Изменение магнитного поля нейтронной звезды

 

Еще говоря о пульсарах, мы пришли к выводу, что за их радиоимпульсы ответственно магнитное поле. Теперь же нам приходится привлечь магнитное поле для объяснения рентгеновских звезд. Откуда же появляется у нейтронной звезды магнитное поле?

Магнитные поля во Вселенной встречаются почти повсеместно. Солнце в целом обладает магнитным полем, подобным земному, но вдвое более сильным. В области солнечных пятен магнитные поля в тысячу раз сильнее земного. У других звезд также можно обнаружить магнитные поля. Мы можем с полной уверенностью утверждать, что многие звезды обладают магнитным полем.

Магнитные поля и космическое вещество взаимосвязаны. Когда тело уплотняется, усиливается и его магнитное поле. И когда из части звезды образуется белый карлик, из-за высокого сжатия изначально слабое магнитное поле усиливается в десятки тысяч раз. Так можно объяснить мощные магнитные поля белых карликов. Но когда звездное вещество достигает плотности нейтронной звезды, магнитное поле может стать в сто миллиардов раз сильнее — настолько велико здесь сжатие. Вот почему у нейтронных звезд следует ожидать наличия чрезвычайно сильных магнитных полей. И такие поля были обнаружены!

2 мая 1976 года над городом Палестайн в США поднялся аэростат с научными измерительными приборами, разработанными учеными из Института космической физики имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена и из Тюбингенского университета.

Группа, руководимая Иоахимом Трюмпером, имела уже некоторый опыт в рентгеновских исследованиях, и среди прочих задач в программу входила проверка нового рентгеновского детектора. Новый приемник работал в области более высоких энергий рентгеновского излучения, чем детекторы, установленные на спутнике «Ухуру». Как и в случае света, у рентгеновского излучения энергия кванта тем выше, чем короче длина волны; энергию рентгеновских фотонов измеряют обычно в килоэлектронвольтах (кэВ). Рентгеновские приемники на спутнике «Ухуру» работали в области от 2 до 10 кэВ, а новый приемник был предназначен для регистрации квантов с энергией выше 30 кэВ. Во время запуска весной 1976 г. наблюдался источник Геркулес Х-1 и измерялась интенсивность высокоэнергетического излучения.

Чем совершеннее экспериментальная техника, тем слабее непосредственный контакт наблюдателя с получаемыми им экспериментальными данными. В 1936 г. Хоффмейстер мог просто посмотреть в телескоп, оценить яркость HZ Геркулеса и, сравнив ее со своими прежними наблюдениями, определить, увеличилась ли яркость звезды по сравнению с предыдущим наблюдением. Сегодня результаты измерений записываются компьютером на магнитную ленту; затем необходимо составить программу, в соответствии с которой компьютер будет считывать результаты с ленты и производить расчеты.

Неудивительно поэтому, что результаты майских наблюдений были получены лишь осенью. Выяснилось, что интенсивность излучения, в целом ослабевающая с увеличением энергии рентгеновских квантов, имеет заметный пик примерно на 58 кэВ (рис. 10.12). Вероятно, ему не придали бы особого значения, не вспомни Трюмпер о своих более ранних работах, в которых он пытался объяснить излучение пульсара в Крабовидной туманности. Поэтому он заинтересовался этим пиком.

 

Рис. 10.12. Рентгеновское излучение источника Геркулес Х-1 в области высоких энергий. Можно было бы ожидать, что с увеличением энергии рентгеновских квантов интенсивность источника падает. Однако при 58 кэВ наблюдается локальный пик интенсивности (отмеченный стрелкой). Измерение интенсивности при столь больших энергиях квантов сопряжено с большими трудностями, поэтому истинное распределение интенсивности может отличаться от показанного на рисунке.

 

Пик на кривой интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 означает, что источник излучает относительно много рентгеновских фотонов с энергией 58 кэВ. Мы знаем, что атомы излучают и поглощают энергию на строго определенных длинах волн, т. е. излучают и поглощают фотоны со строго определенной энергией. Возьмем, например, атом водорода. Вокруг положительно заряженного ядра обращается один электрон (рис. 10.13). Согласно квантовой теории, этот электрон может занимать строго определенные, поддающиеся точному расчету орбиты (уровни). Когда на атом попадает свет, он поглощается лишь в том случае, когда квант света имеет точно такую энергию, какая необходима для перехода электрона с нижнего уровня на один из более высоких. Если после этого оставить атом в покое, то электрон через какое-то время вернется на низший уровень. При этом избыточная энергия будет освобождена в виде световых фотонов, которые обладают вполне определенными энергиями, соответствующими переходу электрона с одного уровня на другой.

