Velikoe ob'edinenie neitronnyh zvezd12.04.2015 18:47 | S. B. Popov/GAISh, Moskva
Sovremennaya astronomiya eto v osnovnom astrofizika, to est' chast' fiziki. No daleko ne vse nebesnye ob'ekty okazyvayutsya odinakovo interesny fizikam. Fizikam vazhno, chtoby v ob'ektah proishodilo chto-to, prolivayushee svet na vazhnye nereshennye problemy , luchshe chto-to chto oni ne mogut vosproizvesti v laboratoriyah na Zemle. Neitronnye zvezdy, vidimo, yavlyayutsya samym interesnym fizicheskim ob'ektom. Eto dovol'no legko poyasnit'.
Chem ekstremal'nee sostoyanie veshestva, tem bolee interesnymi fizicheskimi zakonami ono opisyvaetsya. My mozhem vzyat' kakoi-to kusok veshestva, naprimer, gaz. Nachat' ego szhimat'. Chem bol'she budet davlenie, temperatura v nem, tem interesnee fizika, kotoraya opisyvaet etot sgustok gaza. My szhimaem ego, gravitaciya nachinaet opisyvat'sya v ramkah Obshei teorii otnositel'nosti. Stanovyatsya vazhnymi kvantovye yavleniya. Esli my sozhmem etot kusok slishkom sil'no, obrazuetsya chernaya dyra. Chast' svoistv budet uteryana. Chast' interesnoi fiziki budet uteryana.
Neitronnye zvezdy eto samye kompaktnye iz izvestnyh ob'ektov. Oni odnovremenno opisyvayutsya Obshei teoriei otnositel'nosti, kvantovoi elektrodinamikoi, kvantovoi hromodinamikoi. Ved' eto makroskopicheskie ob'ekty, gde veshestvo szhato do ochen' vysokoi plotnosti. Plotnost' veshestva v centre neitronnoi zvezdy ochen' velika, ona raz v desyat' prevoshodit yadernuyu. My ne mozhem poluchat' takoe veshestvo v zemnyh laboratoriyah, i vidimo, eshe ochen' dolgo ne nauchimsya eto delat'. Poetomu, esli my hotim izuchat' fiziku ekstremal'nogo sostoyaniya veshestva, nam nuzhno obrashat'sya k takim estestvennym laboratoriyam kak neitronnye zvezdy.
No, okazyvaetsya, chto, nesmotrya na to chto vse neitronnye zvezdy po masse i radiusu ochen' pohozhi drug na druga. po svoim nablyudatel'nym proyavleniyam oni mogut vyglyadet' kak istochniki sovershenno raznoi prirody.
Predstav'te. Krutit'sya v kosmose 10-ti kilometrovyi sharik, i vdrug na doli sekundy on stanovit'sya yarche, chem celaya galaktika. Eto vspyshka magnitara - vspyshka na molodoi neitronnoi zvezde. Drugie zhe neitronnye zvezdy vyglyadyat kak desyatikilometrovye shariki, razve chto goryachie, s temperaturoi pod million gradusov, no nikakoi vzryvnoi aktivnost'yu oni ne vydelyayutsya. Kakie-to neitronnye zvezdy uzhe ostyli, no my nablyudaem ih blagodarya radioimpul'sam, svyazannym s ih sil'nym magnitnym polem i bystrym vrasheniem.
Pochemu zhe neitronnye zvezdy vyglyadyat takimi raznymi? My ne znaem. V svoei rabote my pytaemsya opisat' raznye tipy molodyh neitronnyh zvezd v ramkah edinoi modeli - postroit' teoriyu Velikogo ob'edineniya neitronnyh zvezd.
V fizike "Velikim ob'edineniem" nazyvayut poka ne sozdannuyu teoriyu, kotoraya ob'edinila by elektro-magnitnoe, slaboe i sil'noe yadernoe vzaimodeistviya. Dal'she ostanetsya tol'ko "Teoriya vsego", kotoraya vklyuchila by i gravitaciyu. V 2010 godu Viki Kaspi iz universiteta MakGilla (Monreal', Kanada) vvela v obihod termin "Velikoe ob'edinenie neitronnyh zvezd". Chto on oboznachaet?
