Миллениал в Магеллановом облаке: найдена самая молодая в истории нейтронная звезда
Ученые обнаружили уникальный объект — нейтронную звезду, которой всего 33 года отроду. Никогда еще астрономы не наблюдали подобных небесных тел столь юного возраста. Почему исследователи охотятся за нейтронными звездами и чем для них ценна нынешняя находка?
Крошка, ты невероятна
Звезды массой более десяти солнц заканчивают жизнь во впечатляющем катаклизме — взрыве сверхновой. При этом от былого светила остается разбросанный по окрестному космосу газ и пыль, да еще маленький плотный остаток — нейтронная звезда или (для самых массивных звезд) черная дыра.
Нейтронные звезды — подлинное сокровище для любителей эпитетов вроде «невероятно» и «потрясающе». Прежде всего, они чудовищно плотные. По меркам небесных тел это настоящие крошки: считанные километры в диаметре. А вот по массе они сравнимы с Солнцем. В результате кубический сантиметр их вещества весит сотни миллионов тонн. Такого давления не выдерживают даже атомные ядра.
При этом подобные махины весьма резво вертятся вокруг своей оси, делая один оборот за несколько секунд (а некоторые — даже за миллисекунды).
Наконец, у нейтронных звезд колоссальное магнитное поле. Некоторые из них (магнетары) являются самыми мощными магнитами во Вселенной.
Этот список странностей можно продолжать, но уже понятно главное: человечество не в силах создать ничего подобного. Поэтому физики смотрят на нейтронные звезды как на лабораторию, устроенную для них самой природой. Изучая эти мертвые светила, можно проникнуть в глубочайшие тайны законов, управляющих материей.
Астрономы открыли уже тысячи подобных небесных тел, но вопросов о них пока больше, чем ответов. Например, очень мало информации о том, каковы эти объекты сразу после рождения. Самым молодым известным нейтронным звездам несколько столетий (и то это редчайшие экземпляры), а типичный возраст исчисляется миллионами лет.
Все дело в том, что вспышки сверхновых (в которых, напомним, и рождаются нейтронные звезды) — довольно редкое явление. В нашей галактике Млечный Путь не зафиксировано ни одной вспышки со времен изобретения телескопа. Наблюдатели часто видят подобные катаклизмы только потому, что во Вселенной много галактик, а эти взрывы прекрасно видны на межгалактических расстояниях (они действительно очень яркие). Но о нейтронных звездах этого не скажешь. Поймать нейтронную звезду в телескоп чрезвычайно сложно, если она не находится совсем рядом с нами.
На 23 февраля, с любовью, Вселенная
Все изменилось 23 февраля 1987 года, когда Земли достиг свет сверхновой, взорвавшейся в Большом Магеллановом Облаке. Эта небольшая галактика — спутник нашей, и до места катаклизма оказалось всего 168 000 световых лет. Сверхновая 1987А стала самой близкой к Земле за несколько последних веков.
Одновременно со вспышкой света детекторы зафиксировали мощный поток нейтрино (легких частиц, не имеющих электрического заряда и почти не взаимодействующих с веществом). Это могло означать только одно: при взрыве образовалась нейтронная звезда, а не черная дыра.
Когда вспышка угасла, астрономы, затаив дыхание, взглянули на данные телескопов и… не столько выдохнули, сколько вздохнули. На месте взрыва красовалось плотное облако пыли, не оставляющее почти никакой надежды разглядеть, что же у него внутри.
Тридцать лет ученые штурмовали эту цель, используя все более мощные инструменты. Но добились успеха совсем недавно.
В 2019 году были опубликованы результаты наблюдения остатка сверхновой 1987А в радиотелескоп ALMA. Это самый мощный в мире инструмент для наблюдений на границе между радиоволнами и инфракрасным излучением. И одновременно — самый дорогой действующий наземный телескоп: на его строительство было потрачено около $1,5 млрд.
Эти вложения окупились сторицей. ALMA полностью вступила в строй только в 2013 году, но уже подарила человечеству множество впечатляющих открытий. В их числе инструмент принес астрономам и то, чего они так долго ждали: данные об объекте, скрытом в пылевом облаке на месте взрыва 1987А.
Ученые обнаружили, что в центре облака есть нечто, сильно нагревающее пыль и заставляющее ее ярко светиться на длинах волн, принимаемых ALMA.
