Как рождается нейтронная звезда
Если бы у меня был такой голос - мне бы дала каждая первая.
Лол, Elite Dangerous засветилась)
Нейтронная звезда очень быстро вращается вокруг основной своей оси и посылает вдоль неё непрерывный поток излучения в радиодиапазоне, а из-за вращения вокруг другой оси этот луч смотрит на нас не постоянно, звезда поворачивается попеременно то одним то другим полюсом с частотой 11Hz.
Если учесть что это объект около 10 км в диаметре и массой больше нашего солнца, становится жутковато.
А сколько живёт пульсар и в какое состояние переходит?
Ролик познавательный, но в 1967 году не было еще такой компьютерной техники, как показано в конце первой минуты)))
Астрофизические итоги 2021 года
Лекция состоялась в научно-популярном лектории центра "Архэ"( http://arhe.msk.ru ) 21 января 2022 года.
Вероятно, прошедший 2021й год запомнится в первую очередь запуском JWST. Однако несмотря на пандемию продолжалась не только инженерно-техническая, но и научная работа, и было получено много интересных результатов. Выделить явных лидеров среди них оказалось непросто. Мы рассмотрим очень широкий круг вопросов, отражающих все основные направления в современной астрофизике. В этот раз будет меньше результатов, связанных с экзопланетами, зато больше касающихся звезд и гамма-всплесков. Традиционно мы поговорим о нейтронных звездах и черных дырах, но добавятся и белые карлики с рекордными параметрами. Как всегда много интересных результатов получено в области внегалактической астрономии, включая исследования сверхмассивных черных дыр, а вот космологические вопросы мы затрагивать практически не будем. Зато не забудем про быстрые радиовсплески, которые продолжают радовать нас новыми загадками.
Лектор: Попов Сергей Борисович, доктор физико-математических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, лауреат (2016 год) премии «За верность науке» Министерства образования и науки РФ в категории «Популяризатор года».
Найден пульсар-«черная вдова»
Международная команда астрономов сообщила об обнаружении нового пульсара, получившего обозначение PSR J1555−2908. Он принадлежит к классу объектов, неофициально называемых «черными вдовами».
Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, которое наклонено к оси их вращения. Из-за этого их излучение регистрируется на Земле в виде повторяющихся через равные промежутки импульсов. Неудивительно, что когда астрономы открыли первую пульсары, то они всерьез рассматривали версию, что их сигналы имеют искусственное происхождение.
PSR J1555−2908 представляет собой миллисекундный пульсар. Период его обращения составляет 1.788 миллисекунды. За 1 секунду PSR J1555−2908 совершает целых 562 оборота вокруг своей оси. Такие объекты формируются в тесных двойных звездных системах, более массивный компонент которой превращается в нейтронную звезду. Затем она начинает поглощать вещество звезды-компаньона, раскручиваясь до высоких скоростей.
Ученые образно называют подобные нейтронные звезды «пульсарами-пауками». Они, в свою очередь, подразделяются на «черные вдовы» (если звезда-компаньон имеет массу менее 0,1 солнечной), и «красноспинные пауки» (если масса звезды-компаньона превышает 0.1 солнечную).
Выполненные астрономами наблюдения показали, что PSR J1555−2908 относится к категории «черных двов». Его масса составляет примерно 1.4 массы Солнца, в то время как масса соседней звезды в двадцать раз меньше солнечной. Фактически, пульсар уже почти доел своего неудачливого компаньона.
Вращение нейтронных звёзд - Антон Бирюков
Что такое нейтронные звёзды и где происходит их рождение? Почему они вращаются быстрее обычных звёзд? Как астрофизики получают данные об этих космических объектах? Могут ли учёные предсказать поведение вращения нейтронных звёзд и их количество? Какие проблемы существуют в моделировании вращения нейтронной звезды? Почему долго не удавалось открыть эти объекты?
Рассказывает Антон Бирюков, астрофизик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории Космических проектов Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.
Излучение со стороны миллисекундного пульсара PSR J0218+4232
Анализируя данные, собранные при помощи космической обсерватории Fermi («Ферми») НАСА и детектора Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), международная команда астрономов изучила миллисекундный пульсар, известный как PSR J0218+4232. Результаты этого исследования позволяют глубже понять излучение со стороны этого источника.
Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем, испускающие потоки электромагнитного излучения. Наиболее быстро вращающиеся пульсары, период собственного вращения которых составляет менее 30 миллисекунд, известны как миллисекундные пульсары. Астрономы полагают, что объекты этого класса формировались в двойных системах, когда изначально более массивная компонента превращалась в нейтронную звезду, скорость вращения которой затем постепенно возрастала за счет аккреции материи со стороны второй звезды.
