Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Потом температура. С температурой все сложнее. Конечно, существует общий тренд – объект должен остывать, – но у нейтронной звезды могут быть внутренние источники тепла, которые позволяют ей или долго оставаться горячей, или даже подогреваться со временем. Однако, хотя температура может довольно сильно изменяться, сама по себе она не причина резких изменений поведения нейтронной звезды. Скорее уж температура отражает изменения, происходящие со звездой. Как часы на вокзале – поезд приходит не потому, что на часах 11 (вы можете часы убрать, остановить, перевести и т. д.). Просто точные часы вам показывают, когда должен приходить поезд.

И тогда у нейтронной звезды остается один важный изменяющийся (и со временем, и от объекта к объекту) параметр – это магнитное поле.

Нейтронные звезды обладают сильными магнитными полями. Сильные – это действительно очень большие величины. На поверхности Солнца (вне пятен) магнитное поле в среднем примерно такое же, как на земных магнитных полюсах. Есть звезды, на поверхности которых магнитные поля в сотни раз больше, чем на Солнце. На белых карликах магнитные поля бывают почти в миллиард раз сильнее, чем на Земле. А вот на поверхности нейтронных звезд поля больше, чем на Солнце или на Земле в тысячу миллиардов раз, иногда даже в миллионы миллиардов раз. То есть они в самом деле гораздо сильнее, и для этого есть несколько причин.

Первая очень простая: нейтронная звезда образуется при сжатии ядра обычной звезды, и магнитное поле при сжатии усиливается. Коллапсируя, вещество тянет магнитное поле за собой и как бы спрессовывает его. Давайте нарисуем силовые линии, как в школе все рисовали силовые линии обычных магнитов – получалась эдакая бабочка. Теперь представьте, что вы это нарисовали, а потом рисунок начали сжимать, число силовых линий осталось то же самое, но шарик (наше коллапсирующее ядро звезды), через который они проходят, становится все меньше, плотность линий возрастает, это и соответствует увеличению магнитного поля.

Есть и вторая причина, так как, по всей видимости, первой недостаточно, чтобы объяснить происхождение поля у самых экстремальных нейтронных звезд. Для образования магнитных полей наиболее замагниченных нейтронных звезд, таких как магнитары, нужен какой-то специальный механизм усиления магнитного поля. Как он работает, мы пока не знаем, но, по всей видимости, он есть, и это важная задача – определить его и описать на языке физической теории.

Итак, магнитное поле – это уже хороший параметр, потенциально подверженный интересным вариациям. Хотя в течение долгого времени казалось, что его эволюция тоже должна быть простой. Самая простая эволюция – это отсутствие эволюции. Параметр всегда остается постоянным. Чуть более сложная эволюция – это монотонное уменьшение, затухание. Мы привыкли видеть все распадающимся, если нет каких-то источников энергии или чего-то еще, что компенсирует регресс.

Здесь надо вспомнить, откуда вообще берутся магнитные поля. Нейтронная звезда – это не магнит в обычном смысле, т. е. не железка, синяя с одной стороны и красная с другой. Магнитное поле обычного магнита связано с молекулярными токами. У нейтронных звезд магнитные поля порождаются крупномасштабными токами. То есть, говоря о магнитных полях, мы должны себе представлять, что где-то внутри нейтронной звезды текут очень мощные токи, которые генерируют это самое магнитное поле. И здесь уже открывается простор для фантазии теоретиков, потому что, оказывается, токи можно делать сильнее и слабее, можно придумать процессы, которые будут эти токи менять. Хотя общий ход изменений, конечно, все равно направлен к уменьшению величины токов, но они могут сложно эволюционировать. Может меняться не только их величина, но и структура. Кроме того, магнитное поле можно экранировать. Если мы окружим нейтронную звезду оболочкой, своеобразным экраном, из какого-то проводящего материала, то снаружи мы можем не увидеть магнитное поле или видеть его существенно ослабленным, и это тоже, как ни странно, может работать в астрофизике. Таким образом, сейчас начала складываться картина Великого объединения нейтронных звезд, где все основные идеи завязаны на эволюцию магнитного поля. Оказалось, что это действительно очень хороший параметр.