 

Рис. 10.13. Вверху: излучение (красная волнистая стрелка) возникает в атоме, когда электрон (серый кружок) переходит с внешней орбиты на более близкую к ядру атома (красный кружок). Излучение имеет вполне определенную для данного атома и данного перехода энергию. Внизу: в сильном магнитном поле (вертикальные стрелки) электроны могут вращаться по круговым орбитам, подобным орбитам в атоме. Здесь при переходе с внешней орбиты на внутреннюю также будет излучаться энергия, зависящая от напряженности магнитного поля. Считают, что показанный на рис. 10.12 пик интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 связан именно с таким переходом электронов в магнитном поле нейтронной звезды.

 

У источника Геркулес Х-1 заметная часть излучения приходится на вполне определенную энергию 58 кэВ. Однако ни один из нормально встречающихся в природе атомов не излучает фотонов с такой энергией. Трюмпер попытался объяснить это излучение механизмом, который впервые предложил советский физик Лев Ландау (диамагнетизм Ландау).

Оъяснение основано на том, что в магнитном поле траектория электрона искривляется настолько, что электрон начинает двигаться по круговой орбите. Если магнитное поле очень сильное, то радиус орбиты мал; в сверхсильных магнитных полях круговые траектории электронов могут стать сравнимыми с атомными орбитами. Но в этом случае в силу вступают законы квантовой механики, согласно которым «разрешены» лишь строго определенные орбиты. Когда электрон переходит с внешней орбиты на внутреннюю, он испускает квант излучения, энергия которого определяется напряженностью магнитного поля. Поэтому, считали Трюмпер и его коллеги, и появляется пик на кривой излучения источника Геркулес Х-1. Но если это так, то магнитное поле должно быть более чем в сто миллиардов раз сильнее земного! Силы, возникающие в таком поле, настолько велики, что гравитация не смогла бы удержать белый карлик в равновесии: магнитные поля разорвали бы звезду. Поэтому следует заключить, что Геркулес Х-1 является нейтронной звездой.

Итак, в двойной системе, к которой принадлежит Геркулес Х-1, за рентгеновское излучение ответственна нейтронная звезда. Когда-то в этой системе произошел взрыв сверхновой, и первоначально более массивная компонента оставила после себя нейтронную звезду. Но это было очень давно: образовавшееся при взрыве облако давно рассеялось. Сегодня вещество со звезды, которая была менее массивной компонентой и пока еще находится близко к главной последовательности, падает на нейтронную звезду. Когда оно, направляемое магнитными полями, падает в области магнитных полюсов, возникает рентгеновское излучение. При этом излучение, создаваемое при переходе с одной орбиты на другую теми электронами, которые в магнитном поле закружились по крошечным круговым траекториям, имеет пик на 58 кэВ.

После «Ухуру» были запущены другие рентгеновские спутники, проводилось множество экспериментов на аэростатах. Одна из сложностей в рентгеновской астрономии состоит в том, что до сих пор не удалось создать рентгеновскую фотографическую камеру. Рентгеновские лучи невозможно фокусировать с помощью линз. Зеркала тоже не отражают рентгеновские лучи под большими углами: для использования зеркала нужно, чтобы рентгеновские лучи приходили под очень малым углом к поверхности зеркала. Пользуясь этим свойством, физик Ганс Вольтер (1911–1978), работавший тогда в Киле, придумал в 1952 году способ рентгеновской фотографии. С ноября 1978 года на орбите работает запущенная NASA Эйнштейновская обсерватория; на ней установлен рентгеновский телескоп диаметром 57 см. Предполагают, что имеется до миллиона рентгеновских источников, которые могут быть зарегистрированы этим прибором. Первый немецкий «телескоп Вольтера» диаметром 32 см был успешно запущен на ракете в феврале 1979 года. В ФРГ запланировано изготовление 80-сантиметрового рентгеновского телескопа.

 

Рентгеновские ливни

 

В последние годы обнаружен еще один тип рентгеновских источников, которые чаще всего, по-видимому, встречаются в шаровых скоплениях. Эти источники посылают рентгеновские импульсы в виде «ливней», каждый из которых, продолжаясь порой всего несколько секунд, обладает такой же энергией, какую наше Солнце излучает за целую неделю. Эти ливни не обнаруживают регулярности источника Геркулес Х-1; вращающееся тело, задающее ритм импульсов, здесь, по-видимому, отсутствует (рис. 10.14). Тем не менее в приходе импульсов наблюдается некая закономерность. Из шарового скопления в созвездии Скорпиона мы принимаем в рентгеновских ливнях импульсы с периодичностью около 40 секунд, которая, однако, выдерживается не слишком строго: после сильного импульса «молчание» длится дольше, чем после слабого. Вероятно, и у этих источников вещество падает на компактный объект, однако механизм, благодаря которому высвобождение энергии происходит не постоянно, а в виде ливней, отличается от механизма, обеспечивающего пульсацию источника Геркулес Х-1.

