Астрофизики смогли по данным телескопа NICER восстановить карту магнитного поля и расположение излучающих горячих пятен на поверхности пульсара PSR J0030+0451. Оказалось, что все яркие пятна объекта расположены у одного полюса, в то время как ожидалось обнаружить их на противоположных сторонах тела. Результаты позволили сделать самые точные на сегодняшний день измерения массы и радиуса нейтронной звезды, а также наложить новые ограничения на уравнение состояния. Семь статей по результатам наблюдений опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.
В конце эволюции крупные звезды взрываются в виде сверхновой. Считается, что в таком случае ядро звезды испытывает сильное сжатие и превращается в компактную нейтронную звезду или черную дыру, а также, в редких случаях, полностью уничтожается в процессе. Образующиеся в итоге нейтронные звезды обладают мощным магнитным полем и быстро вращаются, а сильные и неоднородные поля приводят к локализации излучения и формированию горячих пятен около магнитных полюсов. Если свечение такого пятна периодически пересекает луч зрения земного наблюдателя, то такой объект наблюдается как пульсар.
Простейшая модель пульсара предполагает, что магнитное поле такого тела обладает сильной дипольной составляющей, ось которой симметрична относительно оси вращения пульсара. В таком случае горячие пятна круглой формы на поверхности должны располагаться на противоположных полушариях на одинаковых расстояниях от полюсов.
Однако реальность может не соответствовать такой простой картине по множеству причин. Во-первых, любая нейтронная звезда — это релятивистский объект с экстремальной гравитацией, заметно искривляющий пространство-время вокруг себя. В результате для удаленного наблюдателя такой объект выглядит больше своего геометрического размера, причем в любой момент времени доступная наблюдению часть поверхности заметно превышает половину. Может даже возникнуть ситуация, в которой оба пятна постоянно видны, несмотря на вращение тела.
Вторая важная причина — в более сложной конфигурации магнитного поля в реальности. Из-за этого структура силовых линий может заметно отклоняться от простейшего дипольного случая, что скажется как на расположении пятен, так и на их форме.
В серии опубликованных работ астрофизики подробно исследовали пульсар J0030+0451: он расположен на расстоянии около 325 парсек от Земли и вращается с частотой 205 оборотов в секунду. На основе данных рентгеновского телескопа на борту МКС NICER две независимые группы ученых определили диаметр и массу объекта: у коллектива под руководством Томаса Райли (Thomas Riley) из Амстердамского университета получилось 25,4 километра и 1,3 солнечных масс, а у коллектива под руководством Коула Миллера (Cole Miller) из Мэрилендского Университета, — 26 и 1,4 соответственно.
Оценки расположения пятен у астрофизиков разошлись, но обе группы заключили, что, вопреки предсказаниям простейших моделей, у пульсара все пятна находятся около одного — южного — полюса, но у одной группы получилось два пятна, а у другой лучше всего соответствовала наблюдениям модель с тремя пятнами неодинаковой яркости. В первом случае получается небольшое круглое пятно и одно — крупное, вытянутое в форме полумесяца: они расположены симметрично относительно полюса на существенном расстоянии друг от друга. Во втором случае предполагается наличие дополнительного, третьего пятна — оно находится почти на самом полюсе.
Полученные результаты, таким образом, позволили сделать первые точные (не хуже 10 процентов) оценки радиуса и массы пульсара. Во-вторых, эта первая оценка массы именно одиночной, а не входящей в кратную систему с другими звездами нейтронной звезды. В-третьих, впервые удалось оценить расположение, форму и температуру горячих пятен на поверхности объекта, что позволяет восстановить структуру магнитного поля вблизи поверхности.
Ранее астрономы дополнили «Великолепную семерку» близких нейтронных звезд радиогромким пульсаром, нашли самую массивную нейтронную звезду и предложили использовать пульсары как детекторы гравитационных волн.
Тимур Кешелава