В свежей работе, опубликованной на днях в журнале в Astronomy & Astrophysics, учёные рассказали о месяцах наблюдений за взрывом после слияния двух нейтронных звёзд. Это как Большой взрыв в миниатюре, выяснили астрофизики, которые час за часом восстановили происходящие во время взрыва и после него процессы, включая рекомбинацию электронов с атомами и образование материи.

Художественное представление взрыва килоновой. Источник изображения: ESO

Уникальное событие удалось обнаружить и идентифицировать 17 августа 2017 года. Двумя неделями ранее начал работать третий детектор гравитационных волн — франко-итальянская обсерватория Virgo. В дополнение к двум детекторам американской гравитационно-волновой обсерватории LIGO, появление третьего детектора позволило с небывалой доселе точностью локализовать источник гравитационных волн. Так было зафиксировано событие GW170817 — гравитационно-волновой всплеск от слияния двух нейтронных звёзд.

Когда две нейтронные звезды слились, это привело к величайшему взрыву, что теперь принято называть килоновой. Энергия подобных взрывов может в 1000 раз превышать яркость взрыва обычных сверхновых. Это событие получило свой собственный индекс — AT2017gfo, хотя оно является производным от слияния нейтронных звёзд.

Благодаря быстрой локализации события и последующим наблюдениям за ним десятками наземных и космических обсерваторий во всех возможных диапазонах, удалось собрать множество данных, первое комплексное осмысление которых появляется лишь теперь, спустя семь лет после события. И целое оказывается невероятно познавательным, даже несмотря на то, что даже по первым результатам оно было признано прорывом в астрономических наблюдениях.

По признанию учёных, они практически наблюдали за событиями Большого взрыва в миниатюре. Сегодня мы регистрируем реликтовое излучение вокруг себя, а почасовое наблюдение за килоновой AT2017gfo позволило увидеть процессы до его появления, во время и после него. Учёные наблюдали, как из горячей плазмы, когда ещё не было никакой материи в месте взрыва килоновой, электроны начали объединяться с атомами (рекомбинировать) и образовывать нейтральные атомы — тяжёлые элементы, которые во Вселенной рождаются только во время подобных «энергичных» событий.

В послесвечении события AT2017gfo учёные обнаружили стронций и другие тяжёлые металлы. В звёздах энергии термоядерного синтеза хватает лишь на образование атомов железа. Во время взрыва килоновой температура поднялась до миллиардов градусов, что можно соотнести с температурой Большого взрыва, после которого также начали образовываться атомы тяжёлых металлов. Такого нельзя воспроизвести ни в одной земной лаборатории. И небесных лабораторий для наблюдений таких процессов пока не так много. Но событие AT2017gfo показало, что мы можем экспериментальным (наблюдательным) путём доказывать базовые теории рождения и эволюции Вселенной. И даже наблюдать «Большой взрыв» и его последствия.

Астрономы из Дании в ходе наблюдения за двойной рентгеновской системой обнаружили признаки рекордной характеристики у центрального партнёра — нейтронной звезды, вокруг которой вращается белый карлик. Одна из зарегистрированных термоядерных вспышек на объекте сопровождалась колебанием интенсивности на частоте 716 Гц. Это означает, что нейтронная звезда вращается вокруг своей оси с частотой 716 оборотов в секунду, что на сегодня является абсолютным рекордом.

NICER на МКС. Источник изображения: NASA

Двойная система 4U 1820-30 является одним из самых привлекательных кандидатов для наблюдения. Она удалена от Земли на 26 тыс. световых лет в направлении центра Млечного Пути и расположена в созвездии Стрельца. Белый карлик находится очень близко к нейтронной звезде и совершает один оборот вокруг неё за 11 минут. Диаметр нейтронной звезды составляет примерно 12 км, а её масса — в 1,4 раза больше солнечной. Такая система называется барстером. Нейтронная звезда перетягивает массу компаньона, а когда та накапливается до критического уровня, происходит термоядерный взрыв, сопровождающийся рентгеновской вспышкой.

За системой велось наблюдение рентгеновским телескопом NASA NICER, установленным на МКС. Группа DTU Space из Технического университета Дании создавала систему наведения для этого инструмента. Из 15 зарегистрированных термоядерных взрывов один указал на возможную скорость вращения нейтронной звезды — 716 оборотов в секунду. Ранее была обнаружена только одна нейтронная звезда с такой же скоростью вращения — радиопульсар PSR J1748−2446ad. Впрочем, рекордную скорость вращения 4U 1820-30 ещё предстоит подтвердить в будущих наблюдениях. Тем не менее полученные данные вносят ещё больше ясности в природу нейтронных звёзд.

Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что чрезвычайно лёгкие гипотетические частицы, известные как аксионы, могут возникать в виде больших облаков вокруг нейтронных звезд. В таком случае аксионы могли бы послужить объяснением неуловимой тёмной материи и, более того, их было бы не так уж трудно наблюдать.

Источник изображения: Университет Амстердама

Посвящённая аксионам у нейтронных звёзд работа была опубликована 17 октября в журнале Physical Review X. Она стала продолжением теоретического исследования природы аксионов, но в отличие от предыдущей работы, в которой авторы рассматривали вопрос излучения аксионов звездой, в новой работе даётся оценка аксионам, которые навсегда «зависли» у звезды.

