Как блоху на Плутоне: нейтронную звезду разглядели в немыслимых подробностях

Астрономы получили уникальное изображение нейтронной звезды. Как указано в пресс-релизе, это один из самых подробных "снимков" подобного объекта за всю историю астрономии. Учёным помогло облако плазмы, сыгравшее роль естественной линзы.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature командой во главе с Робертом Мейном (Robert Main) из Университета Торонто.

Авторы "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое радиопульсары. Напомним в двух словах, что это нейтронные звёзды, испускающие узкий радиолуч. Это излучение и принимается земными телескопами. Нейтронная звезда вращается своей оси, и луч описывает круг. Когда он оказывается направлен точно на телескоп, тот фиксирует яркий импульс радиоизлучения. Потом луч отворачивается, и наступает "радиотишина" до следующего полного оборота. Для телескопа всё это выглядит как череда ярких импульсов, повторяющихся через один и тот же промежуток времени. Отсюда и название этого класса небесных тел – пульсары.

Нейтронные звёзды – уникальные объекты. При массе, сравнимой с солнечной, их диаметр измеряется считанными километрами. Поэтому эти тела имеют невероятную плотность в сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Кроме того, у пульсаров мощнейшее магнитное поле. Всё это превращает нейтронную звезду в уникальную лабораторию, в которой реализованы состояния материи, недостижимые на Земле в сколько-нибудь обозримом будущем.

Пульсар PSR B1957+20 интересует астрономов уже давно. Это одна из самых массивных известных нейтронных звёзд. Таким образом, в этом случае сама природа поставила эксперимент на тему "какой максимальной плотности может достичь тело, прежде чем оно превратится в чёрную дыру".

К сожалению, объект размером в несколько километров невозможно рассмотреть в деталях с расстояния в 6500 световых лет. Если, конечно, сама природа не приходит на помощь.

Дело в том, что у PSR B1957+20 есть спутник – коричневый карлик. Напомним, что такие тела занимают промежуточное положение между планетами и звёздами. Это огромный по меркам планет газовый шар (в данном случае его диаметр лишь в три раза меньше солнечного), который, тем не менее, недостаточно велик для того, чтобы в нём начались термоядерные реакции. В итоге такое тело практически не излучает видимый свет.

Компаньон PSR B1957+20 расположен в двух миллионах километров от него. Это примерно в пять раз больше расстояния между Землёй и Луной, то есть совсем недалеко по астрономическим меркам. Поэтому и период обращения бурого карлика вокруг "хозяина" составляет всего девять часов. Более того, спутник постоянно повёрнут к пульсару одной стороной, как Луна к Земле.

Мощная гравитация нейтронной звезды крадёт у коричневого карлика вещество, которое впоследствии падает на пульсар. Из-за этого между двумя телами существует постоянный поток материи. Излучение "хищника" разогревает её примерно до шести тысяч градусов Цельсия, то есть до температуры поверхности Солнца. Поэтому падающее вещество представляет собой раскалённую плазму (ионизированный газ). А плазма способна фокусировать радиоволны, выступая в роли естественной линзы.

"Газ действует как увеличительное стекло, расположенное прямо перед пульсаром", – поясняет Мейн в пресс-релизе исследования.

Разумеется, такая естественная линза весьма несовершенна. Состояние плазмы всё время меняется, и только в исключительных случаях она действительно работает как увеличительное стекло.

В этот раз астрономам повезло. Работая с данными радиотелескопа Arecibo, они обнаружили, что плазменная линза подарила им невероятно подробные изображения областей в атмосфере пульсара, из которых испускается луч. На некоторых частотах сигнал был усилен в 70–80 раз. Размер выявленных деталей составил всего около 10 километров. Это сравнимо с расстоянием от излучающих областей до поверхности пульсара (примерно 20 километров) и с диаметром самой нейтронной звезды.

Напомним, что дистанция между Землёй и PSR B1957+20 составляет шесть с половиной тысяч световых лет. Разглядеть десятикилометровые детали на таком расстоянии всё равно что увидеть в наземный телескоп блоху на поверхности Плутона.

Астрофизикам ещё предстоит разобраться в том, какие выводы можно сделать о строении нейтронных звёзд на основе такой уникальной информации. Но авторы полагают, что ключи как минимум к одной загадке космоса они уже держат в руках. Речь идёт о быстрых радиовсплесках, или fast radio bursts (FRB). Мы неоднократно писали об этих ярких и очень коротких радиовспышках, природа которых до сих пор не разгадана.

Учёные знали, как выглядит спектр пульсара PSR B1957+20, когда на него не оказывает существенного влияния облако плазмы. Сравнив его со свежими данными, они выявили детали спектра, добавленные "увеличительным стеклом". И оказалось, что здесь много общего со спектром быстрого радиовсплеска FRB 121102. Напомним, что это единственная известная из подобных вспышек, которая время от времени повторяется в одной и той же точке неба.

"Многие наблюдаемые свойства FRB могут быть объяснены, если они [вспышки] усиливаются плазменными линзами, – говорит Мейн. – Усиленные [линзой] импульсы, которые мы обнаружили в нашем исследовании, показывают значительное сходство по своим свойствам с повторяющимся всплеском FRB. Можно предположить, что повторяющийся FRB может быть линзирован плазмой в своей родительской галактике".

Интересно, что, по данным независимых наблюдений, по крайней мере некоторые из быстрых радиовсплесков действительно проходят через плотное облако плазмы в месте своего зарождения.

Авторы планируют и в дальнейшем изучать PSR B1957+20 с помощью главного инструмента обсерватории "Аресибо" в надежде, что природа сделает им подарок ещё хотя бы несколько раз.

Напомним, что авторы проекта "Вести.Наука" писали о других случаях, когда естественные линзы (на сей раз гравитационные) помогли астрономам увидеть то, чего без помощи природы они не разглядели бы ни при каких обстоятельствах. Речь идёт о самой далёкой наблюдавшейся звезде и о планетах в другой галактике. Рассказывали мы и о том, как человечеству удаётся изучить космические объекты в беспрецедентных подробностях благодаря российскому наземно-космическому радиотелескопу.