Источник PSR J0218+4232 (или сокращенно J0218), находящийся на расстоянии около 10 270 световых лет от Земли, представляет собой миллисекундный пульсар с периодом вращения в 2,3 миллисекунды. Он движется по общей орбите с периодом в двое суток со звездой-компаньоном – белым карликом массой около 0,2 массы Солнца. Объект J0218 имеет экстремально мощное магнитное поле индукцией примерно в 100 000 гауссов. Более того, его характеристический возраст составляет примерно 500 миллионов лет, а мощность электромагнитного излучения, выделяемая за счет замедления вращения, эквивалентна приблизительно 240 дециллионов эргов в секунду, что делает его одним из самых молодых и высокоэнергетических миллисекундных пульсаров, известных на настоящее время.
Предыдущие исследования объекта J0218 указывали на то, что он может являться одним из лучших кандидатов для поиска гамма-излучения сверхвысоких энергий (энергией выше 100 гигаэлектронвольт). Поэтому команда астрономов под руководством Пабло М. Сэз Паркинсона (Pablo M. Saz Parkinson) из Калифорнийского университета в Санта-Круз, США, проанализировала многолетние данные наблюдений источника J0218, проводимых при помощи обсерваторий Fermi и MAGIC НАСА.
Анализ данных наблюдений показал наличие пульсирующего излучения с энергией выше 25 гигаэлектронвольт со стороны источника J0218, но полное отсутствие излучения с энергией выше 100 гигаэлектронвольт. Проведя многосторонний анализ полученных результатов с использованием компьютерного моделирования, авторы работы пришли к выводу, что обнаружение гамма-излучения сверхвысоких энергий со стороны источника J0218 при помощи детекторов текущего поколения, таких как Fermi и MAGIC, является затруднительным. Ситуация может измениться с введением в эксплуатацию обсерваторий нового поколения, таких как Cherenkov Telescope Array (CTA), запуск которой состоится уже в 2022 г., указывают авторы.
Исследование представлено на arxiv.org .
Открыт новый рентгеновский пульсар
Используя телескопы ART-XC и eROSITA, установленные на борту спутника «Спектр-Рентген-Гамма», международная команда астрономов обнаружила новый пульсар. Этот вновь открытый объект, получивший обозначение SRGA J204318.2+443815, оказался долгопериодическим, тусклым рентгеновским пульсаром, расположенным в далекой двойной системе.
Рентгеновские пульсары представляют собой источники, демонстрирующие устойчивые периодические вариации интенсивности рентгеновского излучения. Эти объекты состоят из намагниченной нейтронной звезды, вокруг которой обращается нормальная звезда-компаньон. В таких двойных системах рентгеновское излучение возникает в результате высвобождения гравитационной потенциальной энергии при аккреции материала с массивной звезды-компаньона. Рентгеновские пульсары являются одними из самых ярких в рентгеновском диапазоне объектов на небе.
В новом исследовании команда под руководством Александра Лутовинова из Института космических исследований РАН сообщает об обнаружении еще одного рентгеновского пульсара. Используя телескоп ART-XC, ученые открыли относительно яркий рентгеновский объект в ноябре 2020 г., на расстоянии примерно 26 000 световых лет от Земли.
Последующие наблюдения выявили пульсации объекта SRGA J204318.2+443815 с периодом примерно в 742 секунды. Источник имеет болометрическую светимость на уровне 400 дециллионов эргов в секунду.
Согласно авторам, полученные данные указывают на то, что объект SRGA J204318.2+443815 представляет собой устойчивый рентгеновский пульсар низкой светимости, расположенный в далекой двойной системе. Компаньоном пульсара является звезда спектрального класса Be. Астрономы полагают, что источник SRGA J204318.2+443815 может оказаться новым членом подкласса устойчивых рентгеновских двойных систем низкой светимости, содержащих звезду класса Be (системы BeXRB), которые, предположительно, аккрецируют из «холодного» аккреционного диска.
Исследование появилось на сервере предварительных научных публикаций arxiv.org .
Высота «гор» на нейтронных звездах оказалась равной лишь долям миллиметра
Новые модели нейтронных звезд демонстрируют, что высоты самых высоких гор на их поверхностях составляют всего лишь доли миллиметра, поскольку мощнейшая гравитация сверхплотных нейтронных звезд сглаживает все неровности.
Нейтронные звезды представляют собой одни из самых плотных объектов во Вселенной: при массе, сравнимой с массой Солнца, их размер составляет лишь порядка 10 километров, что сравнимо с размером большого города.
Поскольку они являются очень компактными, нейтронные звезды оказывают мощнейшее гравитационное воздействие, превышающее гравитацию Земли примерно в один миллиард раз. В результате любая неровность на поверхности сглаживается до крохотных размеров, поэтому такие звездные остатки представляют собой почти идеальную сферу.
