Суперобъекты. Звезды размером с город
Шрифт:
Сравнение скоростей массивных звезд и радиопульсаров. Последние в среднем имеют скорость примерно в 10 раз выше.
В некоторых случаях мы наблюдаем последствия взаимодействия быстро двигающегося пульсара с межзвездной средой – вокруг него возникает ударная волна и красивая туманность. Это также позволяет измерять скорость. Иногда скорость оценивают, исходя из смещения нейтронной звезды от центра остатка сверхновой, ее породившего. Для этого нужно знать, когда произошел взрыв. Чаще всего для остатков сверхновых удается получить неплохую оценку возраста.
Уже первые измерения начала 70-х годов XX века показали, что пульсары двигаются со скоростями в несколько раз больше скоростей массивных звезд – их прародителей. Значит, пульсары как-то разгоняются. Причем довольно быстро. Обсуждались самые разные способы разгона.
В 90-е годы прошлого века оказалось, что пульсары двигаются еще быстрее. Новое понимание было связано с тем, что научились точнее определять расстояния до этих источников, и выяснилось, что ранее их занижали в среднем раза в два-три, из-за того, что не знали, как распределена в Галактике плотность электронов в межзвездной среде. Дело в том, что радиосигнал, распространяясь в плазме, «расползается». Электромагнитные волны разной частоты имеют разную скорость: ведь это не вакуум! Соответственно, волны разной частоты приходят к нам в разное время. Поэтому, например, максимум импульса пульсара будет регистрироваться в разное время на разных частотах, а если у нас измерения проводятся в широкой полосе частот, то форма импульса пульсара станет шире. Пронаблюдав, как расплылся сигнал, мы можем определить длину пути, если знаем, сколько было электронов на пути радиоволн. Так вот эта величина до середины 1990-х определялась неточно, а потому занижалось расстояние до подавляющего большинства радиопульсаров.
Сейчас мы знаем, что типичные скорости нейтронных звезд – примерно 300 км/с, т. е. в среднем в десять раз больше, чем у звезд, из которых они родились. При этом, поскольку мы имеем дело с крайне типичным явлением, нельзя объяснить все эти скорости только распадами двойных систем, хотя бы потому, что некоторая часть нейтронных звезд рождается из одиночных звезд или звезд в очень широких двойных системах (а там скорости маленькие).
Значит, должен быть какой-то особый механизм разгона, который работает только для нейтронных звезд (и, как выяснилось позже, для черных дыр).
Взрыв сверхновой и скорость
Общие черты механизма были осознаны довольно давно, задолго до 1990-х годов, когда проблема стала еще более насущной. Одним из первых вопрос о разгоне радиопульсаров рассмотрел Иосиф Шкловский в 1970 году, и ключевым словом было «асимметрия» (хотя Леонид Озерной обсуждал асимметрию взрыва еще раньше – в 1964 году, но в приложении к излучению гравитационных волн, а не к скорости нейтронной звезды). Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой. При этом выделяется огромное количество энергии. За доли секунды высвечивается (в основном в виде потока нейтрино) столько энергии, сколько Солнце излучает за всю свою жизнь. Наличие огромного количества энергии хорошо для решения нашей задачи, ведь мы как раз хотим сообщить компактному объекту дополнительную кинетическую энергию. Поясним примером.
Если в вашем распоряжении есть большой бюджет, то даже его маленький кусочек, незаметный на фоне общей суммы, будет выглядеть внушительно. Так у всех больших американских космических миссий в течение долгого времени где-то около 1 % бюджета шел на популяризацию (сейчас, правда, финансирование популяризации в NASA осуществляется централизованно), что позволяло обеспечить весь мир красивыми астрономическими картинками и видео. Если миссия стоит $1 миллиард, то 1 % – это целых $10 миллионов. А $10 миллионов каждой миссии – немалая сумма для популяризации науки. Так и при взрыве сверхновой. Если есть очень много энергии и ее можно выделить несимметрично (хотя бы на 1 % вправо больше, чем влево), то тогда объект, который образуется, испытает асимметричное воздействие. И, соответственно, по закону
Вопрос в том, как устроить асимметрию? Здесь окончательного ответа до сих пор нет. Споры до сих пор продолжаются, отчасти потому, что нам не хватает наблюдательных данных, отчасти из-за того, что физика взрыва сверхновых очень сложная.
