В конце звёздного пути

Звезды, как и люди, заканчивают свой жизненный путь по-разному (см., к примеру, статьи "Звезда по имени Солнце" в №32-2015 и "Где умирают звёзды" в №13-2017 "Тайн XX века").
Звезда типа нашего Солнца тихо и скромно проживёт отпущенные ей 10-12 миллиардов лет, занимаясь превращением водорода в гелий и за этот счёт освещая и обогревая окружающее пространство ровно в том количестве, чтобы на его ближних планетах могла зародиться жизнь. А дальше, скорее всего, превратится в красного сверхгиганта, а затем в остывающего белого карлика.

Схема строения магнетара
Звезды, значительно более массивные, чем Солнце, термоядерный цикл которых не ограничивается превращением водорода в гелий, а включает также другие реакции ядерного синтеза (гелий-углерод, углерод-кислород и т.д., вплоть до железа), могут в конце концов не выдержать собственного огромного внутреннего давления и взорваться, превратившись в сверхновую.
При взрыве практически всё вещество из внешней оболочки звезды разлетается в космическое пространство. Остаётся ядро, которое быстро "схлопывается" (в результате гравитационного коллапса) либо в чёрную дыру, либо в нейтронную звезду.
Чёрные дыры, безусловно, являются одними из самых загадочных и интригующих космических объектов; однако нейтронные звезды не менее интересны для исследователей — особенно некоторые их разновидности.

Нейтронная звезда — это…

…компактный, радиусом в среднем 10-20 километров, объект чудовищной плотности: один кубический сантиметр вещества нейтронной звезды весит сотню миллионов тонн.
Для сравнения: плотность вещества в центре нашего Солнца такова, что сантиметровый кубик имеет массу "всего лишь" 100 граммов, а в самом центре Земли, состоящем, как полагают, из твёрдых металлов, и того меньше — 10 граммов.
Как такое вообще может быть? Как могут существовать сверхплотные объекты вроде нейтронных звёзд?
Чтобы ответить на этот вопрос, связанный с космическими масштабами, нужно, как ни странно, обратиться к микромиру — миру мельчайших "кирпичиков" вещества, атомов и элементарных частиц.
"Планетарная модель" атома, с которой мы знакомы ещё из школьного курса физики, потому так и названа, что копирует строение Солнечной системы. В центре — атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг него, каждый по своей орбите, движутся электроны.
В данном случае не важно, что электроны по сути своей совсем не похожи на имеющие стабильную форму шарики — планеты, а представляют собой нечто среднее между волной и частицей. Важно расстояние между электронами и ядром. Оно, оказывается, сравнимо, в относительном плане, с расстоянием между Солнцем и планетами. И расстояние это, так же как расстояние между Солнцем и планетами, заполнено… пустотой.
Ну а раз между ядром атома и вращающимися вокруг ядра электронами есть пустота, то атом можно сжать. Именно такой процесс и происходит в недрах нейтронной звезды. Чудовищная гравитация сжимает её вещество с такой силой, что атомов как таковых там просто нет. Есть сжатые до предельной тесноты атомные ядра, точнее, их составляющие — нейтроны. Только они способны выдерживать колоссальное давление и температуру внутри нейтронной звезды, не сплющиваясь далее.
Впрочем, некоторые учёные считают, что при определённых условиях гравитация может разломать и нейтроны на их составляющие — кварки. Но существование кварковых звёзд пока ничем не доказано, в то время как нейтронные звезды обнаружены более 50 лет назад и уже дали учёным обильную информацию к размышлению.

Сверхновая и магнетар 3XMM J185246.6+003317 (большая синяя точка под ней

Знаете ли вы что… Человек не ощущает влияния магнитного поля Земли на свой организм. Но поле магнетара, если бы тот приблизился к Земле на миллион километров, могло бы в буквальном смысле вытащить из крови человека все атомы железа. "Маяки Вселенной" — пульсары

В девяти случаях из десяти после взрыва сверхновых образуются "обычные" нейтронные звезды — пульсары. Слово "обычные" приведено здесь в кавычках, потому что ни о какой "обычности" применительно к таким объектам, как нейтронные звезды, не может быть и речи. Слишком много загадочного и интересного как для физиков, изучающих микромир, так и для астрофизиков, изучающих Вселенную, таят в себе нейтронные звезды любого типа.
Но само наименование — нейтронные звезды — сделалось уже привычным за время, прошедшее с момента открытия первого пульсара в 1967 году. Нейтронные звезды были обнаружены благодаря бурному развитию во второй половине XX века радио", рентгеновской и гамма-астрономии.
В настоящее время известно более 2500 пульсаров, каждый из которых представляет собой нейтронную звезду с фантастически высокой скоростью вращения вокруг собственной оси — до нескольких сотен оборотов в секунду. Ни одна обычная звезда не выдержала бы такой скорости вращения и распалась в космическую пыль; это под силу только сверхплотным нейтронным объектам.
Пульсары называют также "космическими маяками" или "маяками Вселенной", потому что они испускают частые (в среднем каждые 2-3 секунды) регулярные импульсы радиоволн. Сразу после открытия пульсаров возникла даже идея, что они — объекты искусственного происхождения, установленные в различных местах обозримой Вселенной для кораблей "дальнего космического плавания". Кем установленные? Ну, разумеется, сверхцивилизациями.