Хотя неровности на поверхности нейтронной звезды в миллиарды раз меньше аналогичных структур, находящихся на Земле, они, тем не менее, носят название «гор». В новом исследовании команда ученых под руководством Фабиана Гиттинса (Fabian Gittins), докторанта Саутгемптонского университета, Великобритания, использовала компьютерное моделирование для построения реалистичных нейтронных звезд и приложения к ним целого набора математических сил, влияющих на формирование «гор».
Команда также изучила влияние сверхплотной ядерной материи на устойчивость таких гор и нашла, что высота самых высоких гор составила лишь доли миллиметра, что примерно в 100 раз меньше, в сравнении с предыдущими оценками.
В предыдущих исследованиях предполагалось, что отклонение формы нейтронных звезд от контура идеальной сферы может достигать нескольких миллионных долей, что означало наличие гор высотой до нескольких сантиметров. В этих расчетах предполагалось, что нейтронная звезда находится в напряженном состоянии, так, что ее кора близка к разрыву в каждой своей точке. Однако новые модели показывают, что такие условия не являются физически реалистичными.
Фабиан добавляет: «Эти результаты показывают, что нейтронные звезды гораздо ближе по форме к идеальным сферам, чем мы считали. Однако это также означает, что обнаружить гравитационные волны со стороны вращающихся нейтронных звезд может оказаться сложнее, чем предполагалось ранее».
Исследование представлено сегодня, 19 июля, на собрании Королевского астрономического общества Великобритании.
Зафиксировано первое в истории слияние черной дыры с нейтронной звездой
Астрофизики отмечают, что два подобных события произошли в январе прошлого года с интервалом в десять дней.
Исследователи лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO и детектора гравитационных волн Virgo описали первые в мире наблюдения гравитационных волн, возникших при слиянии нейтронной звезды и черной дыры. Соответствующая статья, опубликована в журнале Astrophysical Journal Letters.
Отмечается, что явления были зафиксированы 5 и 15 января 2020 года. Данные гравитационные события назвали GW200105 и GW200115.
"Первое представляло из себя столкновение черной дыры массой около девяти солнечных масс и нейтронной звездой с 1,9 масс Солнца и произошло на расстоянии около 900 миллионов световых лет от Земли. Второе - слияние черной дыры с массой шесть солнечных и нейтронной звезды с 1,5 солнечных масс - примерно в одном миллиарде световых лет", - говорится в статье.
Предполагается, что подобные явления в пространстве до одного миллиарда световых лет от нас случаются примерно раз в месяц.
"Гравитационные волны позволяли нам обнаруживать слияние пар черных дыр и пар нейтронных звезд, однако смешанное слияние черной дыры с нейтронной звездой было неуловимым событием", - подытожили ученые.
Топ-5 самых жутких экзопланет
Астрономы могут быть как никогда близки к тому, чтобы обнаружить планету, пригодную для жизни. За последние пару лет им удалось найти достаточное количество «землеподобных» планет, однако миров, которые совсем не похожи на наш, было обнаружено в разы больше. На некоторых из них условия самые что ни на есть адские.
Так что же такое экзопланета? Наиболее популярное объяснение таково: это планета, которая вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, однако за пределами нашей Солнечной системы.
Мы решили представить вам некоторые из самых страшных из обнаруженных доселе экзопланет, на которых вряд ли кто-либо из вас мечтал оказаться хотя бы на мгновение.
Кто желает принять радиационные ванны?
Экзопланеты PSR B1257+12 B, C и D входят в число одних из первых обнаруженных экзопланет. И так уж вышло, что это три одних из самых странных планет. Вся планетная система PSR B1257+12 является кладбищем, остатком того, что раньше представляло собой нормальную, функционирующую Солнечную систему. Ее конец настал с гигантским взрывом центральной звезды.
Взрыв сопровождался выбросом значительной массы вещества из внешней оболочки звезды, который привел к уничтожению всего живого (если что-то вообще было) на этих планетах. От самих планет остались лишь каменистые оболочки, которые вращаются вокруг «трупа» исчезнувшей звезды.
Условия на PSR B1257+12 B, C и D весьма экзотические. Две из них имеют массу, аналогичную массе Земли, и весьма близки к пульсару, который совершает полный оборот вокруг своей оси всего за 6,22 миллисекунды. Магнитное поле нейтронной звезды является источником интенсивного излучения. Кроме того, магнитное поле разгоняет элементарные частицы как ускоритель. На планеты все время падает сильнейший дождь из ионов. Такие условия будут смертоносными для любого из нас.
Ветер, ветер, ты могуч…
Звук завывания ветра является неотъемлемой частью любого дома с привидениями, однако погодные условия на экзопланете HD 189733 b делают это место куда опаснее любого настоящего жилища, населенного призраками.