 

Рис. 10. 14. Сигналы источника МХВ 1730-335 исходят из шарового скопления, на которое обратили внимание после открытия здесь рентгеновского источника. Импульсы идут сериями по 10–20 отдельных вспышек. Интенсивность вспышек неодинаковая. После особенно сильных выбросов источнику требуется передышка, прежде чем он начнет новую серию импульсов.

 

Шаровые скопления являются старыми, как мы уже знаем из гл. 2. В них давно уже не рождаются звезды. Было очень заманчиво считать эти скопления безжизненными образованиями. Однако рентгеновские ливни, которые исходят из них, показывают, что в них еще продолжается жизнь.

Во Вселенной может существовать множество нейтронных звезд, о которых мы ничего не знаем. Вероятно, все они являются останками сверхновых, но не исключено, что в природе существуют и иные, неизвестные еще нам пути их возникновения. Нам и не удалось бы ничего узнать о них, если бы на них не падало вещество с их звездных спутников. Только тогда они проявляют себя, посылая к нам рентгеновское излучение.

В 1960 году во время одной из лекций я попросил своих слушателей представить, что существует прибор, который преобразует все приходящее из Вселенной к нам излучение в слышимый звук. Наряду с ровным шумом звезд и треском солнечных помех мы бы услышали шум известных тогда радиосточников, нарастающий и затихающий сообразно с восходом и заходом этих источников на горизонте при вращении Земли. Тогда мы знали лишь о довольно длинноволновом космическом излучении. Сегодня, двадцать лет спустя, мне приходится внести поправки в эту картину. Кроме известных тогда источников, во «вселенский хор» вольются и новые голоса: на фоне ровного шума мы услышим тиканье пульсаров, низкое гудение пульсара в Крабовидной туманности, импульсы которого наше ухо не могло бы уже разделить, пулеметные очереди рентгеновских источников — например, источника МХВ 1730-335, который из шарового скопления посылает к нам мощные импульсы, причем после десятка импульсов с интервалом 10–20 секунд следует перерыв на несколько минут, а потом вновь идет серия импульсов. «Шум Вселенной» — это не только ровное шипение: это и щелчки, и барабанная дробь, и жужжание, и треск. И виновницами всего этого трезвона являются, скорее всего, нейтронные звезды.

Говорят ли нам что-нибудь пульсары и рентгеновские источники о конечных стадиях эволюции звезд? Уверены ли мы, что все звезды под конец превращаются в нейтронные звезды или белые карлики? Важное свойство этих двух типов звезд позволяет думать, что существует еще и третья возможность.

 

 

Глава 11

Конец звезды

 

«Бархатно-черный круглый предмет неподвижно и свободно парил в пространстве. Предмет, собственно, не был похож на шар, а производил скорее впечатление зияющей дыры. И был он не чем иным, как дырой… Тут же поднялся ветер, который становился все сильнее и сильнее, поскольку воздух из комнаты засасывался в шар. Обрывки бумаги, перчатки, дамские вуали все летело туда. Да, и когда один из полицейских ударил зловещую дыру саблей, клинок исчез, будто расплавившись».

Густав Мейринк, «Черный шар», 1913

 

Пульсары и рентгеновские источники подтверждают, что в природе существуют нейтронные звезды. Одна из таких звезд осталась в Крабовидной туманности после взрыва Сверхновой. Но что привело к этому взрыву в 1054 году? Рано или поздно взрыв Сверхновой должен произойти и в нашей Галактике, так сказать, у нас перед глазами.[26] Тогда бы мы узнали, что же там взрывается; на старых снимках неба мы нашли бы ту звезду, на месте которой в облаке останков крутится, как волчок, крошечная нейтронная звезда.

Пока что, однако, нам приходится лишь строить догадки. Изучая компьютерные модели звезд на поздней стадии эволюции, мы можем попытаться ответить на вопрос, каким образом звезда приходит к катастрофе.

