Двойные радиопульсары

Итак, массивные звезды в основном рождаются в двойных. Примерно в 10 % случаев система не разрушается после взрыва сверхновой. Значит, мы можем увидеть радиопульсар в паре с другой звездой. Но обычные пульсары живут недолго: всего миллион‑другой лет – и все. Выключается механизм генерации радиоизлучения. Это происходит в основном из‑за замедления темпа вращения. Еще немного может добавить уменьшение магнитного поля. Чтобы пульсар заработал вновь. было бы неплохо снова раскрутить его до очень короткого периода. Но как? Эволюция в тесной двойной системе дает такую возможность.

После возникновения нейтронной звезды в двойной системе второй компаньон продолжает свою жизнь. Как мы уже говорили, вокруг каждой из звезд существует область, контролируемая ею. Этот объем называют полостью Роша. В какой‑то момент обычная звезда может заполнить свою полость Роша. Тогда начнется перетекание вещества на нейтронную звезду.

Полости Роша в двойной системе. Звезды могут обмениваться массой через так называемую внутреннюю точку Лагранжа, соединяющую две полости.

Переполнение может произойти в двух случаях: либо сама звезда расширилась – превратилась в красного гиганта, либо система просто стала более тесной – из‑за излучения гравитационных волн или из‑за магнитного звездного ветра компоненты сближаются, и начинается перетекание.

Поток вещества влияет на нейтронную звезду тремя способами. Во‑первых, он раскручивает ее до миллисекундных периодов. Во‑вторых, немного подрастает ее масса. Третий эффект довольно неожиданный – уменьшается магнитное поле нейтронной звезды.

Выше мы уже говорили, что поля затухают, если уменьшаются токи, их порождающие. А токи уменьшаются из‑за сопротивления, которое возрастает, когда кора нейтронной звезды нагревается. Так вот, аккреция будет греть кору, что приведет к уменьшению магнитного поля. Кроме того, падение большой массы вещества приведет к тому, что старая кора, в которой текут токи, начнет опускаться глубже в недра. Там затухание токов будет происходить быстрее. Результатом снова будет уменьшение магнитного поля.

В итоге получится такой необычный объект: нейтронная звезда с периодом вращения несколько миллисекунд и полем в сотни раз меньше, чем у обычных пульсаров. Такой источник тоже может излучать в радиодиапазоне. Это миллисекундный пульсар.

Особенность подобных объектов в том, что из‑за слабого поля они очень медленно тормозят свое вращение. Поэтому живут они долго – миллиарды лет. Соответственно, мы можем обнаружить много таких объектов.

Первый миллисекундный радиопульсар был открыт в 1982 году. Но идея о том, что в двойных системах могут появляться пульсары с низкими полями, была впервые детально разработана более 40 лет назад, в работе 1974 года Бориса Комберга и Геннадия Бисноватого‑Когана. Постепенно заполнялись пробелы как в нашем теоретическом понимании природы этих систем, так и в наблюдательных данных. Со временем были открыты рентгеновские миллисекундные пульсары, это произошло в 1998 году. Эти источники – предшественники миллисекундных радиопульсаров. В системе еще идет аккреция на нейтронную звезду. Но если ее прекратить, то начнется генерация радиоизлучения. И совсем недавно удалось это увидеть.

Рентгеновские и радионаблюдения продемонстрировали, что некоторые из нейтронных звезд с миллисекундным вращением, находясь в двойных системах, видны то как рентгеновские пульсары, то как радио, в зависимости от того, сколько вещества перетекает на них со второго компаньона.

Радиопульсары с миллисекундными периодами вращения могут быть и одиночными объектами, если система распалась или второй компонент полностью исчез. Это может произойти как из‑за полного перетекания, так и из‑за «испарения». Включившийся радиопульсар потихоньку нагревает своего легкого партнера, что приводит к его постепенному испарению. Такие пульсары называют «черными вдовами» – в честь пауков, самки которых убивают и поедают самцов после спаривания.

Диаграмма «Период – производная периода» для радиопульсаров и родственных объектов. В среднем чем выше пульсар на диаграмме (при том же периоде), тем выше его дипольное магнитное поле. Слева внизу расположены миллисекундные пульсары, которые были раскручены в двойных системах.

Миллисекундные радиопульсары полезны тем, что для них можно очень точно измерять массы нейтронных звезд. И астрономы этим активно пользуются. Самые тяжелые объекты, обуздывающие фантазию теоретиков, занимающихся уравнением состояния, – как раз двойные миллисекундные пульсары. У некоторых из них масса даже немного превышает две солнечных. Неудивительно, что их партнерами чаще всего являются белые карлики. В таких системах вторая звезда успела проэволюционировать до конца. Соответственно, она успела передать много своей массы соседке – нейтронной звезде. То есть, скорее всего, самые тяжелые из известных нейтронных звезд не были такими от рождения.