Primerno 15-20 let nazad astronomy nachali s udivleniem obnaruzhivat', chto molodye neitronnye zvezdy mogut nablyudat'sya kak istochniki ochen' raznyh tipov. Kakie-to iz nih nablyudayutsya kak obychnye radiopul'sary. Kakie-to proizvodyat moshnye gamma-vspyshki. Nekotorye obladayut sil'nym rentgenovskim izlucheniem, hotya kak radiopul'sary ne vidny. Nekotorye sidyat v samyh centrah ostatkov sverhnovyh i svetyat potomu, chto ochen' goryachie. Celyi zoopark! Kazalos', chto po kakoi-to prichine nachal'nye svoistva etih ob'ektov ochen' raznyat'sya. T.e., s samogo rozhdeniya neitronnuyu zvezdu zhdet kakaya-to opredelennaya sud'ba.
Odnako neskol'ko let nazad nachali otkryvat' eshe bolee udivitel'nye yavleniya. Naprimer, okazalos', chto neitronnye zvezdy s gamma-vspyshkami (ih nazyvayut istochnikami povtoryayushihsya myagkih gamma-vspleskov) i neitronnye zvezdy s anomal'no bol'shoi rentgenovskoi svetimost'yu (anomal'nye rentgenovskie pul'sary) - rodstvenniki. U mnogih anomal'nyh pul'sarov stali registrirovat' vspyshki, a u istochnikov povtoryayushihsya vspleskov zaregistrirovali vysokuyu rentgenovskuyu svetimost' mezhdu vspyshkami. Teper' i te, i drugie otnosyat k klassu magnitarov - neitronnyh zvezd, ch'ya aktivnost' svyazana s vydeleniem energii magnitnogo polya (ili, mozhno skazat', energii moshnyh elektricheskih tokov vnutri zvezdy, kotorye eto pole i sozdayut). Dal'she - bol'she. Hotya nekotorye uchenye uzhe poverili, chto magnitary ne proyavlyayut sebya kak radiopul'sary (i dazhe pridumali teorii dlya ob'yasneniya etogo!), neozhidanno bylo otkryto pul'sarnoe izluchenie i ot anomal'nyh rentgenovskih pul'sarov, i ot istochnikov povtoryayushihsya gamma-vspleskov. I eto eshe ne vse. Odin iz radiopul'sarov neozhidanno stal v neskol'ko raz yarche v rentgenovskom diapazone, i ot nego poshli vspyshki. Zhil-byl pul'sar - stal magnitar!
Est' i drugie primery "kentavrov" - istochnikov, proyavlyayushih svoistva raznyh klassov ob'ektov. Eto nado kak-to ob'yasnyat'. T.e., nuzhna kakaya-to ob'edinyayushaya model', kotoraya smogla by v ramkah edinoi kartiny opisat' raznye tipy istochnikov i ob'yasnit' prevrasheniya i sochetaniya svoistv. Vot eto i est' "Velikoe ob'edinenie neitronnyh zvezd".
Nash podhod k resheniyu etoi zadachi osnovyvaetsya na metode populyacionnogo sinteza. Ego osnovnaya ideya dovol'no prosta. My sozdaem komp'yuternuyu model'. Neitronnye zvezdy rozhdayutsya v raznyh mestah Galaktiki. Pri svoem poyavlenii oni imeyut nachal'nye parametry, kotorye sluchaino vybirayutsya iz opredelennyh raspredelenii (ih opredelenie otdel'naya interesnaya zadacha, kotoroi my tozhe posvyashaem mnogo vremeni). Zatem my otslezhivaem evolyuciyu neitronnyh zvezd: kak oni dvizhutsya v Galaktike (popadaya pri etom v oblasti s raznoi plotnost'yu mezhzvezdnoi sredy), kak menyaetsya ih period i magnitnoe pole i t.d. Na kazhdom shage my smotrim, kak budet proyavlyat'sya sebya istochnik s takimi parametrami, okruzhennoi mezhzvezdnoi sredoi s izvestnymi svoistvami t.e., opredelyaem, kak takuyu zvezdu mozhno budet nablyudat'. Vsya eta statistika sobiraetsya. I v itoge my imeem Galaktiku neitronnyh zvezd v komp'yutere. Ostaetsya sravnit' dannye raschetov s nablyudeniyami.
U neitronnyh zvezd ne tak uzh mnogo astrofizicheskih parametrov. I odin iz samyh glavnyh - magnitnoe pole. On dolzhen igrat' vazhnuyu rol' v Velikom ob'edinenii. Pole mozhet umen'shat'sya (s vydeleniem energii), rasti, ili ostavat'sya neizmennym. Prichem na raznyh stadiyah zhizni zvezdy povedenie mozhet byt' razlichnym. Odna iz problem svyazana s tem, chto magnitnoe pole trudno izmerit'. Drugaya - s tem, chto pole mozhet imet' mnozhestvo raznyh komponent.
