Сергей Попов - Суперобъекты. Звезды размером с город
Иногда нам не хватает каких-то мощностей, каких-то возможностей создать экстремальные параметры в лаборатории, и поэтому мы обращаемся к природным процессам. Чаще всего это процессы астрофизические. Академик Зельдович не зря называл Вселенную ускорителем для бедных. К примеру, инженеры и ученые 10–20–30 лет строили-строили и наконец построили какой-нибудь крупный ускоритель, научились ускорять частицы до больших энергий, но из космоса постоянно прилетают частицы с энергией в миллиард раз больше, чем на БАКе. Прилетают каждый день, прилетают совершенно бесплатно, в принципе их тоже можно брать и изучать. И нейтронные звезды – это как раз такие уникальные, естественные лаборатории, где очень многие параметры – самые разные – доведены до предела. Возможно, действительно, до предельных пределов, вообще существующих в природе.
Нейтронные звезды позволяют объяснять новые загадочные явления. Например, несколько лет назад прибор ПАМЕЛА, работавший на российском спутнике Ресурс-Д, предназначенный для изучения космических лучей, обнаружил избыток позитронов. Это вызвало большой ажиотаж, так как сразу же[18] была высказана идея, что лишние позитроны могут рождаться в результате аннигиляции частиц темного вещества. Несколько месяцев появлялось примерно по одной статье в день, посвященной эффекту ПАМЕЛЫ. Однако постепенно стало ясно, что у гипотезы с темным веществом в данном случае есть проблемы. Сейчас считается, что лучшим источником «лишних» позитронов могли бы быть близкие радиопульсары, испускающие ветер, содержащий много электрон-позитронных пар. Избыток электронов заметить трудно, как лишнюю ложку воды в тарелке супа. А лишние позитроны – легко, как лишнюю ложку соли в тарелке супа.
Другая загадка, которую могут помочь решить нейтронные звезды – это так называемые быстрые радиовсплески. Мы уже говорили о вращающихся радиотранзиентах (RRATs). Чтобы их открыть, понадобилось придумать и создать технологию, позволяющую идентифицировать отдельные очень короткие (миллисекундные) радиовсплески. Когда такие события поискали, то обнаружили не только вспыхивающие нейтронные звезды.
В 2007 году Дункан Лоример и его коллеги обнаружили миллисекундный радиовсплеск «из пустого места». Ни до, ни после в этом направлении ничего не удалось увидеть. Саму вспышку видели только в радиодиапазоне. Анализ показал, что, скорее всего, всплеск приходит с межгалактических расстояний, но точно сказать нельзя. Сразу же было высказано много разных гипотез, в том числе и с привлечением нейтронных звезд, например – магнитаров. Второй аналогичный всплеск обнаружили спустя несколько лет. Здесь авторы открытия высказали гипотезу, что это испарение черной дыры (именно такие события хотел найти Джон О’Салливан, инженер-радиоастроном, фактически придумавший Wi-Fi). Но были и сомнения, что это реальные события. Дело в том, что наблюдали очень похожие события, получившие наименование перитоны, которые явно казались имеющими земное, а не астрономическое происхождение.
В 2013 году появилась работа Дэна Торнтона с соавторами, в которой было представлено сразу четыре новых быстрых радиовсплеска. Стало ясно, что все-таки это какой-то астрономический феномен. Ситуация все больше напоминала ту, которая существовала с 1970 по конец 1990-х годов с космическими гамма-всплесками.
Неожиданный поворот приняло дело с перитонами. В 2015 году Эмили Петрофф из Австралии вместе со своими коллегами показала, что перитоны регистрировали, когда на обсерватории… открывали микроволновую печь! То есть это не просто земной феномен, а еще и искусственный. Более того, связанный с недопустимым использованием излучающих приборов на радиоастрономической обсерватории. Для нас же важно, что понимание природы перитонов сделало быстрые радиовсплески более достоверными в качестве астрономического феномена.
Сейчас большинство астрономов согласно, что быстрые радиовсплески – это внегалактические вспыхивающие источники. В 2014 году впервые удалось увидеть такой всплеск в реальном времени, а не в архивных записях. При этом в большинстве перспективных моделей для объяснения явления привлекаются нейтронные звезды. Иногда даже магнитары, как в нашей с Константином Постновым модели, физические детали для которой затем были разработаны в работе Юрия Любарского.
Есть такая забавная псевдотеорема, что нейтронные звезды – это суперобъекты. Доказывается она очень просто: в нейтронных звездах мы имеем сверхсильные гравитационные поля, сверхсильные электромагнитные поля, сверхпроводимость, сверхтекучесть (по-английски все эти термины начинаются с super). Таким образом, теорема доказана: нейтронные звезды действительно – суперобъекты. Потому-то физики их очень любят и делятся с астрономами самым ценным, что у них есть, – Нобелевскими премиями.