Нейтронные звёзды создают вокруг себя и внутри настолько запредельные условия для материи, что там могут появляться редкие частицы, а материя проявляет фантастические свойства. В объект размерами 12–15 км вмещается вещество массой, равной массе Солнца. Динамо такого объекта вырабатывает чудовищное магнитное поле, а аксионы, как считается, в сильных магнитных полях превращаются в фотоны.

Аксионы предложены около 50 лет назад для устранения ряда нестыковок в физике элементарных частиц. На самом деле — это торговая марка стирального порошка (или мыла), что образно призвано «отмыть» недостатки наших знаний дочиста. В теории они очень и очень лёгкие и поэтому сложно наблюдаемые в природе или в лабораториях. Точнее, их ещё никто не наблюдал. Как обосновывают авторы работы, мы просто не знали, где их лучше всего искать. По мнению учёных, нейтронные звёзды — лучший объект для поиска аксионов.

При распаде на фотоны аксионы испускают слабый сигнал в силу своей запредельной лёгкости. Но вокруг нейтронной звезды за миллионы лет может скопиться такое невероятное облако аксионов, что оно будет излучать непрерывный и относительно легко детектируемый сигнал. Аксионы не будут падать на нейтронную звезду поголовно в силу их слабого взаимодействия с обычным веществом, поэтому аксионные облака могут являться непременным атрибутом абсолютно всех нейтронных звёзд.

Слабое взаимодействие аксионов с обычным веществом делает их неплохими кандидатами в тёмную материю. Согласно расчётам команды, облако аксионов у нейтронной звезды создаёт в локальном пространстве плотность, на двадцать порядков превышающую плотность тёмной материи. Наблюдение за облаками аксионов у нейтронных звёзд может открыть множество секретов в физике элементарных частиц и пролить свет на тёмную материю. Кстати, во время смерти нейтронной звезды облако аксионов может произвести характерную колоссальную вспышку, которую тоже можно наблюдать нашими инструментами.

Возможность существования аксионных облаков также открывает массу направлений в теоретической физике от моделирования динамики нейтронных звёзд с учётом их влияния до описания поведения самих облаков. Основы для необходимых расчётов и наблюдений уже заложены, но нужна дополнительная работа, включая численное моделирование.

Наука всё ещё блуждает в потёмках в поисках источника быстрых радиовсплесков (FRB), впервые открытых в 2007 году. За несколько миллисекунд что-то из глубин Вселенной посылает радиоимпульс мощностью, сравнимой с тремя днями солнечного излучения. У учёных есть мысли о происхождении всплесков и одна из гипотез получила хорошее подтверждение.

Источник изображения: Robert Lea / space.com

В журнале Nature группа астрономов опубликовала статью, в которой сообщила об обнаружении слабого источника радиосигнала из предполагаемого пространства одного из прежних всплесков: FRB 20201124A на удалении примерно 1,3 млрд световых лет от нас. Обнаружить слабый радиосигнал помог радиотелескоп Very Large Array в США. Радиосигнал исходит от слабосветящейся туманности в месте предполагаемого источника быстрого радиовсплеска.

Авторы исследования пояснили, что обнаруженное очень слабое радиоизлучение имеет связь с диапазонами излучения импульсов быстрых радиовсплесков. Это позволило учёным создать собственную «модель туманности», в недрах которой рождаются быстрые радиовсплески. В частности, предложенная модель предсказывает, что радиоизлучение пространства создаётся пузырём плазмы (ионизированного газа) с «двигателем» процесса в центре пузыря. За вспышки ответственность несёт «двигатель», а сами вспышки раздувают пузырь газа (плазмы) вокруг него.

«Открытие позволяет нам приписать происхождение быстрых радиовсплесков остаткам массивных звезд, — делают выводы учёные. — Наше открытие о непрерывном излучении, связанном с определённым FRB, позволяет нам лучше понять среду их источника, подразумевая, что центральный привод, производящий вспышки, также должен быть способен раздувать плазменный пузырь с помощью ветра [из заряженных частиц]».

«Лучшим кандидатом для объяснения этих свойств на данный момент является магнетар, чрезвычайно намагниченная нейтронная звезда», — заключают исследователи.

Магнетары являются частным случаем нейтронных звёзд — сжавшихся всего до 19 км ядер некогда гигантских умерших звёзд в 8 и более раз больше Солнца. Одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы 1 млрд тонн. За счёт уменьшения диаметра объекта, скорость нейтронных звёзд может достигать 700 об/с. Также физическое сжатие ядра приводит к невообразимому росту магнитного поля.

Это очень ценные объекты для изучения физики в экстремальных условиях, которые мы никогда не сможем повторить в лабораториях на Земле. Более того, изучение нейтронных звёзд может открыть путь к новой физике. Поэтому так важно понять или привязать быстрые радиовсплески к магнетарам или иным источникам, если таковые есть. А они могут быть! Некоторые быстрые радиовсплески повторяются — такое очень редко, но бывает. Учёные не исключают, что повторяющиеся FRB и разовые могут иметь разное происхождение.