Obychno magnitnye polya neitronnyh zvezd ne izmeryayut napryamuyu. Esli u nas est' odinochnaya neitronnaya zvezda, vokrug pustota, a zvezda vrashaetsya, to, vo-pervyh, ona budet periodicheskim istochnikom izlucheniya, vo vtoryh, vrashenie budet zamedlyat'sya (period vrasheniya rastet). Vot po tempu izmeneniya perioda kak raz mozhno ocenit' magnitnoe pole. Imenno tak ocenivayut polya radiopul'sarov. Oni okazyvayutsya ravny primerno 10 v 12 stepeni gauss. Eto v desyatki tysyach milliardov raz bol'she, chem na poverhnosti Zemli ili Solnca (vne pyaten). Tak zhe ocenennye polya magnitarov eshe v sotni raz bol'she. No eta ocenka kasaetsya lish' odnoi (hotya i samoi glavnoi) komponenty polya - dipol'noi. Eto samoe privychnoe dlya nas pole. Ono pohozhe na pole obychnogo magnita: dva polyusa i tp. Eta komponenta polya slabee drugih spadaet s rasstoyaniem. No vblizi poverhnosti ob'ekta pole mozhet vyglyadet' ochen' "kudryavo". Naprimer, na Zemle est' magnitnye anomalii, na Solnce - pyatna, kotorye svyazany s moshnymi magnitnymi polyami. Izmerit' eti komponenty gorazdo trudnee.
V astronomii edinstvennyi horoshii sposob tochno izmerit' magnitnoe pole (lyubuyu komponentu) - eto izmerit' ego vliyanie na spektr ob'ekta. Imenno tak, k primeru, izmeryayut polya zvezd. Zdes' astronomy dostigli vysokoi tochnosti, hotya rech' idet o polyah, skazhem, v sotni gauss. A vot sverhsil'nye polya neitronnyh zvezd udaetsya izmerit' kraine redko. Eto svyazano s osobennostyami ih spektrov. Do nedavnego vremeni horoshie izmereniya kasalis' tol'ko neitronnyh zvezd, yavlyayushihsya rentgenovskimi istochnikami v tesnyh dvoinyh sistemah. No nashi geroi - sovsem drugie, eto "geroi-odinochki".
Chtoby postroit' tochnyi rentgenovskii spektr - nuzhno sobrat' mnogo fotonov. Samyi luchshii agregat dlya etogo - evropeiskii sputnik XMM-Newton. Imenno ego ispol'zovala gruppa ital'yanskih astronomov (Andrea Tiengo iz universiteta Pavii i ego soavtory, stat'ya opublikovana v zhurnale Nature) dlya issledovaniya odnogo iz samyh zagadochnyh magnitarov, kotoryi astronomy oboznachayut kak SGR 0418+5729. Ego taina svyazana s ego magnitnym polem. Po zamedleniyu perioda vrasheniya neobychnogo magnitara udalos' ocenit' ego dipol'noe pole. Ono okazalos' obychnym, takim zhe kak u radiopul'sarov. Eto stranno - do etogo vse magnitary imeli gigantskie dipol'nye magnitnye polya. Uchenye podozrevali, chto delo tut v drugih komponentah polya, prizhatyh k poverhnosti. No vot tol'ko izmerit' ih ochen' slozhno.
Detal'nyi spektr, poluchennyi s pomosh'yu XMM-Newton odnoznachno govorit o tom, chto vblizi poverhnosti magnitara SGR 0418+5729 pole ochen' sil'noe. I eto ochen' tochnye dannye! Udivitel'no, chto samoe tochnoe izmerenie magnitnogo polya u odinochnoi neitronnoi zvezdy vpervye vypolneno dlya stol' strannogo ob'ekta. Magnitar okazalsya magnitarom. Pole u poverhnosti v sotni, a mozhet i tysyachi, raz vyshe, chem u obychnyh radiopul'sarov. Chem zhe eto vazhno?
Eto otkrytie vnosit nekotoruyu yasnost' v kartinu Velikogo ob'edineniya neitronnyh zvezd. Vo-pervyh, podtverzhdeno, chto aktivnost' magnitarov svyazana s sil'nymi polyami v ih kore. Eto horoshaya novost', t.k. byli somnevayushiesya. Vo-vtoryh, podtverzhdeno, chto aktivnost' neitronnyh zvezd mozhet byt' svyazana s nedipol'nymi komponentami magnitnyh polei, i, bolee togo, chto eti komponenty mogut v sotni raz prevoshodit' dipol'noe pole!