Основных механизмов генерации асимметрии два. Во-первых, взрыв просто может быть достаточно несимметричным, и возникнет такая ситуация. Есть свежеобразовавшийся компактный объект, а рядом, в выброшенном веществе, имеется область с повышенной плотностью. Она притянет к себе нейтронную звезду и будет ее разгонять. То есть если распределение вещества вокруг компактного объекта после взрыва сильно несимметрично, то возникают условия для разгона.
Вторая идея связана с нейтрино (ее впервые детально обсуждал Николай Чугай в 1984 году), поскольку именно они уносят основную энергию при взрыве сверхновой. Нейтрино в огромном количестве рождаются в коллапсирующем ядре звезды. Например, нейтрино возникают при образовании нейтронов в результате захвата электронов протонами в ядрах элементов при высоких плотностях (так называемая нейтронизации вещества). Если все сразу не ушло под горизонт черной дыры, то в какой-то момент, когда вещество прозрачно для нейтрино, они устремятся наружу. Задача теперь состоит в том, чтобы сделать несимметричным поток нейтрино. И здесь опять-таки есть несколько идей.
Во-первых, вы можете сделать распределение плотности вещества неоднородным. Тогда где-то вещество будет для нейтрино более прозрачным, а где-то менее прозрачным. Соответственно, туда, где прозрачно, нейтрино полетит больше. В этом направлении как бы будет работать реактивный двигатель. Значит, по закону сохранения импульса, нейтронная звезда начнет двигаться в противоположном направлении.
Другая идея связана с сильными магнитными полями. Нейтрино «чувствуют» магнитное поле, оно будет направлять их движение. В симметричной ситуации (например, в случае дипольного магнитного поля) возникнет две идентичные нейтринные струи. Но если магнитное поле в молодой нейтронной звезде (которая еще только образуется, и в ней все бурлит, все изменяется) будет немного несимметрично, то реактивный двигатель будет работать несимметрично. В одну сторону будет «дуть» меньше, в другую больше, и нейтронная звезда сможет разгоняться.
Если при рождении компактного объекта происходит временное усиление магнитных полей до очень высоких величин (такую модель называют магнито-ротационным взрывом, ее придумали и разрабатывают Геннадий Бисноватый-Коган и его коллеги), то здесь также симметрия может быть нарушена. А значит, возможно ускорение компактного объекта.
Похожая штука может работать и с черными дырами, если они образуются не сразу, а в два этапа. Если вещество не сразу ушло под горизонт, а вначале возникло тело вроде молодой нейтронной звезды (так называемая протонейтронная звезда), тогда, пока существует этот объект, наружу могут вылетать нейтрино, могут возникать струи вещества, могут происходить всякие бурные процессы. И все это может быть асимметричным. Таким образом новорожденный компактный объект может успеть разогнаться. А потом, когда образуется черная дыра, она «запомнит» скорость.
Для черных дыр скорости могут быть немного меньше, чем у нейтронных звезд, просто потому, что они более тяжелые. Если типичная масса нейтронной звезды – это полторы массы Солнца, то типичная масса черной дыры – примерно 5–10 масс Солнца, т. е. в несколько раз больше, значит, скорости будут в несколько раз меньше. Примерно это и наблюдается.
Нейтронных звезд мы знаем довольно много. Это в основном радиопульсары (их проще открывать), которых известно около 2000. Для многих из них скорости достаточно хорошо измеряются. А вот черных дыр мы знаем мало. Есть всего несколько кандидатов в одиночные черные дыры, открытых с помощью микролинзирования. Их точная скорость не определена, приблизительно это 100 км/с.