На первый взгляд эта планета выглядит как типичный «горячий Юпитер» – газовый гигант, расположенный очень близко к центральной звезде системы. Из-за близости к родительской звезде на светлой стороне HD 189733 b поддерживается температура около 930 °С. Ее же вращение синхронизировано с ее орбитальным движением, в связи с этим HD 189733 b всегда повернута к светилу одной стороной.
Однако когда астрономы измерили температуру на темной стороне планеты, они были шокированы, обнаружив, что она в разы холоднее светлой (примерно 425 °С). Так в чем же подвох?
Все дело в ветре. Невероятно быстрый, опасный ветер гонит тепло с дневной стороны планеты к ночной со скоростью, превышающей скорость звука почти в шесть раз. По сравнению с ним даже самый устрашающий ураган на Земле кажется легким морским бризом.
Сказка о новорожденной экзопланете и палящей звезде
K2-33b является самой молодой полностью сформировавшейся экзопланетой из когда-либо обнаруженных. Сопоставимая по своим размерам с Нептуном, эта планета совершает полный оборот вокруг своего светила за 5 земных дней. И поскольку эта планета находится почти в 10 раз ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, она до невозможности горячая.
Неважно, как сильно вы любите новорожденных, от этого «младенца» вы бы старались держаться как можно дальше.
Одинокая и очень-очень холодная
В то время как большинство из обнаруженных планет подходят под описание слова «адская», есть и такие, к которым этот эпитет не применителен ни в коем случае.
Ярким примером таковой является экстремально холодная экзопланета OGLE-2005-BLG-390L b. Она совершает полный оборот вокруг своей материнской звезды – тусклого и холодного красного карлика – за 10 земных лет. И это то еще путешествие! Средняя температура поверхности OGLE-2005-BLG-390L b составляет всего 50 K. А это, как вы догадываетесь, очень и очень холодно.
Выжженный мир
Kepler-10b – это выжженный мир, обращающийся вокруг своего светила – старого желтого карлика – за 0,84 земных суток, на расстоянии около 1/20 от радиуса орбиты Меркурия. Планета имеет чрезвычайно высокую температуру поверхности – более 1300°С на дневной стороне, и является первой открытой железной планетой. Очень высокая температура поверхности приводит к тому, что железо на планете находится в жидком состоянии.
Звёзды и их многообразие
Звёзды удивительны не только своими свойствами, но и своим разнообразием. В этом видео мы расскажем о различных типах звёзд и о том, каким образом они повлияли на формирование самых редких металлов
P.s Этот ролик идёт в контексте предыдущего, где мы описываем процесс появления звёзд. А в этом ролике, мы рассказываем о различных типах звёзд и о некоторых процессах связанными с ними, так что для полной картины посмотрите предыдущее видео
Галактический GPS: ученые начали использовать пульсары как "космические маяки"
На протяжении веков маяки помогали морякам безопасно перемещаться в гавань. Их огни пронеслись по воде, пронзая туман и тьму, направляя моряков вокруг опасных препятствий и удерживая их на правильном пути. В будущем исследователи космоса могут получить аналогичные ориентиры от устойчивых сигналов, создаваемых пульсарами, сообщает NASA.
Ученые и инженеры используют Международную космическую станцию для разработки навигации на основе пульсаров. Они планируют создать космические маяки, чтобы помочь с ориентированием в космосе, например, в путешествиях к Луне в рамках программы Artemis NASA или в будущих полетах человека на Марс.
Пульсары, или быстро вращающиеся нейтронные звезды, являются чрезвычайно плотными остатками звезд, которые взорвались как сверхновые. Они испускают рентгеновские фотоны в ярких, узких лучах, которые взмывают в небо подобно маяку, когда звезды вращаются. С большого расстояния они кажутся пульсирующими, отсюда и название — пульсары.
Рентгеновский телескоп на внешней стороне МКС, исследователь внутреннего состава нейтронной звезды или NICER, собирает и метит время прихода рентгеновского света от нейтронных звезд по небу. Программное обеспечение, встроенное в NICER, называется Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology или SEXTANT, использует маяки от пульсаров для создания GPS-подобной системы. Эта концепция может обеспечить автономную навигацию по всей солнечной системе и за ее пределами.
GPS использует точно синхронизированные сигналы. Пульсации от некоторых нейтронных звезд очень стабильны, а некоторые даже столь же стабильны, как и земные атомные часы. В долгосрочной перспективе это делает их потенциально полезными аналогичным образом.
Люк Винтерниц, NASA
Стабильность импульсов позволяет с высокой точностью прогнозировать время их прибытия в любую контрольную точку солнечной системы. Ученые разработали подробные модели, которые точно предсказывают, когда импульс достигнет, например, Земли. Время поступления импульса к детектору на космическом корабле и сравнение его с ожидаемым достижением контрольной точки дает информацию для навигации далеко за пределами нашей планеты.