Teper' vazhnye aspekty edinogo scenariya evolyucii neitronnyh zvezd ne vyglyadyat stol' umozritel'nymi. Ob'ekty issledovaniya astronomov nahodyatsya ochen' daleko, i izuchat' ih poetomu neprosto. Tem bolee trudno stroit' teoreticheskie modeli. Tut legko navoobrazhat' sebe kakie-nibud' nesushestvuyushie svoistva i stat' zhertvoi sobstvennyh fantazii. K schast'yu, nablyudateli rano ili pozdno vnosyat yasnost'. Seichas my na shag blizhe v Velikomu ob'edineniyu neitronnyh zvezd.
Chto zhe poluchaetsya v modelyah? My nachali nashi issledovaniya s izucheniya poka ne nablyudayushegosya tipa ob'ektov. Eto starye neitronnye zvezdy, kotorye nastol'ko zamedlili svoe vrashenie, chto magnitnoe pole ne prepyatstvuet popadaniyu na ih poverhnost' veshestva mezhzvezdnoi sredy. Padenie kazhdogo gramma veshestva na neitronnuyu zvezdu privodit k vydeleniyu 10% ot energii pokoya. Eto ochen' mnogo, uchityvaya, chto v sekundu iz mezhzvezdnoi sredy mozhet vypadat' massa, ravnaya desyatkam tysyach tonn. Bylo by ochen' interesno uvidet' takie istochniki. Eto pozvolilo by srazu ponyat', kak evolyucioniruyut neitronnye zvezdy na masshtabe v milliardy let. Chtoby pravil'no postroit' programmu nablyudenii i poiskov, neobhodimo provesti predvaritel'nye issledovaniya rasschitat' chislo nablyudaemyh istochnikov i primerno rasschitat' ih svoistva. Obychno eto kak raz i delaetsya metodom populyacionnogo sinteza. K sozhaleniyu, okazalos', chto starye neitronnye zvezdy, akkreciruyushie veshestvo mezhzvezdnoi sredy, dolzhny byt' ne tol'ko ochen' slabymi istochnikami, da eshe i dovol'no redko vstrechayushimisya. Eto pozvolilo vpervye kak sleduet ob'yasnit', pochemu takie ob'ekty ne otkryl sputnik ROSAT. No seichas my vozlagaem bol'shie nadezhdy na rossiiskii sputnik Spektr-RG, kotoryi dolzhen byt' zapushen v 2016 godu. Krome staryh akkreciruyushih neitronnyh zvezd etot apparat dolzhen takzhe sushestvenno uvelichit' izvestnuyu populyaciyu drugih interesnyh ob'ektov, k kotorym my i perehodim. Oni imeyut samoe neposredstvennoe otnoshenie k Velikomu ob'edineniyu.
Posle raboty nad populyaciei staryh akkreciruyushih neitronnyh zvezd my obratilis' k tol'ko chto otkrytomu tipu kompaktnyh ob'ektov. Vo vtoroi polovine 90-h gg. proshlogo veka astronomy nachali otkryvat' blizkie neitronnye zvezdy, kotorye my vidim blagodarya teplovomu izlucheniyu ih poverhnosti. Seichas izvestno sem' takih istochnikov, i my nazvali ih Velikolepnaya semerka. Nazvanie prizhilos'. No poyavilas' zagadka: kazalos', chto ih slishkom mnogo v nashei okrestnosti. Vyskazyvalis' razlichnye gipotezy. Nam udalos' ob'yasnit' proishozhdenie etoi populyacii, svyazav ee s t.n. Poyasom Gulda lokal'noi strukturoi iz associacii i skoplenii molodyh zvezd na rasstoyanii primerno 1000 svetovyh let ot Solnca.
Velikolepnaya semerka vidny blagodarya tomu, chto eti neitronnye zvezdy eshe ne ostyli. Temp ostyvaniya zavisit ot svoistv nedr etih ob'ektov. Sovmestno s fizika-teoretikami, zanimavshihsya yadernymi processami, svyazannymi s ostyvaniem neitronnyh zvezd, my rassmotreli razlichnye modeli, sravniv s ih s nablyudeniyami. Eto pomoglo zabrakovat' nekotorye teoreticheskie podhody, t.k. poluchalos' to slishkom mnogo, to slishkom malo ob'ektov tipa Semerki. Eto bylo vazhnym rezul'tatom. No nam hotelos' dvigat'sya dal'she i svyazat' Velikolepnuyu semerku s drugimi populyaciyami.
Delo v tom, chto to vremya raznye tipy neitronnyh zvezd rassmatrivali otdel'no. Schitalos', chto pul'sary rozhdayutsya pul'sarami, magnitary magnitarami i t.d. No uzhe nachinali aktivno razvivat'sya teoreticheskie podhody, kotorye mogli by svyazat' voedino hotya by nekotorye tipy ob'ektov.
