Построена первая карта поверхности нейтронной звезды

Пульсар представляет собой нейтронную звезду с мощным магнитным полем.
Иллюстрация Mark Garlick/University of Warwick.

Учёные впервые получили настолько подробные сведения о пульсаре, что смогли построить его карту. И, похоже, теперь астрономам придётся переписывать учебники.

Специалистов очень удивило расположение так называемых горячих пятен, или горячих точек, на поверхности нейтронной звезды (поясним, что эти участки имеют температуру в миллионы градусов). Похоже, что магнитное поле такого объекта имеет более сложную структуру, чем полагали эксперты. Кроме того, исследователи определили размер и массу объекта, что поможет понять, как устроены его недра.

Достижение описано в серии научных статей, опубликованных в издании Astrophysical Journal Letters.

Что такое пульсары

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о пульсарах. Напомним, что это нейтронные звёзды, обладающие мощным магнитным полем.

Атмосфера пульсара состоит из заряженных частиц (электронов и атомных ядер). Двигаясь вдоль магнитных линий, они врезаются в поверхность нейтронной звезды там, где эти линии уходят вглубь нейтронной звезды. Водопад энергичных частиц разогревает кору пульсара в точке падения до миллионов градусов. Так и возникает горячее пятно.

Нагретое вещество излучает в рентгеновском диапазоне. При этом частицы падают на поверхность нейтронной звезды с околосветовой скоростью. Из-за особого поведения пространства-времени на таких скоростях излучение сворачивается в узкий луч.

Когда этот луч направлен точно в телескоп, тот воспринимает яркую рентгеновскую вспышку. Но пульсар вращается вокруг своей оси, и луч смещается, чтобы вернуться на прежнее место спустя оборот. Для наблюдателя это выглядит как серия вспышек, повторяющихся через равные промежутки времени.

Звёзды на весах

Пульсар PSR J0030+0451 (для краткости J0030) расположен в 1100 световых годах от Земли в созвездии Рыб. Благодаря новой работе он стал первой одиночной нейтронной звездой, для которой измерена масса.

Наблюдения проводились с помощью инструмента NICER на борту МКС. Этот телескоп улавливает рентгеновские кванты с энергиями от 0,2 до 12 килоэлектронвольт.

J0030 также стал первым пульсаром, для которого одновременно и с высокой точностью (погрешность менее 10%) был измерен и диаметр, и масса. Это очень важно, поскольку эти параметры позволяют определить плотность объекта. А она, в свою очередь, указывает на свойства вещества, из которого состоит небесное тело. Напомним, что у специалистов очень мало информации об условиях, царящих в недрах нейтронных звёзд.

Вычисления производились двумя независимыми научными группами, использующими каждая свой метод. Общим было лишь то, что обе они опирались на одни и те же наблюдения NICER, проводившиеся с июля 2017 года по декабрь 2018 года.

Команда во главе с Томасом Райли (Thomas Riley) из Амстердамского университета пришла к выводу, что масса объекта составляет 1,3 солнечных, а диаметр – 25,4 километра. Группа Коула Миллера (Cole Miller) из Мэрилендского университета получила похожие цифры: 1,4 массы Солнца и 26 километров.

"Беспрецедентные рентгеновские измерения NICER позволили нам выполнить самые точные и надёжные расчёты размера пульсара на сегодняшний день: с неопределённостью менее 10%, – говорит Миллер. – Вся команда NICER внесла важный вклад в фундаментальную физику, которую невозможно исследовать в земных лабораториях".

Учёный совершенно прав: человечеству не под силу сжать вещество до такой плотности, чтобы объект, по массе сравнимый с Солнцем, имел диаметр лишь несколько километров. Подобные условия можно воспроизвести лишь на очень короткое время при столкновениях атомных ядер.

Глубокие тайны поверхности

J0030 также стал первым в мире пульсаром, для которого была построена карта горячих пятен. Этой работой занимались те же две группы, каждая на своём суперкомпьютере.

Обычно предполагается, что пульсар имеет два магнитных полюса, как Земля или магнит в виде металлической полосы. Именно на магнитных полюсах магнитные линии уходят под поверхность. Здесь и образуются горячие пятна. Таким образом, их должно быть два: по одному в каждом полушарии.

J0030 делает 205 оборотов вокруг своей оси в секунду. Но мы видим его под таким ракурсом, что для наблюдения доступно только южное полушарие нейтронной звезды. Поэтому учёные ожидали обнаружить только одну горячую точку.

Но не тут-то было. Выполнив за месяц расчёты, для которых обычному настольному компьютеру понадобилось бы десять лет, группа Райли идентифицировала два горячих пятна. Одно из них небольшое и круглое, а другое вытянуто в форме полумесяца.

Такой же расчёт выполнила команда Миллера.

В итоге исследователи заключили, что есть два равновероятных сценария. Первая версия включает два пятна, очень похожие на найденные Райли и коллегами. Другой вариант добавляет к ним третье, более холодное.

"Это замечательно, и очень обнадёживает, что две команды получили настолько одинаковые размеры, массы и модели горячих точек для J0030, используя разные подходы к моделированию", – уверяет Завен Арзуманян (Zaven Arzoumanian), руководитель научной группы проекта NICER в Центре космических полётов имени Годдарда (НАСА).

Однако количество и вид горячих пятен означает, что магнитное поле пульсара устроено гораздо сложнее, чем принято считать. Теперь теоретикам предстоит осмыслить эти сведения.

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о рентгеновском излучении нейтронных звёзд в тесных двойных системах (часто только подобные дуэты и называются рентгеновскими пульсарами).

У них механизм излучения очень похож на описанный выше. Но в их случае на поверхность нейтронной звезды падает не плазма её собственной атмосферы, а вещество, похищенное у соседнего небесного тела (обычной звезды или белого карлика).

Также мы рассказывали о навигации по нейтронным звёздам и о рекордно подробном изображении пульсара в радиоволнах.