В самом деле, физики на астрофизиков иногда смотрят искоса (низко голову наклоня), т. е., иначе говоря, – косо. Почему? Потому что в астрофизике происходящие процесссы нам совсем не подконтрольны. У нас есть только наблюдения, а это сильно отличается от прямого контролируемого эксперимента. Когда мы не можем прямо манипулировать изучаемым объектом, то это, конечно, хуже, чем если бы все происходящие процессы находились в нашей власти, ведь мы получаем менее надежный результат. Но иногда ситуация такова, что деваться больше просто некуда. Здесь нейтронные звезды – как раз идеальный пример естественной лаборатории, где мы можем наблюдать экзотические процессы, не имея возможности вмешиваться в них.
В астрофизике совершается много интересных открытий, но не все из них одинаково интересны для большой физики. Вот, например, за экзопланеты, скорее всего, никогда Нобелевскую премию не дадут. По крайней мере есть общее мнение, что хотя это очень важное открытие, но оно астрофизическое (слишком астрофизическое) и к фундаментальной физике не имеет практически никакого отношения. А открытие нейтронных звезд, как сразу было ясно, представляет большой интерес сразу для нескольких областей физики. Поэтому и за открытие нейтронных звезд (радиопульсаров), и за открытие первых двойных радиопульсаров (первых пар «нейтронная звезда плюс нейтронная звезда») были вручены соответствующие Нобелевские премии. В конце этой главы мы попробуем пофантазировать, какие премии еще могу быть выданы.
Неземная гравитация
Какие же интересные физические процессы можно изучать, глядя на нейтронные звезды, какие уникальные условия с ними связаны? Во-первых, за что была выдана вторая Нобелевская премия, – это сильные гравитационные поля (наблюдения двойного радиопульсара позволили проверить предсказания Общей теории относительности для гравитационных полей, многократно превосходящих, доступные нам в Солнечной системе или на Земле). В принципе, самые сильные гравитационные поля существуют в окрестностях черных дыр, но тут есть большая сложность – у черной дыры нет поверхности. Поэтому изучать поведение вещества вблизи горизонта сейчас невозможно.
Мы наблюдаем большое количество кандидатов в черные дыры, но как мы их наблюдаем? По большей части мы видим вещество, которое крутится вокруг черной дыры. Однако у Общей теории относительности есть очень интересная особенность. Если в обычной (ньютоновской) теории гравитации мы возьмем какой-нибудь шарик и станем помещать его на разные орбиты вокруг тяготеющего центра, делая их все ближе-ближе-ближе к поверхности массивного тела, то все равно это будут круговые орбиты. Если центральный объект – просто массивная точка, то на любом расстоянии от нее по круговой орбите может вращаться спутник. В Общей теории относительности все не так: там есть последняя устойчивая круговая орбита. А если мы помещаем объект ближе, то орбита становится спиралью. И наш спутник довольно быстро «вспираливается» в черную дыру.
Поэтому, даже если у нас есть мощный красивый аккреционный диск вокруг черной дыры и мы его наблюдаем, то он имеет внутреннюю границу. Но диск обрывается не на горизонте черной дыры, как можно было бы ожидать, а на большем расстоянии. Может быть, даже в три раза дальше – зависит от того, как вращается черная дыра и в какую сторону крутится диск. То есть от внутреннего края диска вещество попадает внутрь черной дыры очень быстро – из-за этого там как бы возникает щель, нет яркой области, в которой достаточно долгое время существовало бы нагретое вещество. Поэтому изучать то, что происходит в совсем сильных гравитационных полях в черных дырах – зачастую сложно.
Нейтронная звезда может иметь радиус меньше, чем радиус такой последней устойчивой орбиты, т. е. диск также может не доходить до поверхности. Зато сама поверхность видна! Она твердая, и мы можем наблюдать ее, т. е. изучать плотную материю в сверхсильном гравитационном поле. Нейтронные звезды дают возможность изучать практически всю физику (электродинамику, гидродинамику, ядерную физику и т. д.) на фоне сильнейшей гравитации. И все это благодаря астрономическим наблюдениям, которые становятся все лучше. Ведь мы живем в счастливое время, когда каждые 10–20 лет можно получать инструменты во всех диапазонах спектра, превосходящие своих предшественников на порядок по всем параметрам. Кроме их стоимости: она остается примерно такой же. Более того, мы осваиваем все новые и новые методы наблюдений (гравволны, нейтрино). И пытаемся заглянуть в недра компактных объектов.