Новое открытие позволяет ещё раз взглянуть на вероятные источники быстрых радиовсплесков для получения ранее пропущенных особенностей поведения пространства в радиодиапазоне в районе событий. Пузыри мёртвых звёзд оказались ценным следом, ведущим к магнетарам.

Европейский астрометрический спутник «Гайя» (Gaia) снова стал источником уникальных данных. Благодаря его наблюдениям впервые удалось обнаружить кандидатов в нейтронные звёзды на широких орбитах у звёзд, похожих на наше Солнце. В этом есть элемент чуда: обычные звёзды не должны были пережить взрывов сверхновых, оставивших после себя нейтронную звезду. Но это произошло, что снова ставит задачу перед теоретиками объяснить происходящее во Вселенной.

Художественное представление нейтронной звезды у солнцеподобной звезды. Источник изображения: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Открытие сделала международная команда астрономов во главе с учёными из США. В данных «Гайи» нашлась 21 нейтронная звезда, каждая из которых сидела в засаде на широкой орбите у своей собственной солнцеподобной звезды. Все кандидаты удалены от своих звёзд на расстояния, примерно в три раза превышающие расстояние от Солнца до Земли. Обнаружены они исключительно благодаря гравитационному воздействию на свои звёздные пары, заставляя их колебаться как более лёгких агентов.

«Это первые нейтронные звезды, открытые исключительно из-за их гравитационного воздействия», — поясняют учёные. «Гайя» смогла засечь эти колебания прежде всего из-за достаточной удалённости нейтронных звёзд от своих пар. Солнца совершают один оборот вокруг своих нейтронных партнёров за срок от шести месяцев до двух лет — такие колебания хорошо детектируются приборами «Гайи». Ранее нейтронные звёзды в двойных системах регистрировались только в тесных парах, когда сверхтяжёлые ядра умерших звёзд перетягивали вещество близкого соседа и поглощали его с выбросом энергии в рентгеновском и гамма-диапазоне. Новые «нейтронные» кандидаты в двойных системах с солнцами, сидели тихонечко и не отсвечивали.

«Открытие этих новых систем показывает, что, по крайней мере, некоторые двойные системы выживают в этих катастрофических процессах, хотя модели пока не могут полностью объяснить, как», — поясняют учёные. Впрочем, пока это считается крайне редким открытием. По подсчётам учёных, только одна солнцеподобная звезда из миллиона может получить в пару нейтронную звезду на широкой орбите.

Подобный метод обнаружения невидимых партнёров, а нейтронную звезду напрямую увидеть нельзя, учёные намерены использовать для обнаружения тихих чёрных дыр. Такие уже обнаружены, и даже довольно недалеко от Земли. В будущем учёные надеются открыть больше таких объектов, что также заставит потрудиться теоретиков.

5 апреля опубликованы первые данные нового цикла наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, стартовавшего год назад. Первым достоверно подтверждённым событием стал гравитационно-волновой сигнал GW230529. Это событие оказалось уникальным и вторым подобным за всю историю работы детекторов. Один из объектов гравитационного взаимодействия оказался из так называемого разрыва масс между нейтронными звёздами и лёгкими чёрными дырами, а это новая загадка.

Художественное представление разрыва нейтронной звезды чёрной дырой. Источник изображения: Max Planck Institute for Gravitational Physics

Согласно данным гравитационно-волновых детекторов LIGO, событие GW230529 представляет собой взаимодействие двух объектов — одного массой 1,2–2,0 солнечных масс, а второго — более чем в два раза массивнее (2,5–4,5 солнечных масс). Первый компактный объект определён как нейтронная звезда, а второй попал в диапазон масс, в котором ничего не должно находиться. Выше разрыва учёные находили лёгкие чёрные дыры, а ниже — нет. Также в этот диапазон не могут попасть нейтронные звёзды. Остаётся предположить, что учёные открыли легчайшую чёрную дыру, что стало вызовом для современной астрофизики.

В одно из предыдущих наблюдений детекторами LIGO-Virgo подобный объект промежуточной массы уже наблюдался — это сигнал GW190814. Но тогда, в 2019 году, был получен сигнал об объекте из нижнего диапазона разрыва масс, что заставило заподозрить в нём тяжелейшую нейтронную звезду. Сигнал GW230529 подбросил новую загадку, но одна только гравитационно-волновая обсерватория её не решит. Для этого нужны наблюдения в других диапазонах.

Кстати, сигнал GW230529 был обнаружен только обсерваторией LIGO. Обсерватория Virgo в Италии и KAGRA в Японии данных не увидели, поэтому определение направления на событие затруднено. В то же время обнаружение сигнала на одном детекторе стало проверкой нового программного обеспечения, которое успешно отфильтровало шум и вычленило полезный и, как оказалось, уникальный сигнал.

В январе обсерватории были остановлены на плановое обслуживание и модернизацию. Обсерватория в Японии подверглась землетрясению и вынуждена была встать на ремонт. Новый сеанс наблюдения начнётся 10 апреля и продлится до февраля 2025 года. В первый цикл было зафиксировано 81 событие, данные по первому из них — GW230529 — опубликованы. Всего по окончанию цикла ожидается регистрация свыше 200 гравитационно-волновых событий.

