Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

На следующий день рано утром, зажав кислородную маску в руке, я отправилась на плато в сопровождении проводника. В кармане у меня листья коки. Местные жители клянутся, что это хорошее средство от высотной болезни. Я знаю, что на высоте обсерватории мы проведем не больше двух часов, но все равно нервничаю. На пути к плато нам встречаются гигантские кактусы. Некоторые из них достигают высоты семь метров и даже больше. Лама и пара осликов без всякого интереса смотрят на нашу медленно ползущую вверх машину. Наконец вдалеке вырисовывается конечный пункт нашего маршрута – шестьдесят шесть огромных тарелок-отражателей ALMA. Их синхронная работа должна помочь разгадать некоторые из самых трудноразрешимых загадок Вселенной. Вокруг основания тарелок копошатся кажущиеся крошечными человечки в кислородных масках, которые обеспечивают работу антенной системы. Вблизи отражатели уже не выглядят такими милыми – они настолько громадны, что у меня перехватывает дыхание. Возможно, это просто нехватка кислорода.

ALMA – не самый подходящий инструмент для наблюдения нейтронных звезд: миллиметровые и субмиллиметровые волны гораздо короче длины радиоволн излучения пульсаров. Обычно эта антенная система используется для изучения образования звезд, но именно ALMA помогла астрофизикам первый раз стать свидетелями космического события, которое они считают рождением нейтронной звезды. Сверхновой с нейтронной звездой в центре ученые дали несколько глуповатое прозвище – Корова. Соглашение о наименовании сверхновых устанавливает, что название должно включать в себя год обнаружения и определенную, принятую заранее последовательностью букв. Поэтому официально Корова называется AT2018cow, но прозвище прижилось.

Аспирантка Калифорнийского технологического института Анна Хо – ведущий автор исследования Коровы. Вспоминая день, когда она услышала о Корове, Анна увлекается и даже начинает говорить громче.

17 июня 2018 года Хо, как и сотни других астрономов, получила сообщение от Стивена Смартта, астрофизика из Университета Квинс в Белфасте, и его коллег, где они привели результаты своих измерений странного “транзиента”. Так астрономы называют событие, включающее в себя кратковременный выброс энергии при неожиданном изменении состояния космического тела, таком, например, как вспышка сверхновой. За день до этого он был зарегистрирован автоматической системой наблюдения ATLAS (Asteroid Terrestrial Impact Last Alert System, “система чрезвычайного оповещения о столкновении астероидов с Землей”), расположенной на Гавайях и предназначенной для обнаружения небольших околоземных объектов за несколько недель или дней до того, как они столкнутся с Землей. Этот транзиент был ярким. Действительно очень-очень ярким – в несколько десятков раз ярче обычного выброса энергии при взрыве звезды. Однако Хо заметила еще кое-что странное, из-за чего она со всех ног бросилась в кабинет своего руководителя. Дело в том, что эта сверхновая достигла максимальной яркости необычайно быстро, за несколько часов, тогда как в типичных случаях увеличение яркости может занять несколько недель. Телескопы всего мира, как и другие инструменты, повернулись в направлении этого феномена и приступили к его детальному изучению. Среди них два телескопа-близнеца Keck на Гавайях и телескоп Liverpool обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Пальма, входящем в принадлежащий Испании Канарский архипелаг.

Сначала Хо и ее коллеги попытались найти более будничное объяснение этой необычной вспышке. Возможно, это вообще не взрыв, а очень яркая, близкая к Земле звезда в нашей собственной Галактике, обманчиво выглядящая как взрыв. Хо услышала от своего шефа, что это определенно звезда – и тратить на нее время вообще не стоит.

Хо уже направлялась к двери, когда звякнул ее телефон. Она остановилась, чтобы прочесть письмо, где было первое подтверждение внегалактической природы вспышки, произошедшей на расстоянии около 200 миллионов световых лет от нас, в карликовой галактике в созвездии Геркулес. “Отсюда следовало, что это действительно взрыв, на самом деле взрыв! Все ужасно обрадовались. Я развернулась и показала телефон своему руководителю. Вот тогда-то все засуетились, отчаянно стараясь понять, что же с этой информацией делать”, – рассказывает Хо.