Магнитные поля очень разные у объектов разных типов: у магнитаров побольше, у пульсаров поменьше, у центральных компактных объектов в остатках сверхновых еще меньше. Кроме того, магнитное поле может иметь, как говорят, разную топологию, сильно упрощая – разную форму. Может быть очень простое поле, как вот та самая «бабочка» у школьного магнита, а могут быть, например, маленькие петельки сильного поля вблизи поверхности. Получается, что вдали мы видим поле не очень сильное, а вблизи поверхности оно очень большое. Или поле может быть каким-нибудь скрученным-перекрученным, и оно будет приводить к процессу дополнительного выделения энергии. Благодаря этому стало возможным объяснить, откуда берутся транзиентные магнитары – у них эволюционирует магнитное поле. Иногда одна из компонент магнитного поля усиливается, а потом вдруг его энергия начинает активно выделяться. Грубо говоря, начинают происходить короткие замыкания в нейтронной звезде, и звезда порождает серию вспышек. Закончился этот эпизод активности – поле опять в среднем стало меньше, и объект может быть виден как, например, обычный радиопульсар.

В последние годы астрофизики обратили внимание на один эволюционный механизм, который мы уже упоминали выше. Он позволяет добавить, вероятно, последнюю существенную связь между разными типами нейтронных звезд. В этом сценарии можно увеличивать наблюдаемое в основных астрофизических процессах магнитное поле компактных объектов.

Идея состоит вот в чем. Как рождается компактный объект? Жила-была массивная звезда. В конце ее жизни произошел взрыв сверхновой. Внешние слои улетели, железное ядро сжалось – образовалась нейтронная звезда. Все хорошо, но не все сбрасываемые слои могут улететь бесконечно далеко. Гравитация у компактного остатка все равно достаточно сильная, кроме того, ударные волны помогают замедлить разлетающееся части звезды, и часть вещества может упасть обратно. Падающее вещество – это очень хороший проводник электричества. Магнитное поле создает в проводящем слои такие токи, которые компенсируют поле для внешнего наблюдателя. Возможна такая ситуация, когда вещества на нейтронную звезду падает достаточно много, чтобы прижать магнитное поле к поверхности. Тогда получается забавный объект. Внутри у вас может быть нейтронная звезда с очень большим полем или, можно сказать, с очень большими текущими в ней токами, но снаружи все это завалено толстым слоем проводящего вещества, и наблюдатель на бесконечности видит объект с очень маленьким полем. Такая звезда очень плохо замедляется, никакой бурной активности не наблюдается: мы просто видим десятикилометровый шарик, который светится в соответствии со своей температурой где-нибудь около миллиона градусов, – и все. Нам он представляется спокойным объектом. Но там внутри может быть что угодно, включая магнитар.

Один из активно изучаемых сейчас объектов как раз является кандидатом в такие заваленные, или «спрятанные», магнитары. Обнаружилось это довольно интересным способом. Этот объект наблюдается в рентгеновском диапазоне, и его излучение пульсирует. Но это не значит, что объект сжимается или расширяется, просто на его поверхности есть более горячие области и более холодные. Нейтронная звезда вращается вокруг своей оси, и поэтому иногда мы видим больше горячей поверхности, иногда – меньше. Соответственно, к нам приходит то больше, то меньше излучения. Так вот, наблюдаемые пульсации очень сильные, и когда астрофизики попытались это промоделировать, то оказалось, что, чтобы создать такую неоднородную температуру на поверхности, нужно очень сильное магнитное поле. А мы видим по замедлению вращения, что поле-то у него вроде бы слабое. Единственное разумное объяснение состоит в том, что наружное поле, которое отвечает за замедление нейтронной звезды, имеет маленькую величину, а внутри, в коре компактного объекта, текут большие токи, поддерживается сильное поле, которое закрыто от нас вот этим напа́давшим материалом. Это не навечно, а с точки зрения жизни нейтронных звезд – на совсем короткий промежуток времени. За несколько десятков тысяч лет поле все-таки выберется наружу за счет диффузии.