Вселенная полна «ускорителями для бедных», как академик Яков Зельдович назвал энергичные космические явления. Ряд процессов мы никогда не сможем воссоздать в земных лабораториях, куда входят также события, связанные с нейтронными звёздами. Всё это можно изучать со стороны и сейчас такие наблюдения принесли новый успех — впервые учёные зафиксировали струю выброса вещества с нейтронной звезды, скорость которого достигла 40 % от скорости света.

Художественное представление нейтронной звезды. Источник изображения: ЕКА

Открытие помогли сделать массив радиотелескопов Compact Array в Австралии и европейский рентгеновский спутник Integral (совместный проект ЕКА с «Роскосмосом» и NASA). Джеты и рассеяние вещества в процессе взаимодействия со струёй от нейтронной звезды видны только в этих диапазонах, а также в гамма-диапазоне. Другим условием было наличие у нейтронной звезды партнёра — обычной звезды, у которого она могла бы отнимать вещество для инициации джетов.

Силой своей гравитации нейтронные звёзды уступают только чёрным дырам. Если это двойная система из нейтронной звезды и обычной звезды, то вещество от последней (как правило, это водород) перетекает на нейтронную звезду, за что их иногда называют звёздными каннибалами. Концентрация и уплотнение водорода на поверхности нейтронной звезды приводит к запуску термоядерной реакции и взрыву, который и порождает джет — выброс энергии и вещества. Попутно в джет вовлекается окружающее нейтронную звезду вещество из пространства и ускоряется им, начиная светиться в рентгеновском и гамма-диапазоне.

Проблема с наблюдением таких явлений в том, что джеты возникают не по расписанию, а произвольно. Поэтому учёным приходится часами и даже сутками следить за нейтронными звёздами, в надежде собрать наиболее полную информацию по событию. Должно совпасть множество факторов, включая положение обсерваторий.

Международная группа астрофизиков из Университета Уорика (Великобритания), Национального института астрофизики в Палермо (Италия) и Амстердамского университета в Нидерландах добилась своего и смогла в деталях запечатлеть явление в «идеальном», как сообщили учёные в журнале Nature, эксперименте. Они зафиксировали не только процесс образования джета, но также захват струёй вещества из окружающего пространства и его разгон до скорости 35–40 % от скорости света (примерно 114 тыс. км/с).

По словам исследователей, это самый быстрый джет из наблюдавшихся. Также учёные отметили, что создавший струю термоядерный взрыв, по-видимому, не разрушил локацию, где он произошёл, а лишь вовлёк в струю массу вещества, синтезированного звездой. Тем самым подобные процессы очевидным образом влияют как на распространение более тяжёлых элементов по Вселенной, так и непосредственно на процессы звездообразования.

У Вселенной много загадок для человечества, среди которых нейтронные звёзды занимают особое положение. Это настолько плотные объекты, что в них есть место даже для новой физики. И хотя мы не сможем к ним приблизиться, учёным доступны наблюдения и компьютерное моделирование. Подгоняя симуляцию под наблюдения можно раскрыть множество секретов нейтронных звёзд.

Источник изображений: Zingale et al., ApJ, 2024

Столкновения нейтронных звёзд в двойных системах порождают термоядерные взрывы, когда часть вещества перетекает на другую звезду и запускается термоядерная реакция. Это очень мощные явления, которые астрономы фиксируют в гамма- и рентгеновском диапазоне. Силу вспышки и её динамику можно оценить количественно и затем использовать в расчётах для воспроизведения условий для её возникновения. Если расчёты совпадают с увиденным, значит, появляется простор для уточнения массы нюансов поведения нейтронных звёзд. Необходимые детали можно получить из моделирования, даже если мы никогда не получим непосредственного подтверждения симуляции наблюдениями.

Ранее в Ок-Риджской национальной лаборатории на суперкомпьютере Summit учёные исследовали термоядерное воспламенение нейтронной звезды в 2D-проекции. Для объёмной симуляции процесса необходимы намного большие машинные ресурсы, и они были выделены. В новом исследовании была проведена первая в мире подробная 3D-симуляция термоядерного воспламенения нейтронной звезды.

«С помощью симуляции мы можем увидеть, как эти события происходят в мельчайших деталях, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal. — Одна из вещей, которую мы хотим сделать, это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим выяснить, как ведёт себя материя при экстремальных плотностях, которые вы обнаружили бы в нейтронной звезде».

В среднем диаметр нейтронных звёзд достигает 20 км. При этом её масса — это масса ядра бывшей звезды, превратившейся в сверхновую — может достигать двух масс Солнца. Собственной массы ядра не хватило, чтобы оно коллапсировало в чёрную дыру, но оставшись материальным телом, настолько спрессовало вещество в себе, что его плотность достигла невообразимых значений. Таких, что атомы вещества в центре нейтронных звёзд могут находиться в разобранном на кварки состоянии или ещё до каких-то неизвестных нам уровней.