Обнаружив этот взрыв, ученые впервые получили возможность стать свидетелями смерти звезды в реальном времени, конечно, если не учитывать задержку на 200 миллионов лет, потребовавшихся свету для того, чтобы достичь нашей планеты. Теперь, если провести измерения корректно, астрономы смогут не только увидеть взрыв массивной звезды, но и наблюдать коллапс ее ядра и образование в этом месте нейтронной звезды. Именно поэтому Хо отказалась от использования обычных оптических и радиотелескопов и решила, что ALMA больше подходит для наблюдения этой сверхновой.

Но чтобы понять, где та исходная точка, с которой стартовала Хо, надо вернуться на восемьдесят восемь лет назад. Итак, мы на пароходе, идущем из индийского порта Бомбей в Англию.

Путешествие на борту парохода “Пилена” заняло восемнадцать дней. Шел 1930 год, и Субраманьян Чандрасекар ехал в Кембридж, где планировал стать аспирантом физического факультета. Чтобы время не пропадало зря, он развлекался, решая уравнения. Вундеркинд из Индии (и племянник сэра Чандрасекхары Венкаты Рамана, первого азиата, получившего Нобелевскую премию по физике в том же 1930 году), Субраманьян в возрасте девятнадцати лет окончил университет и получил степень бакалавра физики. Через полвека, в 1983 году, сам Чандрасекар станет лауреатом Нобелевской премии за работу, которой он занимался на пароходе.

Незадолго до отъезда в Англию Чандрасекар увлекся белыми карликами – очень тусклыми останками звезд. Тогда считалось, что по окончании водородного “горючего”, поддерживающего термоядерное горение, все звезды, включая наше собственное Солнце, превращаются в белые карлики. Теперь мы знаем, что так умирают далеко не все звезды, а только те, которые в процессе эволюции постепенно сбрасывают внешнюю оболочку. От них останется плотное ядро из углерода, кислорода и азота. Считается, что по прошествии примерно ста миллионов миллиардов лет белый карлик полностью остынет и вообще перестанет испускать свет и тепло – превратится в “бездействующего” черного карлика.

Ко времени плавания Чандрасекара астрономы обнаружили всего три белых карлика. Среди них Сириус В – тусклый, мертвый собрат яркой звезды Сириус. Уже было известно, что плотность белых карликов невероятно высока: она превышает плотность Солнца больше чем в миллион раз. Квантовая механика, только-только появившаяся в начале XX столетия, позволяла объяснить, как возможно достичь такой невероятной плотности. Гравитационное давление внутри умирающей звезды сжимает атомы в ее ядре настолько сильно, что срывает с них электроны. Это значит, что формирующийся белый карлик состоит из положительно заряженных ионов, плавающих в море электронов. При продолжении гравитационного сжатия в игру вступает квантовая механика. Один из ее законов, принцип запрета Паули, утверждает, что никакие два фермиона (например, два протона или два электрона) не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии – точно так же как при игре в “горячие стулья” двум людям не разрешается одновременно сидеть на одном стуле. Это означает, что внутри белого карлика часть электронов должна перейти из “основного”, самого низкого энергетического состояния в более высокое. Благодаря этому процессу возникает так называемое давление вырожденных электронов. Именно это давление уравновешивает силу гравитации и предотвращает коллапс белого карлика.

Чандрасекар все это знал не в последнюю очередь потому, что внимательно изучил книгу “Внутреннее строение звезд”, написанную в 1926 году Артуром Стэнли Эддингтоном – одним из лучших астрофизиков того времени. Термин “белые карлики” ранее ввел нидерландско-американский астроном Виллем Лейтен, но именно книга привлекла к ним всеобщее внимание. Однако Эддингтон неправильно объяснял огромную плотность этих умирающих звезд, полагая, что такая плотность обусловлена термическим (вызванным теплом) давлением внутри белых карликов. Позднее в том же году правильное квантово-механическое объяснение предложил английский физик Ральф Говард Фаулер в статье “О плотном веществе”, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Чандрасекар скрупулезно изучил и эту статью. Он направлялся в Англию, чтобы работать под руководством Фаулера, и решил самостоятельно продолжить его расчеты4.