Почти самый быстрый волчок Вселенной: обнаружен пульсар с рекордной скоростью вращения

Если бы мы могли увидеть радиоволны, в небе сияло бы пять солнц. Остатки вспышек сверхновых в созвездиях Кассиопеи и Тельца, галактика в созвездии Девы и квазар в Лебеде заливают Землю радиосиянием не хуже нашего родного светила.

Вообще же радиоастрономы наблюдают сотни тысяч объектов, в основном, конечно же, очень тусклых. От любого космического радиоисточника приходит во много раз меньше энергии, чем от обыкновенных земных радиостанций. Именно это заставляет астрономов строить огромные антенны. Так, диаметр "тарелки" в Обсерватории Аресибо (Arecibo) превышает 300 метров. Также приходится работать на специально выделенных частотах, свободных от земного радиовещания.

Наблюдаемые объекты разнообразны. Квазары, галактики, природные мазеры (они же лазеры, излучающие радиоволны) на месте будущих звёзд, облака межзвёздного водорода… Распахнув в середине XX века радиоокно во Вселенную, астрономы узнали о ней много нового.

Захватывающая история произошла в 1967 году в Кембриджском университете. Аспирантка Джоселин Белл Бёрнелл (Jocelyn Bell Burnell) обнаружила сигнал, периодичность импульсов которого демонстрировала невероятную точность. Как выяснилось впоследствии, по этому показателю он даже может поспорить с атомными часами! Вместе с тем загадочные импульсы явно имели космическое происхождение. Может быть, это маяки?.. Первые открытые радиопульсары обозначались аббревиатурой LGM (Little Green Men, или маленькие зелёные человечки) — так они поразили астрономов своими характеристиками. Учёным попросту не верилось, что сигналы имеют природное происхождение.

Сейчас пульсаров известно уже несколько тысяч. Нет сомнений, что это не творение инопланетян, а нейтронные звёзды, которые очень быстро вращаются. Такой объект обладает огромной плотностью (сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре) и мощнейшим магнитным полем.

Электроны в этом магнитном поле разогнаны почти до световой скорости. На таких скоростях, как было известно ещё Эйнштейну, пространство и время ведут себя непривычно – впрочем, научным миром их фокусы давно поняты и описаны. В частности, частицы в атмосфере пульсара излучают радиоволны равномерно во все стороны – но для нас, наблюдателей с Земли, их "во все стороны" сворачивается в чрезвычайно узкий конус, похожий на луч маяка.

В тот краткий миг, когда этот луч направлен на Землю, радиотелескоп принимает яркий импульс излучения. Но пульсар вращается вокруг своей оси, и луч вскоре “отворачивается” от нашей планеты. Наступает молчание на время одного полного оборота. Период между радиосигналами пульсара – это всего лишь период его вращения.

На фотографии Крабовидная туманность, содержащая один из самых знаменитых пульсаров. Честь открытия этого класса объектов в значительной мере принадлежит Джоселин Белл.

Фото NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF, G. Dubner (University of Buenos Aires).

Главная загадка пульсаров давно разгадана, но это не значит, что у них не осталось других тайн. Некоторые из этих объектов демонстрируют очень необычное поведение. Загадочные перебои в ходе "космических часов", высокоинтенсивные импульсы, нестандартные спектры – вопросов по-прежнему больше, чем ответов. К тому же плотность вещества и напряжённость магнитного поля нейтронной звезды не могут быть воссозданы в лаборатории, а значит, не могут быть и исследованы экспериментальной наукой.

Поэтому пульсары сами могут сыграть роль лабораторий, в которых открываются новые законы физики. Наконец, есть к ним и чисто практический интерес – они могут служить эталонами времени и точками отсчёта в пространстве для систем навигации. Поэтому интерес к ”галактическим маякам” не ослабевает.

И вот недавно NASA сообщило, что сеть радиотелескопов LOFAR обнаружила пульсар, который делает 707 оборотов в секунду. Новичка назвали PSR J0952-0607 (здесь PSR – сокращение от английского слова pulsar, а остальные символы обозначают координаты объекта). Он находится в созвездии Секстанта. Расстояние до него трудно определить точно, оно составляет от 3200 до 5700 световых лет.