 

«Железная катастрофа» массивных звезд

 

У массивных звезд, масса которых превышает солнечную больше чем в десять раз, эволюция протекает очень быстро. Водород в них расходуется уже через несколько миллионов лет. Тогда начинает гореть гелий, превращаясь в углерод, а вскоре и атомы углерода начинают превращаться в атомы с более высокими атомными номерами. Во всех этих ядерных реакциях высвобождается энергия, однако ядерные процессы становятся все менее эффективными. Чтобы излучение звезды поддерживалось на одном и том же уровне, реакции должны протекать все быстрее и быстрее. Быстро сменяя друг друга, образуются все более тяжелые атомы. Может ли так продолжаться бесконечно?

Оказывается, в природе превращения элементов заканчиваются на железе. Мы уже видели, что чем тяжелее элемент, получающийся в результате термоядерной реакции, тем ниже выделяемая энергия. Когда превращения доходят до железа, ядерный реактор звезды останавливается. При слиянии ядра железа с ядрами других элементов, имеющихся в звезде, энергия уже не выделяется: наоборот, для этого требуется дополнительная энергия. И напротив, чтобы расколоть ядро железа, требуется затратить энергию.

Причина этого заключается в одном из свойств атомных ядер. Ядра тяжелых элементов (например, урана) при делении выделяют энергию, а в результате деления появляются ядра, масса которых близка к атомной массе более легкого железа. При соединении легких элементов выделяется энергия, и в результате получаются ядра, масса которых ближе к массе тяжелого железа. Только из ядер железа нельзя получить энергию ни путем деления, ни путем синтеза.

Что же произойдет, когда в нашей массивной звезде процессы термоядерного синтеза зайдут так далеко, что в центре звезды образуется сферическая область, состоящая целиком из газообразного железа (рис. 11.1, а)? Ядра железа могут захватывать электроны из окружающего газа. При этом центральная область звезды сокращается в объеме. Дело в том, что равновесие здесь поддерживается противодействием силы тяжести и газового давления. Газовое давление обусловлено в основном электронами. Когда электроны поглощаются атомными ядрами, сила тяжести берет верх. В конце концов центральная область звезды, состоящая из газообразного железа, «схлопывается». Считают, что этот процесс начинается, когда масса центрального железного ядра звезды достигает 1,5 солнечной. Сила тяжести так плотно прижимает друг к другу все составные «кирпичики» атомных ядер, что в конце концов все протоны и электроны объединяются в нейтроны, и все вещество в центре звезды оказывается состоящим только из нейтронов. Плотное газообразное железное ядро звезды превращается в нейтронную звезду. При этом превращении выделяется невообразимое количество энергии, которое, по всей видимости, разметает в пространство внешнюю оболочку звезды. Звезда взрывается, а нейтронное ядро остается в облаке разлетающихся с огромной скоростью останков. Жизнь звезды завершилась взрывом сверхновой.

 

Рис. 11.1. Возможные стадии, предшествующие взрыву сверхновой. Слева: звезда с массой больше десяти солнечных. В ее недрах из водорода, который до сих пор образует ее внешнюю оболочку, образовались более тяжелые элементы, располагающиеся концентрическими слоями вокруг ядра, состоящего из плотного газообразного железа. Центральная область подобной звезды, находящейся на поздней стадии эволюции, неустойчива; возможен коллапс. При этом высвобождается такое количество энергии, что вся внешняя оболочка с большой скоростью разлетается в пространство. Справа: в недрах звезды образовалось углеродное ядро, которое аналогично белому карлику. Масса ядра-белого карлика — возрастает, поскольку на его поверхности гелий превращается в углерод. Когда масса белого карлика достигает предела Чандрасекара, происходит коллапс и оболочка разлетается. Оба рисунка схематичны, масштаб не соблюден.

 

В Чикаго и Ливерморе (шт. Калифорния) в США, а также и у нас в Мюнхене этот процесс пытались смоделировать на компьютере. Решение здесь оказывается гораздо более сложным, чем в случае обычных медленных этапов эволюции. Оно, однако, и чрезвычайно поучительно, так как можно предположить, что в ядерных реакциях, происходящих при взрыве, образуются многие химические элементы из встречающихся в природе. Вероятно даже, что все элементы тяжелее гелия образуются внутри звезды либо в ходе спокойного горения, либо в короткий миг взрыва сверхновой.

Все эти рассуждения относятся к самым массивным звездам. Звезды с массами меньше десяти солнечных в своей эволюции не достигают фазы образования железного ядра: они еще раньше сталкиваются с проблемами, из-за которых в конечном счете, вероятно, происходит взрыв сверхновой. Причина здесь состоит в том, что внутри звезды, как мы видели в гл. 7, образуется белый карлик. Белые карлики обладают одним весьма замечательным свойством, которое связано с их внутренним равновесием.