Магнитная. Тайны космических всплесков
Магнетары* — нейтронные звёзды, на сегодняшний день обладающие самым большим во Вселенной магнитным полем, — позволили объяснить две жгучие загадки космоса: грандиозные гамма-всплески и аномальные рентгеновские пульсары. А в 2020 году очередь дошла до ещё одной нерешённой проблемы астрономии — быстрых радиовсплесков. Кроме того, эти экзотические объекты с не имеющими аналогов магнитными свойствами способны стать космической лабораторией, открывающей перед физиками новые детали картины мира.
*Некоторые отечественные астрофизики считают, что следует писать «магнитар», поскольку поле у нас магнитное. Однако им можно возразить, что в русском языке ряд названий, связанных с магнитным полем, тем не менее, пишутся через «е», например, магнетизм, магнето, магнетрон и другие. Так что в данной статье будет использоваться традиционное написание «магнетар».
Загадки космических вспышек
Эта история началась в 1960-е годы, когда американцы запустили на орбиту спутники серии Vela (от испанского velar — присматривать), предназначенные для обнаружения ядерных испытаний, проводимых в СССР и Китае. Для этого они были снабжены детекторами электромагнитного излучения различных диапазонов, в первую очередь рентгеновского и гамма, а также детектором нейтронов. 2 июля 1967 года Vela 3 и Vela 4 зарегистрировали вспышку гамма-излучения, отличающуюся по характеристикам от создаваемых ядерными взрывами. Надо отдать должное специалистам программы, они не стали бить тревогу, а занялись расследованием, в результате которого пришли к выводу, что эта и последующие зафиксированные гамма-вспышки имели космическое происхождение. О своём открытии они сообщили в 1973 году в «Astrophysical Journal». В статье обсуждались ещё 16 подобных событий. Так были открыты космические гамма-вспышки (Gamma Ray Burst, GRB). На сегодняшний день это самые грандиозные явления, наблюдаемые человеком во Вселенной. Рекордная вспышка GRGRB 080319B, произошедшая 19 марта 2008 года на расстоянии 7,5 миллиарда св. лет от Земли, сопровождалась таким увеличением светимости, что столь далёкий объект стал на 30 секунд видимым невооружённым глазом.
Гамма-лучи можно изучать только из космоса, до поверхности Земли они не добираются, поскольку поглощаются атмосферой, приводя к ионизации атомов (то есть гамма-кванты выбивают электроны из атомов, превращая их в ионы). К счастью, детекторы гамма-излучения компактны и легко устанавливаются на космический корабль, поэтому с 1970-х годов они размещались на различных аппаратах, разбросанных по Солнечной системе. По своим параметрам гамма-вспышки оказались очень разнообразными, и с тех пор астрофизики выдвинули множество гипотез их происхождения. В качестве кандидатов в источники астрономы рассматривали белые карлики, пульсары, сверхновые, чёрные дыры, квазары и другие активные галактики. Окончательно этот вопрос не решён и по сей день.
Однако одному типу вспышек повезло больше. 5 марта 1979 года к Земле пришла короткая, длительностью около 0,2 секунды, гамма-вспышка настолько большой мощности, что «ослепила» аппаратуру десятка спутников, наблюдавших за космосом. Их детекторы были неспособны определять характеристики излучения такой силы. Как говорят специалисты, приборы зашкалило. Вспышка была примерно в 100 раз сильнее предшествующих (точные оценки её параметров отсутствуют из-за ослепления). На это время её источник стал в 10 раз ярче нашей Галактики, испустив такое количество энергии, какое Солнце излучает примерно за 10 000 лет. И всё это излучение приходилось на жёсткий рентгеновский диапазон и мягкий гамма-диапазон. Термины жёсткий и мягкий означают соответственно области диапазона с самой высокой энергией (высокочастотную) и с самой низкой энергией (низкочастотную).
Так уж получилось, что первыми «очнулись» приборы «Конус», установленные на орбитальных модулях советских межпланетных станций «Венера-11» и «Венера-12», которые после высадки на Венеру спускаемых аппаратов в декабре 1978 года продолжали двигаться вокруг Солнца. Они и сумели записать трёхминутное окончание вспышки, в котором были обнаружены пульсации с периодом около 8 секунд. Четырнадцать с половиной часов спустя из той же области неба пришла ещё одна, более слабая вспышка рентгеновского излучения. А в течение следующих четырёх лет группа Евгения Павловича Мазеца (1929—2013) из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург), разработавшая «Конус», зарегистрировала 16 менее мощных всплесков, идущих с этого направления.
Зная местоположение спутников на момент ослепления, астрономы установили, что источник вспышки находился в остатке сверхновой N 49 в Большом Магеллановом облаке — карликовой галактике, спутнике Млечного Пути, на расстоянии около 160 000 св. лет.
С тех пор астрономы неоднократно наблюдали мощные гамма-вспышки с длинным хвостом пульсирующего излучения. Поскольку своей повторяемостью и более низким диапазоном частот подобные всплески отличались от «истинных» гамма-вспышек, породившим их объектам дали осторожное название источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (по-английски Soft Gamma Repeaters, SGR). Ещё, раз повторим, что слово «мягкий» характеризует диапазон частот и вовсе не означает слабость вспышек. Фактически бóльшая часть фотонов SGR относится к рентгеновскому излучению с высокой энергией. Так что данное явление скорее надо было бы назвать «жёстким рентгеновским», но существующее название было дано, поскольку эти объекты первоначально не отделялись от источников гамма-всплесков.