Есть и радиопульсары в паре со второй нейтронной звездой. Таких двойных известно менее десятка. Изначально в такой системе должно было быть две массивные звезды. И она должна была пережить два взрыва. А чтобы мы с большей вероятностью открыли пульсар, он должен долго жить, т. е. быть миллисекундным, раскрученным.

Системы из двух компактных звезд помогают изучать теорию гравитации, так как пульсар – это очень точные часы, а вторая нейтронная звезда создает мощное гравитационное поле, в котором вынуждены работать и посылать нам сигналы эти часы. За открытие и исследование первой подобной системы, в результате которых были получены косвенные доказательства существования гравитационных волн, Расселу Халсу и Джозефу Тейлору в 1993 году была вручена Нобелевская премия по физике.

В начале этого века был открыт еще более удивительный объект: дважды двойной радиопульсар PSR J0737–3039. Это сделали Марта Бурге и ее соавторы. В этой системе обе нейтронные звезды наблюдались как радиопульсары (более старая – как миллисекундный, а более молодая – как обычный). Сейчас молодой пульсар не виден, так как его луч перестал попадать на Землю из‑за прецессии. Но в будущем мы опять сможем наблюдать сразу два пульсара в двойной. Это очень тесная система (соответственно, слияние произойдет довольно скоро, по астрономическим меркам). Буквально за считаные месяцы удалось увидеть несколько релятивистских эффектов, которые в других системах удается увидеть только после нескольких лет (или даже десятилетий) наблюдений. Кроме того, в этой системе удалось получить фантастически точные измерения масс обеих нейтронных звезд. Вдобавок эта система очень близкая – около 600 парсек от Солнца. Значит, по всей видимости, такие пары – не редкость. Такой вывод крайне важен для оценки числа событий слияния пар нейтронных звезд, которые планируется наблюдать на установках VIRGO и LIGO. Обнаружение Мартой Бурге близкого тесного дважды двойного пульсара подтвердило оптимистичные оценки числа слияний, которые ранее делали теоретики на основе расчета эволюции популяций двойных звезд (так называемые метод популяционного синтеза). Отметим, что у нас в стране в этой области исследований работали и работают две очень сильные научные группы: в ИНАСАНе (Александр Тутуков и Лев Юнгельсон) и в ГАИШ (Владимир Липунов, Константин Постнов и др.).

Фотография Марты Бурге, открывшей дважды двойной пульсар. Снимок любезно предоставлен Джоном Саркисяном (John Sarkissian).

Судьба тесных систем из двух нейтронных звезд предсказана Общей теорией относительности. За счет испускания гравитационных волн звезды будут терять орбитальный момент и наконец сольются. Когда два массивных компактных объекта почти со скоростью света упадут друг на друга, выделится огромное количество энергии в самой разной форме. Мы будем обсуждать это явление в отдельном параграфе.

Астрономы надеются открыть еще более редкого «зверя»: пульсар в паре с черной дырой. Они встречаются редко – один на несколько тысяч обычных радиопульсаров (а их сейчас известно около 2000). И уж коли пока не повезло – ни одна такая система не открыта, то надо просто строить очень крупный инструмент, который откроет тысячи новых радиопульсаров. Первым таким прибором станет китайский радиотелескоп с огромной чашей в качестве антенны. Этот инструмент будет похож на знаменитый радиотелескоп в Аресибо. Он должен как минимум удвоить число известных к тому времени радиопульсаров. С высокой вероятностью среди новых будет и пара из радиопульсара и черной дыры, хотя бы одна. Потенциально это тоже может привести к Нобелевской премии. Если же и им не повезет, то через несколько лет в строй войдет система телескопов SKA (Square Kilometer Array). Одна из ее задач – увидеть все радиопульсары в Галактике, которые вообще светят в нашу сторону. От SKA будет не скрыться.

Один из обсуждаемых вариантов системы радиотелескопов SKA. Часть гигантской установки будет находиться в Австралии, часть – в Южной Африке.

Таким образом, двойные системы порождают, может быть, самые интересные объекты во Вселенной, самые мощные взрывы, самые удивительные типы нейтронных звезд и, может быть, имеют отношение к необычным типам черных дыр. Много нового об этих чудесах мы надеемся узнать благодаря регистрации гравитационных волн.