Скорость вращения этого объекта уникальна, известен только один его "коллега", который вращается быстрее – PSR J1748-2446ad, делающий за секунду около 717 оборотов.

Отметим, что пульсары делятся на две группы – секундные и миллисекундные. Нейтронные звёзды из первой группы, как явствует из названия, делают один оборот за несколько секунд. Именно такие пульсары и составляют подавляющее большинство. Их тоже нельзя назвать сонными и медлительными – всё-таки подобное тело имеет массу порядка солнечной, а ведь нашему светилу на полный оборот требуется около месяца. Но есть ещё небольшая группа нейтронных звёзд, считающих, что в жизни нужно крутиться как можно быстрее. Их луч описывает окружность всего за несколько миллисекунд, поэтому и называются они миллисекундными пульсарами.

Пока ещё не вполне ясно, откуда берутся такие "торопыжки". Предполагается, что каждый из них когда-то был благовоспитанным секундным пульсаром, но у него была звезда-компаньон. Этого, правда, ещё не достаточно для разгона. Ведь на самом деле большинство звёзд в Галактике – двойные или кратные. Одиночное Солнце – исключение, а не правило, хоть нам и кажется правилом всё, к чему мы привыкли.

Чтобы пульсар стал миллисекундным, звезда-компаньон должна быть расположена довольно близко. Достаточно близко, чтобы он стал стягивать вещество с его поверхности. Такие пульсары иногда образно называют "чёрными вдовами" – в честь вида пауков, самки которого съедают самца после спаривания.

Поведение нейтронной звезды в тесной паре тоже иначе как каннибализмом не назовёшь. Например, от звезды-компаньона PSR J0952-0607 осталось, по расчётам, всего 20 масс Юпитера. Для сравнения: Солнце тяжелее Юпитера примерно в тысячу раз.

По мере того как пульсар поглощает плазму звезды-партнёра, увеличивается его момент импульса, а потому и скорость вращения.

Вещество, высасываемое нейтронной звездой из ни в чём не повинного партнёра, разогревается до огромных температур. А такое горячее вещество всегда излучает рентгеновские и гамма-фотоны. Вот и PSR J0952-0607 был вначале обнаружен орбитальным телескопом Fermi как источник жёсткого излучения. Но в тот момент ещё не была ясна его природа.

Между тем инструменты, объединённые в сеть LOFAR, способны принимать радиоволны метровой длины: импульсы PSR J0952-0607 были приняты на длине волны около двух метров.К слову, таких радиотелескопов в мире не так уж и много. Чаще радиоастрономы работают на более коротких волнах (например, сантиметровых), где гораздо меньше сказываются помехи, влияние ионосферы и фоновое излучение Галактики.

Однако некоторые пульсары очень важно наблюдать именно в метровом диапазоне, потому что с уменьшением длины волны их радиосветимость быстро падает (специалисты называют такие спектры крутыми). На сантиметровых волнах их может быть уже попросту не видно.

Возможно, именно этим объясняется факт, давно интересующий астрономов. Они отчего-то не находят ещё более быстрые пульсары, хотя их существование предсказано теоретически. Так, скорость нынешних рекордсменов составляет всего 60% от теоретического максимума. Где же объекты, которые вертятся ещё быстрее?

Возможно, дело именно в том, что их можно обнаружить только на длинноволновых инструментах. Авторы исследования полагают, что самые быстрые пульсары имеют самые крутые спектры, а значит, на большинстве радиотелескопов мира их просто невозможно наблюдать.

Тем ценнее нынешние наблюдения LOFAR. Не исключено, что в будущем к изучению необычайно быстрого "космического волчка" подключатся и российские радиотелескопы. Ведь, к слову, два телескопа, работающих на метровых волнах – БСА и ДКР-1000 – имеются в Пущинской радиоастрономической обсерватории в Московской области.

Научная статья с результатами исследования была опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.