Слева изображения симуляции термоядерного взрыва на нейтронной звезде в 2D, справа — в 3D

Моделирование позволяет выявлять нюансы физики нейтронных звёзд, чтобы установить ограничения на те или иные явления и процессы. Наконец, это может помочь создать модель внутренней физики этих объектов. Запуск 3D-модели термоядерного взрыва на нейтронной звезде показал несколько другие результаты, чем во время запуска 2D-модели. Это позволит сделать поправку на исследование процесса в 2D. Это важно по той причине, что запуск в 2D требует гораздо меньше вычислительных ресурсов и происходит быстрее.

В то же время запуск симуляции в 3D раскрыл новые грани процесса распространения термоядерной реакции по поверхности нейтронной звезды. Пока учёные смогли запустить моделирование лишь в районе одного полюса объекта, но приближаются к моделированию явления в масштабах всей звезды от полюса к полюсу.

Нейтронные звёзды обнаружить ничуть не легче, чем чёрные дыры. Они тоже темны, но к тому же очень компактны. Все обнаруженные ранее нейтронные звёзды определены по косвенным признакам и нашим моделям. Телескоп «Уэбб» вплотную подобрался к обнаружению нейтронной звёзды, являющейся останками взрыва сверхновой.

Источник изображения: NASA

Сразу после ввода телескопа в строй летом 2022 года учёные начали следить за останками сверхновой 1987A. Это близкий к нам объект всего в 160 тыс. световых лет. Сверхновая вспыхнула в феврале 1987 года и к маю стала видна на Земле даже невооруженным глазом. Это первая такая яркая сверхновая с 1604 года (со времён сверхновой Кеплера).

За два часа до обнаружения сверхновой в оптическом диапазоне три земных нейтринных обсерватории зафиксировали короткий всплеск нейтрино от объекта в том же месте пространства. Расчёты показали, что сверхновая, скорее всего, закончит своё существование нейтронной звездой, а не чёрной дырой. Однако твёрдых доказательств этому не было, и учёные все последующие 40 лет следили за сверхновой 1987A в надежде получить больше данных для уточнения моделей терминальной стадии эволюции звёзд.

Обсерватория им. Джеймса Уэбба получила лучшие доказательства в пользу образования после взрыва сверхновой 1987A нейтронной звезды, а не чёрной дыры. На снимке выше слева можно увидеть изображение останков сверхновой 1987A, сделанные камерой NIRCam телескопа. Справа вверху данные прибора MIRI показывают однократно ионизированный аргон вокруг предполагаемой нейтронной звезды (атомы аргона потеряли по одному электрону под воздействием ионизирующего излучения нейтронной звезды).

Справа внизу показан снимок многократно ионизированного аргона, полученный прибором NIRSpec «Уэбба» (атомы аргона потеряли до пяти электронов каждый). Ионизация аргона означает, что компактный объект в центре излучает высокоэнергичные фотоны, которые выбивают электроны из окружающего объект газового облака. На основании наших знаний об эволюции звёзд с большой вероятностью можно предположить, что в центре останков сверхновой 1987A находится нейтронная звезда, а не чёрная дыра, что на сегодня стало лучшим доказательством существования нейтронных звёзд. На этом работа по объекту не прекратится. Открытие придало исследованиям ещё больше смысла.

В нашей родной галактике обнаружен один-единственный магнетар, который испускает короткие радиовсплески, природа которых до сих пор остаётся предметом научных дискуссий. Относительная близость к нам магнетара SGR 1935 + 2154 даёт учёным надежду разгадать секреты этих объектов, и шаг в этом направлении уже совершён.

Художественное представление выброса вещества из нейтронной звезды (линии магнитного поля показаны зелёным). Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Магнетар SGR 1935 + 2154 в 30 тыс. световых годах от Земли впервые выдал зарегистрированный нашими приборами радиовсплеск в 2020 году. Повторный сигнал возник в октябре 2022 года. Специалистам NASA удалось оперативно отреагировать на второе событие и направить в сторону источника два научных прибора: размещённый на МКС NICER для исследования внутреннего состава нейтронных звезд и орбитальный NuSTAR для ядерной спектроскопии. Результаты наблюдений настолько удивили учёных, что они стали предметом серьёзной научной работы, опубликованной в журнале Nature 14 февраля.

Следует отметить, что магнетары — окружённые сильнейшими магнитными полями нейтронные звёзды диаметром около 20 км, оставшиеся после взрыва сверхновых — вращаются очень и очень быстро. Средняя скорость вращения SGR 1935 + 2154 составляет чуть больше 3 оборотов в секунду. Испускаемые ими радиовсплески сопровождаются колоссальными выбросами энергии, наблюдаемыми также в рентгеновском и гамма-диапазоне. За долю секунды высвобождается энергия, которую наше Солнце отдаёт в течение одного года, а иногда и больше.

Подобные выбросы энергии способны изменить скорость вращения нейтронной звезды, и они её изменяют. Что провоцирует эти процессы — остаётся в области гипотез. Например, это могут быть крупные астероиды, ударяющие в нейтронную звезду по направлению вращения и против него. Также учёные считают возможным явления звездотрясения, которые вызывают колебания поверхности звезды с последующими переключениями силовых линий магнитного поля.