«Мы были очень удивлены, увидев этот горячий пузырь, сформировавшийся в густом облаке пыли в остатке сверхновой, — рассказывает соавтор работы Микако Мацуура (Mikako Matsuura) из Кардиффского университета в Великобритании. — В облаке должно быть что-то, что нагревает пыль и заставляет ее светиться. Вот почему мы предположили, что внутри пылевого облака скрывается нейтронная звезда».
Казалось бы, можно открыть шампанское. Однако не тут-то было. Исследователи поступили как настоящие ученые: стали первыми и самыми дотошными критиками собственных результатов.
Может ли нейтронная звезда давать столько тепла, сколько зафиксировано телескопом? Ведь она очень маленькая. Правдоподобна ли температура, которую она должна для этого иметь? Или, может быть, пыль разогревается каким-то другим источником энергии? Авторы затруднялись с ответом.
И вот 30 июля 2020 года вышла публикация, сделанная другой научной группой. Ее смысл в двух словах таков: да, это вполне может быть нейтронная звезда. Это, скорее всего, и есть нейтронная звезда. Это куда скорее нейтронная звезда, чем что-либо иное. И с температурой тоже все в порядке.
«Несмотря на огромную сложность взрыва сверхновой и экстремальные условия, царящие внутри нейтронной звезды, обнаружение горячего сгустка пыли подтверждает несколько [теоретических] прогнозов», — объясняет первый автор новой статьи Дэни Пейдж (Dany Page) из Национального автономного университета Мексики.
Прежде всего, как насчет температуры? Эксперты отвечают: нейтронная звезда тридцати лет отроду должна быть разогрета до пяти миллионов градусов Цельсия. Этого в точности хватает, чтобы объяснить наблюдаемое излучение пыли.
Кроме того, горячий шар проступает сквозь пылевое облако именно там, где должна находиться нейтронная звезда через три десятилетия после вспышки сверхновой. А это не та же точка, где взорвалось несчастное светило. Нейтронная звезда должна быть буквально отброшена взрывом со скоростью в сотни километров в секунду.
Учитывая, что и нейтрино в 1987 году возвестили рождение нейтронной звезды, можно практически не сомневаться в природе незнакомки за пылевой вуалью.
Но ученые привыкли сомневаться до последней возможности. Итак, спрашивает Пейдж и коллеги, возможно ли с учетом всех известных данных, что это все-таки не нейтронная звезда?
Ответ таков: возможно, но очень маловероятно. Теоретически нельзя исключить, что это все-таки черная дыра (в одном из предыдущих материалов мы рассказывали о том, каким образом подобные объекты могут светиться). Но черная дыра, обеспечивающая именно такое излучение, какое наблюдается ALMA, на дороге не валяется. Ее параметры должны быть очень точно подстроены под наблюдательные данные, а в науке это первый признак плохого объяснения. С другими альтернативными гипотезами возникают такие же или еще большие проблемы.
Итак, открытый астрономами объект — почти наверняка долгожданная нейтронная звезда, образовавшаяся при взрыве сверхновой 1987А. Первая новорожденная нейтронная звезда в истории наблюдений. Потенциальный источник уникальной информации о Вселенной.
Кстати, какой именно информации? Пока трудно сказать, какие параметры нейтронной звезды ученые смогут вытащить из наблюдения за пылью, подогретой ее излучением. Во всяком случае, диаметр ее они уже вычислили: 25 километров (это в полтора раза меньше диаметра МКАД).
Через несколько десятилетий пыль от взрыва, возможно, рассеется настолько, что мы увидим и саму новорожденную собственной персоной. Вернее, она, надо полагать, уже рассеялась: напомним, что свет вспышки добирался до Земли 168 тысяч лет. Но ничто не движется быстрее света, и у нас нет средств узнать, каков этот объект прямо сейчас. Тридцать три года назад мы увидели взрыв, поскольку лучи, испущенные в момент взрыва, наконец достигли наших глаз и приборов. Сейчас мы видим место катаклизма таким, каким оно было через 33 года после вспышки. А еще через несколько десятилетий увидим, достаточно ли рассеялась пыль, чтобы как следует изучить центральный объект. Астрономы умеют ждать, попутно создавая все более совершенные телескопы.