Одно из выдающихся событий — вспышка 27 августа 1998 года была близнецом вспышки 1979 года. Всего на одну десятую мощнее, а пульсации имели период 5,16 секунды. Но поскольку её источник находился ближе к Земле, она до сих пор остаётся самой интенсивной с точки зрения облучения Земли. Это проявилось в сильном воздействии на ионосферу — плазменную часть атмосферы, которая создаётся в дневное время ионизирующим солнечным излучением. Ночью концентрация плазмы сильно падает из-за рекомбинации (ионы соединяются с электронами, образуя нейтральные атомы). Вспышка же произошла как раз на ночной стороне Земли, когда источник находился в зените над серединой Тихого океана. Её излучение поддерживало концентрацию плазмы в ионосфере почти на дневном уровне. А нижний край ионосферы резко снизился: за пять минут на 25 километров. И эти изменения были вызваны звездой, расположенной на расстоянии 20 000 св. лет!
Но самый грандиозный гамма-всплеск произошёл 27 декабря 2004 года. Он был по крайней мере в несколько десятков раз мощнее вспышки 1998 года и имел период пульсаций 7,5 секунды. Любопытно, что единственным неослепшим прибором снова стал «Конус», на этот раз размещённый на российском спутнике «Коронас-Ф». В этот момент он находился в тени Земли и непосредственно видеть вспышку не мог, но, тем не менее, спустя несколько секунд детектор её зарегистрировал. Позднее астрономы поняли, что приняли ослабленный сигнал, отражённый от Луны. В шутку астрономы говорили, что увидели «голову Медузы Горгоны». Как рассказывает древнегреческий миф, Медуза могла превратить в камень посмотревшего на неё человека. Персей, сражаясь с Медузой, чтобы не окаменеть, смотрел на её отражение в полированном медном щите. До упомянутой выше вспышки GRGRB 080319B, которая к SGR отношения не имеет, — эта была самой яркой. Источник вспышки, расположенный на расстоянии 50 тысяч св. лет, за одну десятую секунды выделил энергии больше, чем Солнце излучает за 150 тысяч лет.
Кроме столь уникальных событий астрономы зафиксировали и большое количество менее сильных всплесков. Некоторые источники выдавали их десятками в месяц, а то и сотню за 20 минут. Впрочем, рентгеновское излучение даже самых «слабых» из зарегистрированных всплесков такого типа имело в 10—100 раз большую мощность, чем Солнце излучает в видимом свете. Протекание вспышек различается, но обычно они начинаются с внезапного увеличения яркости в течение нескольких дней или недель, за которым следует постепенное её снижение в течение месяцев или лет по мере того, как источник возвращается к своей нормальной яркости. На 2020 год зафиксировано 16 вспышек SGR (12 подтверждённых и 4 кандидата).
На SGR очень похожи аномальные рентгеновские пульсары (AXP), которые, по сути, отличаются только излучаемым диапазоном. Даже период у них примерно такой же: 5—10 секунд, причём неуклонно растёт, в то время как периоды прочих рентгеновских пульсаров могут иметь значения от миллисекунд до часов и то уменьшаться, то расти. Первый из них (1E 2259 + 586) с периодом 7 секунд был открыт всё в том же 1979 году и тоже внутри остатка сверхновой. Своё название они получили из-за того, что большинство рентгеновских пульсаров входят в состав двойных звёздных систем, и их излучение астрофизики объясняют падением на нейтронную звезду вещества от компаньона. Оно разгоняется, закручивается в диск, разогревается трением до огромных температур, и благодаря этой энергии пульсар излучает в рентгеновском диапазоне. Аномальные же пульсары — одиночки, и этот механизм в их случае не работал. Светимость их была где-то в 100 раз меньше. Обычные нейтронные звёзды, окружённые дисками вещества, на роль AXP не подходили, поскольку должны иметь гораздо больше видимого и инфракрасного излучения и меньшие пульсации.
Первоначально отождествлению SGR и AXP мешало отсутствие у последних вспышек рентгеновского излучения, но позднее их обнаружили. Первый аномальный рентгеновский пульсар 1E 1048.1–5937 с периодом 6 секунд, испускающий всплеск, подобный SGRSGR, был открыт в 1984 году. Находится он в Туманности Киля (NGC 3372) на расстоянии около 9000 св. лет. Забегая вперёд, скажем, что он до сих пор остаётся ближайшим к нам магнетаром. На 2020 год известно 14 AXP (12 подтверждённых и 2 кандидата).
Поиск причины
Астрофизикам сразу стало ясно, что источником столь мощного гамма-излучения не может быть обычная звезда. Ещё в 1926 году Артур Эддингтон установил максимум мощности, какую может излучать звезда, энергия которой рождается в термоядерной топке в её недрах. Если излучение будет более интенсивным, оно, проходя сквозь внешние слои, преодолеет гравитацию и унесёт их, разрушив звезду. Вспышки же были в миллионы раз ярче, чем предел Эддингтона, а пульсации и последующие вспышки говорили о том, что их источник уцелел. Теоретикам никак не удавалось объяснить огромную гамма-яркость начального импульса. Если, скажем, попытаться получить энергию от вещества, падающего на нейтронную звезду или чёрную дыру, то давление исходящих гамма-лучей само должно остановить его приток и прекратить подачу энергии. А если предположить, что источник энергии находится глубоко внутри нейтронной звезды, например, это какой-либо фазовый переход материала ядра (подобно выделению тепла при превращении жидкой воды в лёд), тогда трудно получить энергию так быстро и в виде значительного количества гамма-лучей. К тому же это не объясняло строго периодические пульсации.