Наблюдение радиовсплеска в октябре 2022 года позволило заподозрить ещё одну причину возникновения этих явлений. Быстрая реакция на событие и его изучение одновременно двумя разными приборами показало, что магнетар снизил скорость вращения в 100 раз быстрее, чем в случае всех предыдущих наблюдений. Снижение скорости произошло всего за 9 часов, тогда как ранее на это уходили недели и даже месяцы. Что-то ускорило этот процесс, и это должно было быть что-то новое.

В своей работе учёные доказывают, что магнетар мог выбросить в космос вещество подобно процессу вулканической деятельности. Сверхплотные недра нейтронной звезды должны существовать в состоянии сверхтекучести. Благодаря этому «жидкость» может плескаться внутри звезды и передать ей импульс, который был бы способен взломать кору и произвести извержение. Сильнейшие магнитные поля магнетара придали бы этому извержению дополнительный импульс, и образовалось бы что-то типа реактивной струи, которая могла бы в кратчайшие сроки придать нейтронной звезде ускорение или торможение.

По мнению исследователей, они нащупали нечто новое в поведении магнетаров и намерены плотнее заняться изучением вопроса, что обещает, наконец, разгадать тайну рождения коротких радиовсплесков магнетаров.

Группа астрономов из Манчестерского университета обнаружила на краю нашей галактики объект, который учёные затруднились идентифицировать. Находка является тусклой и не видна в обычные телескопы. Найти загадочное нечто удалось по наблюдению за пульсаром, на орбите которого объект расположен. Проблема в том, что масса неизвестного объекта выходит за рамки наших знаний о нейтронных звёздах и чёрных дырах. И одни и другие с такой массой ещё не встречались.

Двойная система из пульсара и чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Daniëlle Futselaar

Почему это важно? Если загадочный объект окажется нейтронной звездой, то это откроет путь к новой физике. Его масса лежит в пределах 2,09–2,71 солнечных масс. Теоретически нейтронная звезда не может быть тяжелее 2,3 масс Солнца, но в верхней части диапазона открытий таких объектов либо нет, либо они малодостоверные. Насколько мы понимаем физику процесса, более тяжёлые нейтронные звёзды коллапсируют в чёрные дыры. Если же такие звёзды существуют, то там происходят такие процессы, о которых мы не знаем, вплоть до существования каких-то иных элементарных частиц.

С другой стороны, мы ещё не открывали чёрных дыр массой менее 5 солнечных и с подтверждением открытий в нижней части диапазона массы этих объектов тоже не всё однозначно. Поэтому если загадочный объект окажется чёрной дырой, то это будет легчайшая чёрная дыра за всё время наблюдений. Это не разрушит основы физики, но даст пищу для множества научных теорий.

Учёные не сомневаются в достоверности параметров открытого ими объекта. Он обнаружен на орбите пульсара PSR J0514-4002E, излучающего сверхкороткие радиоимпульсы (миллисекундной длительности), и это позволило с высочайшей точностью рассчитать массу системы и массу каждого из объектов: пульсара и пока непонятно чего.

Симуляция вероятной конфигурации загадочной двойной системы. Источник изображения: OzGrav, Swinburne University of Technology

Система расположена в звёздном скоплении NGC 1851 примерно в 54 тыс. световых годах от центра галактики Млечный Путь. Сбором данных занимался массив радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке. Неизвестное тело совершает один орбитальный оборот за 7,44 суток. Учёные намерены приложить все усилия, чтобы узнать его природу. Вне зависимости от идентификации объекта, открытие обещает оказаться значимым для науки.

Международная группа исследователей обнаружила быстрый радиовсплеск, который не может быть объяснён современными теориями. Впервые подобные сигналы зарегистрированы в 2007 году и всё ещё ждут своего объяснения. Некоторые даже считали их сигналами инопланетян, но эта теория не возобладала. Новый и необычный по силе и удалённости радиовсплеск задаёт новую загадку, и разгадать её означает продвинуться в познании тайн Вселенной.

Источник изображения: Pixabay

Событие FRB 20220610A было зарегистрировано в июне 2022 года с помощью расположенного в Австралии массива радиоантенн ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder). Поиск в оптическом диапазоне с помощью телескопа VLT определил источник радиовсплеска — безымянную галактику, расположенную на удалении почти 8 млрд световых лет. Это стало сенсацией по целому ряду причин.

Ещё никто не регистрировал FRB (fast radio burst) так далеко. Мощность сигнала также оказалась рекордной и в 3,5 раза превысила ранее зафиксированный максимум. За несколько миллисекунд события в космос была отправлена энергия, эквивалентная сумме всех энергетических выбросов с нашего Солнца за 30 лет.

Согласно одной из теорий, быстрые радиовсплески возникают в процессе «звездотрясений». Испускающая сигнал нейтронная звезда производит его из-за смещений в своей коре, которая испытывает колоссальное давление и оттого наделяет импульс невообразимой энергией. Однако подобные процессы накладывают ограничения на яркость события, а FRB 20220610A многократно превысил все расчётные значения.

