Точные измерения сильного магнитного поля вблизи поверхности одной из самых загадочных нейтронных звезд позволяют лучше понять природу и эволюцию этих объектов и описать их в рамках единой картины.

Сергей Попов, доктор физико-математических наук, научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ
Нейтронная звезда SGR 0418+5729: слева — розовая точка в самом центре фотографии, справа — в виде схематичного изображения

В физике «Великим объединением» называют пока не созданную теорию, которая объединила бы электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Дальше останется только «Теория всего», там добавится и четвертое взаимодействие — гравитация. В 2010 году Вики Каспи из университета МакГилла (Монреаль, Канада) ввела в обиход термин «Великое объединение нейтронных звезд». Что он обозначает?

Лет 15 назад астрономы начали с удивлением обнаруживать, что молодые нейтронные звезды могут наблюдаться как источники очень разных типов. Какие-то из них выглядят как обычные радиопульсары. Какие-то производят мощные гамма-вспышки. Некоторые обладают сильным рентгеновским излучением, хотя как радиопульсары не видны. Некоторые «сидят» в самых центрах остатков сверхновых и светят потому, что очень горячие. Целый зоопарк! Казалось, что по какой-то причине начальные свойства этих объектов очень разнятся. То есть с самого рождения нейтронную звезду ждет какая-то определенная судьба.

Однако несколько лет назад начали открывать еще более удивительные явления, показывающие, что судьба нейтронной звезды не столь однозначна. Например, оказалось, что нейтронные звезды с гамма-вспышками (их называют источниками повторяющихся мягких гамма-всплесков) и нейтронные звезды с аномально большой рентгеновской светимостью (аномальные рентгеновские пульсары) — «родственники». У многих аномальных пульсаров стали регистрировать вспышки, а у источников повторяющихся всплесков зарегистрировали высокую рентгеновскую светимость между вспышками. Теперь и те и другие относят к классу магнитаров — нейтронных звезд, чья активность связана с выделением энергии магнитного поля (или, можно сказать, энергии мощных электрических токов внутри звезды, которые это поле и создают). Дальше — больше. Хотя некоторые ученые уже поверили, что магнитары не проявляют себя как радиопульсары (и даже придумали теории для объяснения этого!), неожиданно было открыто пульсарное излучение и от аномальных рентгеновских пульсаров, и от источников повторяющихся гамма-всплесков. И это еще не все. Один из радиопульсаров неожиданно стал в несколько раз ярче в рентгеновском диапазоне, и от него пошли вспышки. Жил-был пульсар — стал магнитар!

Есть и другие примеры «кентавров» — источников, проявляющих свойства разных классов объектов. Это надо как-то объяснять. То есть, нужна какая-то объединяющая модель, которая смогла бы в рамках единой картины описать разные типы источников и объяснить превращения и сочетания свойств. Вот это и есть «Великое объединение нейтронных звезд».

У нейтронных звезд не так уж много параметров. И один из самых главных — магнитное поле. Он должен играть важную роль в Великом объединении. Поле может уменьшаться (с выделением энергии), расти или оставаться неизменным. Причем на разных стадиях жизни звезды поведение может быть различным. Одна из проблем связана с тем, что магнитное поле трудно измерить. Другая — с тем, что поле может иметь множество разных компонент.

Обычно магнитные поля нейтронных звезд не измеряют напрямую. Но их можно оценить. Если у нас есть одиночная нейтронная звезда, вокруг пустота, а звезда вращается, то, во‑первых, она будет периодическим источником излучения, во‑вторых, вращение будет замедляться (период растет). Вот по темпу изменения периода как раз можно прикинуть, чему равно магнитное поле. Именно так оценивают поля радиопульсаров. Они оказываются равными примерно 10 в 12 степени гаусс. Это в десятки тысяч миллиардов раз больше, чем на поверхности Земли или Солнца (вне пятен). Так же оцененные поля магнитаров еще в сотни раз больше. Но эта оценка касается лишь одной (хотя и самой главной) компоненты поля — дипольной. Это самое привычное для нас поле. Оно похоже на поле обычного магнита: два полюса и форма линий, напоминающая бабочку (или восьмерку, или знак бесконечности — кому что). Эта компонента поля слабее других спадает с расстоянием. Но вблизи поверхности объекта поле может выглядеть очень «кудряво». Например, на Земле есть магнитные аномалии, на Солнце — пятна, которые связаны с мощными магнитными полями. Измерить эти компоненты издалека гораздо труднее.

Единственный хороший способ точно измерить поля (любую компоненту) — это измерить его влияние на спектр объекта. Именно так, к примеру, измеряют поля звезд. Здесь астрономы достигли высокой точности, хотя речь идет о полях, скажем, в сотни гаусс. А вот сверхсильные поля нейтронных звезд удается измерить крайне редко. Это связано с особенностями их спектров. До недавнего времени хорошие измерения касались только нейтронных звезд, являющихся рентгеновскими источниками в тесных двойных системах. Но наши герои — совсем другие, это «герои-одиночки». И вот в августе астрономы отрапортовали о важном прорыве.

Чтобы построить точный рентгеновский спектр, нужно собрать много фотонов. Самый лучший агрегат для этого — европейский спутник XMM-Newton. Именно его использовала группа итальянских астрономов (Андреа Тиенго из университета Павии и его соавторы, статья с открытием опубликована в журнале Nature) для исследования одного из самых загадочных магнитаров, который астрономы обозначают SGR 0418+5729. Его тайна связана с магнитным полем. По замедлению периода вращения необычного магнитара удалось оценить его дипольное поле. Оно оказалось обычным, таким же как у радиопульсаров. Это странно — до этого все магнитары имели гигантские дипольные магнитные поля. Ученые подозревали, что дело тут в других компонентах поля, прижатых к поверхности — они должны быть большими. Но вот только измерить их очень сложно.

Детальный спектр, полученный с помощью XMM-Newton однозначно говорит о том, что вблизи поверхности магнитара SGR 0418+5729 поле очень сильное. И это очень точные данные! Удивительно, что самое точное измерение магнитного поля у одиночной нейтронной звезды впервые выполнено для столь странного объекта. Магнитар оказался магнитаром. Поле у поверхности в сотни, а может, и в тысячи раз выше, чем у обычных радиопульсаров. Почему же это так важно?

Это открытие вносит некоторую ясность в картину Великого объединения нейтронных звезд. Во‑первых, подтверждено, что активность магнитаров связана с сильными полями в их коре. Это хорошая новость, так как были сомневающиеся. Некоторые ученые пытались объяснить магнитары без привлечения сильных полей и возлагали на SGR 0418+5729 некоторые надежды. Во‑вторых, подтверждено, что активность нейтронных звезд может быть связана с недипольными компонентами магнитных полей, и более того, что эти компоненты могут в сотни раз превосходить дипольное поле!

Теперь важные аспекты единого сценария эволюции нейтронных звезд не выглядят столь умозрительными. Объекты исследования астрономов находятся очень далеко, и изучать их поэтому непросто. Тем более трудно строить теоретические модели. Тут легко навоображать себе какие-нибудь несуществующие свойства и стать жертвой собственных фантазий. К счастью, наблюдатели рано или поздно вносят ясность. Сейчас мы на шаг ближе к Великому объединению нейтронных звезд.