это с помощью прибора, который каждый из нас использует по несколько раз в день, — к гамма-детектору подключен обыкновенный GPS-датчик, передающий ему сигналы точного времени. Учитывая, что пульсары — это одни из самых стабильных и постоянных объектов во Вселенной, которые предлагается в будущем использовать в качестве «опорных маяков» при путешествиях к другим звездам, такое вольное поведение его частоты обескураживает. Единственным научным объяснением будет движение пульсара по орбите вокруг другого объекта — тогда сигнал от пульсара в дальней точке орбиты будет идти к нам дольше, чем сигнал из ближней точки, что полностью укладывается в наблюдаемые сдвиги сигнала. Параметры смещения сигнала дали примерные характеристики второго объекта — это маломассивная звезда, которая находится очень недалеко от пульсара. Маломассивная настолько, что рассмотреть ее в телескоп и определить ее характеристики невозможно.

Выход предложила группа ученых под руководством Тода Строхмайера из центра космических полетов Годдарда NASA — они провели численное моделирование, подставляя все возможные параметры обеих звезд: орбиты, массы, расстояния, пока расчетные изменения сигналов пульсара не совпали с наблюдаемыми. Результат моделирования, несмотря на заложенную в модель сложную физику, которая учитывала, в том числе, поправки общей теории относительности, оказался крайне убедительным — все косвенные признаки указывали на очень узкий диапазон параметров, которые не противоречили результатам прошлых наблюдений этой «сладкой парочки». Масса пульсара оказалась достаточно стандартной, примерно 1,2–2 солнечных, масса звезды-донора — чуть меньше обычного, всего 6 тысячных солнечной, то есть это даже не полноценная звезда, внутри нее не идут термоядерные реакции, она слишком легкая для этого. Скорее всего, взрыв, который привел к появлению пульсара, сдул с нее внешний слой водорода, значительно уменьшив массу. Такие звезды называются белыми карликами, и их судьба — медленно остывать до конца жизни Вселенной.

Косвенным подтверждением этого стало дополнительное изучение пульсара — космическая обсерватория Swift регистрировала внезапные и непериодические выбросы гамма-излучения. Эти редкие вспышки в очень жесткой части спектра, которые длятся несколько минут, можно объяснить только быстрым (скорее даже взрывным) горением гелия на поверхности нейтронной звезды. Взяться там гелий может только с поверхности звезды-компаньона. Но подождите, ведь гелий образуется в ядрах звезд — для его появление нужны температура и давления, которых просто не может быть на поверхности! Значит, взрыв, который сдул верхний слой звезды, был таким мощным, что выкинул весь водород звезды в космическое пространство, обнажив гелиевое ядро. По современным представлениям, у обычной звезды примерно солнечной массы гелиевое ядро и должно составлять около 0,8 процента массы звезды. Количество вещества, которое перетекает с этого карлика на пульсар, тоже не очень велико по космическим меркам — 49 квадриллионов тонн гелия в год, однако этого вполне достаточно, чтобы он светил настолько ярко, что мы его заметили с расстояния в 240 тысяч световых лет.

Удивительный результат, который сразу заинтересовал ученых и который они опубликовали в журнале Astrophysical Journal Letters, — это очень короткий период обращения звезд друг вокруг друга, всего 38 минут. Вы еще не досмотрели свой любимый ситком, а две огромные звезды уже совершили полный круг по орбите. Орбите очень небольшой — всего 300 000 километров, то есть обе звезды спокойно вращались бы в пространстве между Луной и Землей. Это, должно быть, завораживающее зрелище. Однако, прежде чем перепостить эту новость у себя на стене со словами «как же красиво смотрелись бы на вечернем небе заходящее солнце, встающая луна и пульсар вместе с карликом», подумайте, хотели бы вы жить в окрестностях слепящей горы нейтронов размером с город, на которой периодически происходят катаклизмические «звездотрясения», а маленький белый карлик еще и подкармливает его своим веществом, провоцируя того выбрасывать из себя прожектор испепеляющего рентгеновского излучения, которое убивает все живое, чиркая по нашей планете 163,6 раза в секунду.