Другая теория гласит, что быстрые радиовсплески возникают в процессе столкновения высокоскоростных частиц, выброшенных нейтронными звёздами, с окружающим их веществом в звёздном ветре. Но данные по FRB 20220610A также выходят за рамки этой модели, и учёным есть над чем поломать голову.

Но и это ещё не всё. Быстрый радиовсплеск FRB 20220610A может оказать неоценимую помощь для поиска невидимого обычного вещества во Вселенной — холодных межзвёздных газа и пыли, которые не видны в оптическом диапазоне и плохо фиксируются в других, особенно на огромном от нас удалении.

Разница в спектре свободно летящего сигнала и сигнала, пробивающегося сквозь облака барионного вещества. Источник изображения: ICRAR

Дело в том, что в процессе распространения по Вселенной по мере прохождения облаков пыли и газа, радиосигнал, скажем так, расщепляется. Это похоже на появление радуги в небе, когда свет Солнца преломляется в каплях дождя. Разные длины волн отклоняются на разную величину в процессе прохождения облаков пыли и газа, которые имеют собственный электромагнитный фон и естественным образом воздействуют на электромагнитные волны в быстром радиовсплеске. Для FRB 20220610A разброс оказался нетипичным, хотя ранее подобное уже один раз фиксировалось.

Это означает, что учёным придётся учесть новый фактор при детектировании холодного межзвёздного вещества с помощью FRB. Эта «линейка» оказалась не так проста, как считалось ранее. Но тем важнее учесть все нюансы. Чем точнее будет наша математика, тем больше мы узнаем о мире, в котором живём.

По крайней мере некоторые из быстрых радиовсплесков могут быть вызваны «звездотрясениями», возникающими «на поверхности нейтронных звёзд», утверждают учёные Токийского университета в новой работе.

Источник изображений: wikipedia.org

Быстрый радиовсплеск (Fast Radio Bursts, FRB) представляет собой внезапный импульс радиочастотного излучения, который продолжается всего несколько микросекунд. С момента первого обнаружения в 2007 году астрономы зафиксировали уже тысячи таких событий: одни источники испускают их регулярно, другие же производят их один раз и замолкают.

Распространёнными источниками регулярных радиовсплесков являются пульсары и магнетары — нейтронные звёзды, то есть схлопнувшиеся плотные ядра некогда массивных звёзд, чья масса теперь сравнима с солнечной при диаметре в десятки километров. Пульсары вращаются с частотой в несколько сотен оборотов в секунду, а их магнитное поле наклонено к оси вращения, из-за чего возникает излучение. Магнетары вращаются медленнее, но обладают самыми сильными во Вселенной магнитными полями — в триллионы раз сильнее земного.

В 2020 году телескоп CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) зафиксировал событие, похожее на FRB, но всплеск исходил от SGR 1935+2154 — «источника регулярного мягкого гамма-излучения». Событие подтвердил телескоп STARE2 (Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2), и предположение, что FRB мог быть произведён магнетаром, представлялось многообещающим.

Учёные также зафиксировали несколько FRB, которые больше не повторялись, и предположили, что их источник был уничтожен. Таким источником мог быть блицар — причудливое астрономическое событие, связанное с коллапсом излишне массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Это событие возникает при слиянии двух нейтронных звёзд — оно образует слишком крупную нейтронную звезду, которую удерживает от немедленного коллапса только быстрое вращение. Но вращение замедляется из-за сильных магнитных полей, объект коллапсирует в чёрную дыру, а энергия магнитных полей высвобождается в виде FRB.

Первый зафиксированный в 2007 году быстрый радиовсплеск

В 2022 году астрономы при помощи телескопа CHIME обнаружили FRB, который был зафиксирован как единичное событие, но на самом деле состоял из девяти отдельных всплесков, повторявшихся примерно каждые 215 мс, а его источник находился предположительно вблизи поверхности магнетара. По одной из версий, звезда вращалась медленно, а событие было порождено вибрациями её коры, то есть «звездотрясением». Учёные токийского университета решили сравнить статистику FRB с данными о землетрясениях и солнечных вспышках, чтобы установить возможные сходства. Для этого были изучены 7000 сигналов от трёх источников повторяющихся FRB, чтобы учесть корреляцию между другими подобными событиями — тот же подход был использован при установке корреляции по времени и энергии землетрясений и солнечных вспышек для последующего анализа всех трёх явлений.

Как выяснилось, между FRB и землетрясениями действительно есть некоторые сходства. В частности, вероятность афтершока после одиночного события составляет от 10 % до 50 %. Частота афтершоков остаётся постоянной величиной, даже если активность FRB и землетрясения существенно меняется — при этом корреляция между энергиями основного толчка и афтершоков отсутствует. Исследователи планируют и дальше анализировать новые данные FRB, но уже полученные ими результаты указывают, что нейтронные звёзды могут иметь твёрдую кору, склонную к «звездотрясениям», при которых выделяется огромное количество энергии в виде FRB.

Астрономы говорят, что их проект поможет больше узнать как о землетрясениях, хотя условия на далёких сверхплотных звёздах и кардинально отличаются от земных; так и о материи очень высокой плотности, а также о фундаментальных законах ядерной физики.