В NASA отметили, что навигационная информация, предоставляемая пульсарами, не ухудшается при удалении от Земли, поскольку пульсары распространяются по всей нашей галактике.
«Галактический» GPS может работать где угодно в Солнечной системе и даже переносить роботизированные или управляемые системы за ее пределы.
В ядрах звезд найдена аномальная материя
В Хельсинском университете обнаружили аномальную материю в ядрах нейтронных звезд.
Финские астрофизики сумели доказать наличие экзотического кваркового вещества в основе массивных нейтронных звезд. Внутри этих космических объектов материя коллапсирует в невероятно плотное вещество. В нем нейтроны и протоны сливаются воедино, образуя огромное атомное ядро.
Новые исследования показали, что в недрах сверхмассивных нейтронных звезд появляется аномальная кварковая материя, создавая кварковое ядро. Согласно расчетам астрофизиков, диаметр такого ядра может превышать половину диаметра нейтронной звезды.
Доказать существования аномальной материи позволили наблюдения гравитационных волн и обнаружение сверхмассивных нейтронных звезд.
Ученые смогли составить уравнения состояния вещества нейтронной звезды, учитывая давление и плотность энергии в недрах. Решить уравнение помогло использование общей теории относительности.
Рентгеновская карта половины неба от «Спектр-РГ»
Рентгеновская карта половины неба от «Спектр-РГ»
29 марта 2020 года обсерватория «Спектр-РГ» преодолела важную веху. Установленный на ее борту телескоп eROSITA построил рентгеновскую карту, охватывающую 20 637 квадратных градусов. Это половина от общей площади небесной сферы.
«Спектр-РГ» уже удалось задетектировать свыше ста тысяч рентгеновских источников. Среди них десятки тысяч звезд с активными коронами, остатки вспышек сверхновых, пульсары, аккрецирующие белые карлики, ядра активных галактик и квазаров, а также огромные скопления галактик, основная часть массы которых приходится на т. н. темную материю. Многие из найденных телескопом объектов находится на расстояниях, превышающих миллиарды световых лет.
На полученной карте обращает на себя внимание Северный полярный шпур — ярчайшая и самая протяженная в мягких рентгеновских лучах область Млечного пути. Природа этого объекта остается все еще остается предметом научных дискуссий. Кроме того, хорошо видна темная полоса, протянувшаяся вдоль и немного выше плоскости нашей галактики, где поверхностная яркость рентгеновского излучения меньше, чем в других частях карты. Это связано с поглощением мягких рентгеновских лучей газом и пылью в этом регионе Млечного пути.
Телескопы «Спектр-РГ» сканируют небо вдоль большого круга на небесной сфере, плоскость которого поворачивается примерно в соответствии с движением Земли вокруг Солнца. Все сканы пересекаются в полюсах эклиптики (плоскость Солнечной системы), где рентгеновская карта неба имеет наибольшую чувствительность. Плотность объектов достигает 350 источников на квадратный градус. По словам специалистов миссии, «Спектр-РГ» завершит построение рентгеновской карты всего небосвода к концу июня этого года.
Учёные осуществили самое точное измерение нейтронных звёзд на сегодняшний день
В границах обозримой Вселенной достаточно много объектов, размеры которых во много раз превосходят размеры нашей планеты. Например, звезда, которая пульсирует только с одной стороны, или галактика “Сомбреро”, похожая на мексиканскую шляпу. Однако такие сверхплотные тела как нейтронные звёзды, образующиеся в результате вспышек сверхновых звёзд, имеют, как правило, более скромные размеры по сравнению с вышеупомянутыми объектами. Новое исследование, проведенное международной исследовательской группой, сузило диапазон радиусов типичных нейтронных звезд, что позволило астрономам получить наиболее точные на сегодняшний день измерения.
“Мы выяснили, что любая нейтронная звезда, которая примерно в 1,4 раза тяжелее нашего Солнца, имеет радиус около 11 километров”, - сказал в своем заявлении Бадри Кришнан, возглавлявший исследовательскую группу в Институте Альберта Эйнштейна (AEI) в Ганновере. “Наши результаты сужают диапазон радиусов нейтронных звёзд до диапазона между 10,4 и 11,9 километрами. Это в два раза точнее, чем в предыдущих исследованиях”.
В работе команды, опубликованной в журнале “Nature Astronomy”, использовалась комбинация знаний из общего описания первых принципов поведения материи нейтронных звёзд и первых наблюдений слияния двух нейтронных звёзд - GW170817.
“Слияние двух нейтронных звёзд - золотая жила информации!” - сказал Коллин Капано, научный сотрудник Ганноверской высшей школы экономики и ведущий автор исследования. “У нейтронных звёзд самая плотная материя в наблюдаемой Вселенной. Измеряя некоторые характеристики этих объектов, мы узнаем больше о фундаментальной физике, управляющей веществом на субатомном уровне”.