Eti podhody svyazany s zatuhaniem magnitnogo polya. Toki, tekushie v nedrah neitronnyh zvezd i sozdayushie ih magnitnye polya, so vremenem dolzhny umen'shat'sya. Eto ne tol'ko pozvolyalo so vremenem prevratit' magnitar v ob'ekt s magnitnym polem, kak u obychnogo pul'sara, no i ob'yasnit' otnositel'no vysokuyu temperaturu poverhnosti nekotoryh neitronnyh zvezd. Vydelenie energii tokov dolzhno privodit' k nagrevu kory neitronnoi zvezdy. Sovmestno s ispanskimi kollegami, kotorye zanimalis' raschetami evolyucii magnitnyh polei i evolyuciei radiopul'sarov, my vzyalis' za postroenie modeli, v kotoroi razom opisyvalos' by neskol'ko tipov kompaktnyh ob'ektov.
V nashei iskusstvennoi galaktike bylo tri tipa ob'ektov: radiopul'sary, ob'ekty tipa Velikolepnoi semerki i magnitary. No vazhno, chto oni rozhdalis' ne po otdel'nosti. My sozdavali prosto neitronnye zvezdy, a parametry brali iz edinogo gladkogo raspredeleniya. T.e. my, kak horoshie roditeli, ne pytalis' predopredelit' sud'bu detei. Zvezdy evolyucionirovali, i ... O chudo! Okazalos', chto v modeli s zatuhaniem magnitnogo polya estestvennym obrazom mozhno poluchit' stol'ko, skol'ko nuzhno radiopul'sarov, magnitarov i ostyvayushih neitronnyh zvezd. T.o., my vpervye smogli ob'edinit' v odnoi evolyucionnoi modeli tri raznyh tipa kompaktnyh ob'ektov (kstati, eto proizoshlo pryamo pered poyavleniem stat'i Viki Kaspi s terminom Velikoe ob'edinenie neitronnyh zvezd).
Chto zhe dal'she? Teper' vazhno vklyuchit' v edinuyu kartinu t.n. kompaktnye rentgenovskie istochniki v ostatkah sverhnovyh. Eto neitronnye zvezdy s magnitnymi polyami raz v 100 men'she, chem u obychnyh pul'sarov. Nikakoi aktivnosti eti ob'ekty ne pokazyvayut, a svetyat lish' za schet svoego ostyvaniya. Ponachalu kazalos', chto eto vse-taki otdel'nyi tip ob'ektov. No potom poyavilas' interesnaya ideya.
Posle vzryva sverhnovoi chast' veshestva mozhet upast' obratno na kompaktnyi ob'ekt. Okazyvaetsya, chto dazhe odnoi desyatitysyachnoi massy Solnca budet dostatochno, chtoby zavalit' dazhe sil'noe magnitnoe pole. Ono ne ischeznet sovsem. Za neskol'ko tysyach let ono potihon'ku vyberetsya naruzhu. No pervye tysyachi let nam budet kazat'sya, chto neitronnaya zvezda obladaet ochen' slabym polem.
Eto ochen' perspektivnaya ideya, t.k. pozvolyaet vklyuchit' v kartinu Velikogo ob'edineniya poslednii bol'shoi klass molodyh neitronnyh zvezd. Populyacionnye modeli s vsplyvayushim magnitnym polem poka ne postroeny, t.k. vazhno provesti nekotoruyu podgotovitel'nuyu rabotu. V chastnosti, nado na primere izvestnyh ob'ektov luchshe nashupat' svyazat' mezhdu takimi zavalennymi neitronnymi zvezdami i magnitarami, a takzhe uznat' bol'she o nachal'nyh parametrov neitronnyh zvezd. Etim my i zanyaty v nastoyashee vremya. I konechno, my s neterpeniem zhdem novyh dannyh nablyudenii. Osobenno mnogo nadezhd my svyazyvaem so sputnikom Spektr-RG, dlya kotorogo my proveli special'nye populyacionnye raschety, chtoby predskazat' nablyudaemoe chislo ob'ektov tipa Velikolepnoi semerki i magnitarov.
Net somnenii, chto v blizhaishie let 10 u nas v rukah budet model' Velikogo ob'edineniya neitronnyh zvezd.
S izmeneniyami i dopolneniyami stat'ya opublikovana v zhurnale "Vselennaya. Prostranstvo. Vremya", 2015 g. N2 (fevral')
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
neitronnye zvezdy - Sverhnovye - ostatok Sverhnovoi
Publikacii so slovami: neitronnye zvezdy - Sverhnovye - ostatok Sverhnovoi | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