Магнетарами становятся примерно 10 % нейтронных звёзд и учёные пока не понимают механизмов превращения сверхновой в такой сверхнамагниченный компактный объект, как магнетар. Новое открытие даёт намёк на предпосылки для рождения магнетара. Подсказкой стало обнаружение звезды с необычно сильным магнитным полем, мощность которого превышает все известные науке модельные значения.

Магнетар в представлении художника. Источник изображения: L. Calçada/European Southern Observatory

Предметом исследования стала массивная звезда в двойной системе HD 45166, которая удалена от нас на 3000 световых лет. Право наблюдать за HD 45166 добился астроном Томер Шенар (Tomer Shenar) из Университета Амстердама (Нидерланды). Главная звезда системы имеет все признаки так называемой звезды Вольфа-Райе — это тип звёзд, для которых характерны очень высокие температуры и светимости и, как правило, они находятся на поздних стадиях своей эволюции, а также содержат мало водорода и богаты гелием. Но звезда в системе HD 45166 имела одно существенное отличие от типичных звёзд Вольфа-Райе — её масса была значительно меньше ожидаемой.

Эта аномалия заставила учёного добиваться доступа к самым передовым астрономическим инструментам. Он считал, что звезда ведёт себя подобно звёздам Вольфа-Райе и при этом намного менее массивна по причине сильного магнитного поля, которые раньше не регистрировались у таких звёзд. И действительно, сила магнитного поля у главной звезды HD 45166 оказалась запредельная для таких объектов — она достигала 43 тыс. Гс (гаусс). Для сравнения, сила магнитного поля Земли всего 0,5 Гс.

«По сути, это объект, который не соответствует нашим моделям и теориям», — сказал Шенар в интервью CNN.

Учёный считает, что смог обнаружить звезду, которой суждено превратиться в магнетар. Произойдёт это примерно через один миллион лет, когда звезда пройдёт стадию сверхновой и сбросит оболочку, а её ядро сожмётся до нейтронной звезды. По крайней мере, это может быть один из сценариев рождения магнетаров, добавляет учёный.

Другой вопрос: как такое могло произойти, что звезда хорошо изученного типа приобрела настолько запредельное для неё магнитное поле? По мнению исследователя, которое он представил в виде статьи в журнале Science, изначально система HD 45166 содержала три звезды, и одна из них была поглощена главной звездой. Тяжёлое ядро поглощённой звезды теоретически способно на такие проявления, как сильный магнетизм. Так это или нет, но астрономы теперь могут поискать в небе потенциально новый тип «массивных гелиевых магнитных» звёзд, чтобы закрепить или опровергнуть открытие «зародышей» магнетаров.

Расположенная в 30 тыс. световых годах от центра Млечного Пути нейтронная звезда (магнетар) SGR 1935+2154 некоторое время назад резко «заглючила» — изменила скорость своего вращения, что сопровождалось быстрым радиовсплеском. Группа китайских учёных предложила объяснение зафиксированных сбоев: аномалии могут быть вызваны падением астероида, который был притянут гравитационным полем звезды и разорван на части.

Источник изображения: nasa.gov

Как и все нейтронные звёзды, магнетары появляются, когда у массивной звезды заканчивается топливо для термоядерного синтеза, удерживающего её от коллапса под действием собственной гравитации. После взрыва сверхновой внутреннее ядро сжимается, порождая звёздный остаток с массой Солнца и размерами среднего земного города. В результате силовые линии магнитного поля умирающей звезды сближаются, порождая мощнейшие магнитные поля среди всех объектов Вселенной. Поэтому такие нейтронные звёзды называют магнетарами.

Иногда магнетары производят быстрые радиовсплески — первый из них был обнаружен в 2007 году, и его природа тогда была неясна. В 2020 году была установлена связь между быстрыми радиовсплесками и нейтронной звездой SGR 1935+2154 — природу этой связи попытались объяснить китайские исследователи. Нейтронные звезды могут быть окружены остатками своих планетарных систем, и среди этих обломков могут оказаться астероиды. Когда астероид притягивается гравитацией магнетара и разрушается, импульс этого космического камня по законам физики не может исчезнуть бесследно — он сообщается нейтронной звезде. Если астероид движется в направлении вращения нейтронной звезды, то при их столкновении последняя ускоряет вращение («сбой» или «глюк»); в противоположном случае оно замедляется («антисбой» или «антиглюк»).

Остатки разрушенного гравитацией астероида попадают в ловушку интенсивного магнитного поля магнетара, в результате чего силовые линии изменяют конфигурацию, прерываются и снова соединяются, на последнем этапе производя быстрый радиовсплеск. В конце концов остатки космического камня попадают на поверхность нейтронной звезды, производя взрыв чудовищной силы: подсчитано, что падающий на нейтронную звезду объект массой с один зефир выделяет энергию, эквивалентную детонации тысячи водородных бомб.

Это значит, что ударяющееся о поверхность нейтронной звезды вещество астероида создаёт мощные энергетические вспышки на разных частотах спектра, и эти вспышки могут обнаруживаться астрономами. Исходя из этого посыла, учёные смогут и дальше фиксировать столкновения астероидов с магнетарами, укрепляя тем самым связь между нейтронными звёздами и быстрыми радиовсплесками.