“Это поразительно!”, - добавил Капано. “GW170817 был вызван столкновением двух объектов размером с город. Произошло это столкновение около 120 миллионов лет назад, в те времена, когда динозавры ещё разгуливали по Земле! Это произошло в галактике за миллиард триллионов километров отсюда. Отсюда мы и получили представление о субатомной физике”.
Гравитационно-волновой всплеск GW170817 наблюдался в августе 2017 года во всём электромагнитном спектре. Разобравшись с ядерной физикой, лежащей в основе этого астрофизического события, исследователи смогли определить физические характеристики нейтронных звёзд - их массу и радиусы.
Рассчитанные ограничения дали команде дополнительную информацию о судьбе нейтронных звёзд, сливающихся с чёрной дырой в двойной системе. В большинстве случаев ограничения предсказывают, что нейтронная звезда, вероятнее всего, будет целиком поглощена чёрной дырой, а не разорвана на части. Этот факт может иметь значение для будущих наблюдений подобных событий, поскольку они могут рассматриваться только как гравитационно-волновые источники, будучи невидимыми в электромагнитном спектре.
“Эти результаты захватывают дух не только потому, что нам удалось значительно улучшить методику измерения радиусов нейтронных звёзд, но и потому, что это открывает нам дорогу к пониманию судьбы нейтронных звёзд на завершающем этапе их жизни - при слиянии двух объектов”, - объясняет Стефани Браун, соавтор публикации и аспирант Ганноверской высшей школы искусств (AEI).
Перевод: Григорий Чепель.
Что мы увидим на поверхности нейтронной звезды?
Белый карлик впервые попался, закручивая пространство-время
В Радиоастрономическом институте Германии сообщили, что новые наблюдения подтверждают теорию относительности
Астрономы впервые смогли проследить за тем, как искажается структура пространства-времени вокруг быстро вращающегося белого карлика, наблюдая за уникальной двойной звездой PSR J1141-6545 в созвездии Мухи. Эти наблюдения в очередной раз подтвердили теорию относительности, сообщила в четверг пресс-служба немецкого Радиоастрономического института (MPIfR) со ссылкой на статью в журнале Science.
"Наблюдения за пульсаром, вращающимся вокруг этого белого карлика, показывают, что его орбита "качается" примерно на 150 км в стороны каждые два десятка лет под действием эффектов, связанных с "растягиванием" пространства-времени вокруг PSR J1141-6545", - сказал Виллем ван Штратен, астрофизик из Оклендского технологического университета (Новая Зеландия), чьи слова приводит пресс-служба MPIfR.
Считается, что любое скопление материи большой массы, в том числе и темной, взаимодействует со светом и заставляет его лучи искривляться, как это делают обычные оптические линзы. В некоторых случаях искривление пространства помогает астрономам увидеть сверхдалекие объекты, которые были бы недоступны для наблюдения с Земли без помощи подобных гравитационных линз.
Если же это скопление материи вращается, то оно искривляет не только свет, но и особым образом "закручивает" пространство вокруг себя. Этот процесс, так называемый эффект Лензе-Тирринга, релятивистский аналог знаменитой силы Кориолиса, заставляет ось вращения этих объектов "качаться" в стороны.
Следы существования этого эффекта были в прошлом году открыты у черной дыры V404 в созвездии Лебедя. "Закрученное" пространство особым образом разбило на части диск из материи, окружающий этот объект, превратив его в набор из нескольких колец, которые вращаются под разными углами друг к другу и периодически сталкиваются, порождая мощные вспышки света. У других небесных тел, как предполагали Лензе, Тирринг и Эйнштейн, его сила будет слишком небольшой, чтобы оказывать видимые изменения в их облике.
Ван Штратен и его коллеги выяснили, что подобные искривления в структуре пространства-времени можно наблюдать и вокруг некоторых белых карликов, наблюдая при помощи радиотелескопов за крайне необычной двойной звездой PSR J1141-6545.
По стопам Эйнштейна
Звезда PSR J1141-6545 состоит из двух типов "мертвых" светил - необычно крупного белого карлика, а также пульсара, вращающейся нейтронной звезды. Они удалены друг от друга на рекордно малое расстояние, благодаря чему пульсар совершает оборот вокруг своего соседа всего за пять часов и движется по орбите со скоростью в 1 млн км/ч.
Необычность PSR J1141-6545 заключается в том, что белый карлик в этой системе очень быстро вращается вокруг своей оси благодаря тому, что он родился раньше, чем это сделал его сосед. Это позволило ему "украсть" часть материи звезды, породившей пульсар, и раскрутиться в последние мгновения ее жизни.