Магнетар SGR 1806-20
К сожалению, в 1974 году выяснилось, что пульсары — всё же естественные космические объекты, а их радиоимпульсы обусловлены сильным наклоном магнитного поля к оси вращения звезды. Открытие и объяснение излучения пульсаров было по достоинству отмечено Нобелевской премией по физике, но от красивой гипотезы о космических маяках, установленных "братьями по разуму", сохранилось только название.
Остались неразгаданными и другие тайны нейтронных звёзд. Помимо самого факта существования объектов, в которых вещество сплющено гравитацией до уровня элементарных частиц, не ясно, откуда у нейтронных звёзд вообще берётся магнитное поле. Ведь, как мы знаем, магнитное поле создаётся движущимися заряженными частицами. А нейтрон потому и называется нейтроном, что не имеет электрического заряда…

27 декабря 2004 года, всплеск гамма-лучей, прибывших в нашу Солнечную систему от SGR 1806-20 (изображено в представлении художника). Взрыв был настолько мощным, что воздействовал на атмосферу Земли на расстоянии свыше 50 000 световых лет.

Не подлетай — убьёт!

А между тем у нейтронных звёзд, пульсаров, магнитное поле есть, и притом очень сильное — в миллиарды раз сильнее, чем магнитное поле Солнца, и в триллионы раз сильнее, чем у Земли.
В обычных звёздах магнитное поле создаётся движением плазмы, состоящей из заряженных частиц, из центра звезды к её поверхности. В нейтронной звезде, где ядро состоит из нейтральных частиц — нейтронов, заряженная плазма может двигаться только в поверхностных слоях, состоящих из ионов (электрически заряженных "обломков" атомов) и электронов. Но толщина этих слоёв не превышает сотни метров. Откуда, в таком случае, у пульсара берётся столь мощное магнитное поле, до сих пор не известно.
Мы могли бы употребить и эпитет "невероятно мощное" для описания магнитного поля пульсара, если бы не необходимость приберечь его для другого, очень редкого и совсем недавно открытого типа нейтронных звёзд — магнетаров. Магнетары не зря получили такое название: их магнитное поле в сотни раз сильнее, чем у пульсаров.
Существование магнетаров было теоретически предсказано в 1992 году, а шестью годами позже был найден и первый магнетар — звезда SGR 1900+14 из созвездия Орла.
К настоящему времени экспериментально обнаружено 12 магнетаров, хотя в обозримой Вселенной их должно быть, конечно, значительно больше. Ведь по расчётам учёных каждая десятая нейтронная звезда, появляющаяся из вспышки сверхновой, является магнетаром.

Возможно, дело в том, что у магнетаров рекордно короткий (по космическим масштабам) срок жизни — не более миллиона лет.
Однако для его ближайших звёздных соседей это обстоятельство является весьма благоприятным.
Невероятно сильное магнитное поле магнетара вызывает столь же мощное рентгеновское излучение частиц, попавших в это поле. Такое излучение способно уничтожить всё живое в радиусе нескольких световых лет (напомним, световой год — это расстояние, которое свет, имеющий скорость 300000 км/сек., преодолевает за земной год).
К счастью, ближайший к нам магнетар — объект SGR 1900+14 из созвездия Орла, уже упоминавшийся выше, находится на расстоянии 20000 световых лет.

Рисунок магнетара SGR 0418+5729

На краю света: последняя находка

Неудивительно, что земные астрономы буквально "охотятся" за новыми магнетарами, чувствуя себя, в силу большой удалённости от них и их короткого времени жизни, в полной безопасности. Каждая новая находка вызывает одновременно и восторг, и предвкушение преодоления нового рубежа в познании мира, и ожесточённые споры на тему "магнетар — не магнетар".
Так произошло и с обнаруженной три года назад на самом краю обозримой Вселенной нейтронной звездой DES16C2nm. 10,5 миллиарда лет назад, когда Вселенная была ещё "совсем ребёнком", там взорвалась сверхновая и породила объект, по поводу которого как раз и зародились споры "магнетар — не магнетар".
Всё это время сильнейшие телескопы, такие как наземный VLT (Very Large Telescope) в Чили и орбитальный "Хаббл", наблюдали за излучением DES16C2nm.
Точка в споре была поставлена совсем недавно, в июле 2019 года, когда исследователи международного проекта "The Dark Energy Survey" заявили с определённостью: это магнетар. Причём такой, что и магнитное поле в 100 триллионов раз сильнее земного, и другие характеристики очень хорошо совпадают с разработанной за двадцать лет теорией магнетаров.
Поистине это был большой и редкостный подарок как для тех, кого интересуют "детские годы" Вселенной, так и для тех, кто изучает процессы, происходящие в недрах звёзд.
Разумеется, самого магнетара DES16C2nm давно уже "нет в живых". Но излучение от него, дающее бесценную информацию, будет приходить на Землю, на радость учёным, ещё несколько сотен тысяч лет.

Автор: Ольга Строгова