Сверхбыстрая скорость вращения белого карлика, его высокая плотность и крайне малое расстояние между "половинами" PSR J1141-6545 натолкнули ван Штратена и его коллег на мысль, что эффект Лензе-Тирринга будет сильно влиять на характер движения пульсара по орбите.
Они проверили эту идею, используя два австралийских радиотелескопа, UTMOST и Паркс, наблюдая на протяжении нескольких лет за тем, как сильно "запаздывали" вспышки волн, вырабатываемые пульсаром в то время, когда он находился на противоположных концах его орбиты. Это позволило им измерить траекторию его движения с точностью в 30 км.
Эти замеры подтвердили, что орбита нейтронной звезды в системе PSR J1141-6545 действительно "качалась" под действием подобных релятивистских эффектов. Это не только еще раз подтвердило теорию относительности Эйнштейна, но и позволило ученым точно измерить массу, диаметр и другие свойства белого карлика и пульсара, в том числе скорости вращения, совпавшие с теоретически предсказанными значениями.
Все это, как считает ван Штратен, говорит о том, что подобные необычные объекты можно будет использовать для сверхточного изучения свойств пульсаров и белых карликов, а также раскрытия тайн устройства их материи, природа которой до сих пор остается предметом дискуссий среди физиков-теоретиков.
Космический "Нобель", или строение звезд, пульсары и неполученная премия
Пока идет обсуждение того, насколько заслуженной была Нобелевская премия по физике в этом году, предлагаю вспомнить некоторых лауреатов прошлых лет, также отмеченных премией за исследования Вселенной.
В их числе немецко-американский физик-ядерщик Ханс Бете, удостоенный премии в 1967 году «за вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звёзд». В чем же, собственно, был вклад.
Поначалу Ханс Бете много и успешно занимался квантовой механикой и квантовой электродинамикой. Но, покинув Германию после прихода к власти Гитлера, он, уже в качестве профессора университета Корнелла сосредоточился на ядерной физике. Накануне Второй мировой войны, Бете с коллегами опубликовали серию из трех статей, в которых суммировались основные известные вопросы по ядерной физике. Впоследствии эти труды стали неофициально известными как «Библия Бете».
Но причем тут астрономия, спросите вы. До звезд, на самом деле, оставалось совсем немного. В 1938 году Бете пригласили принять участие в Вашингтонской конференции университета теоретической физики, посвященной как раз энергии звезд. Поначалу он не хотел ехать, поскольку это было не совсем в области его научных интересов. Но коллеги убедили, что мероприятие будет интересно и ему.
Организаторы конференции подробно изложили то, что было известно о температуре, плотности и химическом составе Солнца и предложили участникам придумать объяснение, что энергия Солнца — результат протон-протонной цепной реакции.
Бете, работая в сотрудничестве с Чарльзом Кричфилдом, предложили серию последовательных ядерных реакций, объясняющих происходящие на Солнце процессы. Это был прорыв в понимании процессов протекания термоядерных реакций в массивных звёздах.
Еще ближе к космологии труды физиков, отмеченные Нобелевской премией в 1983 году. Тогда американский астрофизик Уильям Альфред Фаулер получил ее за теоретическое и экспериментальное исследование ядерных реакций, имеющих важное значение для образования химических элементов во Вселенной. А его индийский коллега Субраманьян Чандрасекар (правда, к тому времени давно живший в США) - за теоретические исследования физических процессов, играющих важную роль в строении и эволюции звёзд.
Субраманьян Чандрасекар - физик из Индии, который в 24 года рассчитал, при каких условиях звезда превращается в белого карлика, а при каких - в нейтронную.
Уже в своих ранних работах (в 1930-х годах) Чандрасекар показал, что большие и малые звезды ведут себя по-разному после того, как погаснет их ядерный огонь. С помощью квантовой механики и теории относительности он проанализировал поведение звездного вещества в процессе его сжатия, уделяя особое внимание электронам.
Если масса звезды достаточно мала, то гравитационное давление, вызывающее сжатие, постепенно уравновешивается внутренним давлением, и звезда достигает положения равновесия при размерах белого карлика.
Однако если масса звезды превосходит определенную величину, то электроны будут постепенно сжиматься до такой степени, что их скорости станут близки к скорости света, условие, называемое релятивистским вырождением. В результате гравитационное сжатие превзойдет противодействующие силы, и звезда будет продолжать сжиматься до невероятно малого размера и огромной плотности. Критическая масса звезды, ниже которой звезда может стать белым карликом, известна теперь как граница Чандрасекара. Она в 1,4 раза превышает массу Солнца.
А вот, если масса звезды в два и более раза превышает массу Солнца, предсказал Чандрасекар, она выделит такое огромное количество энергии, что, превратившись в сверхновую, взорвется. Ее наружная оболочка будет выброшена в пространство, а остаток сожмется до устойчивой нейтронной звезды, не содержащей электрически заряженных электронов и протонов. Плотность такого объекта должна быть порядка 100 млн. тонн на кубический сантиметр.
Когда индиец опубликовал свои расчеты впервые, ему было всего 24 года. Но ждать окончательного признания своих заслуг ему пришлось еще почти полвека.
Определенно вкладом в космологию стоит считать открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых, Нобелевскую премию за которое вручили в 2011 году Солу Перлмуттеру, Адаму Риссу и Брайану Шмидту. А теперь Нобелевский комитет отметил вклад Джима Пиблза, описавшего, в частности, процесс образования крупномасштабных структур в ранней Вселенной – галактик и их скоплений.
Два других лауреата - Мишель Майор и Дидье Кело, как известно, награждены за открытие экзопланеты у другой звезды. И надо отметить, что открытие нового типа астрономических объектов приносило автору Нобелевскую премию даже реже, чем заслуги в области космологии. Но, как минимум, один такой пример привести можно.
Это лауреат премии 1974 года Энтони Хьюиш. Хотя назвать его первооткрывателем не совсем корректно.
Началась эта история в 1965 году, когда Хьюиш работал в университете Кембриджа и завершил работу над проектом особого радиотелескопа для приёма и анализа сигналов космических квазаров. Радиотелескоп должен был занимать участок площадью 4,5 акра. На нём планировалось смонтировать 200 километров проводов стоимостью 15 тысяч фунтов стерлингов. Монтаж проводов выполнила группа студентов и аспирантов, занимавшаяся у профессора Хьюиша.
Сигнал, полученный радиотелескопом записывали самописцы, в день получалась тридцатиметровая бумажная лента, покрытая зигзагообразной кривой, чем-то похожей на электрокардиограмму. Эти показания надо было расшифровывать, причем, на тот момент никто толком не знал, как это делать. Приходилось искать и анализировать закономерности в многочисленных зигзагах, да еще и, в виду отсутствия компьютеров, делать это вручную.
Как это часто бывает, основная черновая работа свалилась на плечи лаборантов, в первую очередь на одну из аспиранток Хьюиша – Джоселин Белл.
Джоселин Белл - ученый, которая открыла пульсары, но осталась без Нобелевской премии
По скромным подсчетам ей пришлось просмотреть и обработать больше 50 километров бумажной ленты. И в итоге, именно она первой обратила внимание на регулярные пики, не похожие на привычные сигналы, регистрируемые радиотелескопом
Сигнал то исчезал, то появлялся, но когда он был, то пики радиоизлучения шли равномерно, с периодичностью 1,33 секунды между максимумами. Зная периодичность, Белл сумела привязать источник загадочного сигнала к конкретному участку звездного неба. И только тогда сообщила о своей находке научному руководителю.
Хьюиш поначалу счел, что дело в некоей ошибке, а источник сигнала имеет земное происхождение. А когда было подтверждено, что он идет из космоса, стало ясно, что астрономы столкнулись с ранее неизвестным объектом. Их назвали пульсарами. И после опубликования первой статьи о них за авторством Хьюиша и Белл (вышла в 1968 году), начали искать целенаправленно. К 1974 году их число уже измерялось десятками, а в наши дни – тысячами. То есть, пульсары – не какая-то экзотика, а довольно распространенный класс звезд.
К чести профессора, он лично никогда не пытался присвоить всю славу открытия себе, наоборот, в своей Нобелевской речи много раз упомянул ее имя, но решением Нобелевского комитета Джоселин Белл осталась «за бортом» награждения. Несколько лет спустя сама Белл так прокомментировала ситуацию вокруг пульсаров и премии:
«Высказывались предложения, что я должна получить часть Нобелевской премии, которая была присуждена Тони Хьюишу за открытие пульсаров… Я полагаю, что Нобелевские премии потеряли бы свой авторитет, если бы они присуждались студентам-исследователям, за исключением особенных случаев, и я не думаю, что я попадаю в эту категорию».
Что интересно, пульсары «принесли» Нобелевскую премию своим исследователям еще раз – в 1993 году. Это были американские астрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор, обнаружившие новый тип пульсаров – двойные, которые излучают гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном. Так, благодаря пульсарам, теория Эйнштейна нашла ещё одно подтверждение, а существование загадочных гравитационных волн было практически доказано. Впрочем, потребовалось еще два с лишним десятилетия, чтобы ученые смогли произвести наблюдения этих самых гравитационных волн с помощью детектора LIGO, что также было отмечено «нобелевкой» по физике в 2017 году. Можно сказать, что премию получили все авторы главных открытий, связанных с пульсарами, за исключением аспирантки Белл. Но, признаем, Нобелевский комитет не раз обвиняли в пристрастности, субъективности и тому подобных грехах. И все равно эта премия остается самой престижной в мире науки.