"Великое объединение" для нейтронных звезд

Автор: Сергей Попов (ГАИШ МГУ)

Опубликовано 12 мая 2010 года

В современной физике высоких энергий есть такое важное и красивое понятие, как "Великое объединение". Это та самая "теория всего" или "единая теория", которую также называют "мечтою Эйнштейна". Сейчас мы знаем четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные. Им соответствуют свои константы взаимодействия. Идея состоит в едином описании всех четырёх.

Первым шагом в объединении физических взаимодействий было создание теории электромагнетизма (ведь когда-то электрическое и магнитное взаимодействия почитали за два принципиально разных феномена). Вторым - создание электрослабой теории, объединившей электромагнетизм и слабое взаимодействие.

Полное экспериментальное подтверждение этой модели было получено более 25 лет назад. Третий шаг - Большое объединение, которое добавит в единое описание сильное ядерное взаимодействие. Наконец, Великое - объединит всё. Аналогичное стремление к единому описанию на первый взгляд разных объектов или явлений присутствует и в других областях науки. У нас речь пойдет о нейтронных звездах.

После того, как в 1967 году были открыты радиопульсары, быстро возникла простая ясная картина, в которой все нейтронные звезды рождались очень похожими друг на друга с массами около 1.4 солнечной, магнитным полем примерно 10¹² гаусс (поле на поверхности Земли и Солнца примерно 1 гаусс) и периодом вращения около 10-20 миллисекунд. Именно таков пульсар в Крабовидной туманности - самая известная нейтронная звезда. Но действительность оказалась намного интереснее.

По всей видимости, нейтронные звезды - это самые интересные астрофизические объекты. Сверхсильные магнитные поля, сверхвысокая плотность в недрах, сверхсильная гравитация на поверхности, гигантские сверхтекучие вихри, сверхбыстрое вращение... Не удивительно, что набор этих "сверх" и "супер" приводит к существованию разнообразных типов источников.

Сейчас мы знаем самые разные виды молодых нейтронных звезд. Кроме обычных радиопульсаров, это, во-первых, магнитары. Они излучают энергию, запасённую в их магнитном поле. Это может происходить бурно - в виде вспышек. Или спокойно, когда электрические токи (которые и создают магнитное поле) тихонько затухают в коре нейтронной звезды, нагревая её. Если источник открыт по вспышечной активности, то его называют источником мягких повторяющихся гамма-всплесков (МПГ). Если же в начале открывается слишком горячая нейтронная звезда, от которой видно строго переменное рентгеновское излучение, то источник получает наименование аномальный рентгеновский пульсар (АРП). При этом, как правило, у МПГ в конце концов открывают пульсирующее рентгеновское излучение, а у АРП - вспышки. Все магнитары не только излучают энергию магнитного поля, но и сами эти поля у них в сотни раз больше, чем у радиопульсаров.

Во-вторых, есть антимагнитары. Это молодые одиночные компактные объекты со слабыми магнитными полями (в сотни раз меньше, чем у радиопульсаров). Их открывают в центрах остатков сверхновых. Они светят за счет остаточного тепла - ведь нейтронные звезды рождаются во взрыве сверхновых, будучи очень горячими, а потом десятки или даже сотни тысяч лет могут быть видны как рентгеновские источники.

Третья важная группа - это молодые близкие остывающие нейтронные звезды. Сейчас их известно семь штук, и называют их "Великолепная семёрка" (хотя уже появились и несколько более далекие новые кандидаты в этот тип объектов). Эти нейтронные звезды не вспыхивают, как магнитары, и от них не видно радиоимпульсов. Магнитные поля у них слабее, чем у магнитаров, но сильнее, чем у обычных радиопульсаров.

Наконец, есть группы или единичные примеры объектов, свойства которых пока как следует не выяснены. В первую очередь это так называемые вращающиеся радиотранзиенты (rotating radio transients - RRATs). Они испускают короткие (миллисекунды) очень мощные радиоимпульсы. Но с точки зрения магнитных полей и периодов могут быть похожими и на радиопульсары, и на объекты Великолепной семёрки.

Совершенно непонятно, почему нейтронные звезды в свои молодые годы первые сотни тысяч лет своей жизни) могут проявлять такое разнообразие активности. Хочется провести Великое объединение для всех них, объяснив в рамках единой модели все типы этих объектов. Сделать это непросто, и люди идут тремя путями. Во-первых, накапливают наблюдательные данные, ищут новые типы источников, или новые типы проявлений у уже известных. Во-вторых, строят детальные теоретические модели для разных видов активности. В-третьих, строят компьютерные модели эволюции больших популяций.

На первом пути сделано несколько важных открытий. Было обнаружено, как один радиопульсар с большим магнитным полем вдруг стал магнитаром. Были открыты пульсарные радиоимпульсы от магнитаров. Было обнаружено тепловое (как у Великолепной семерки) излучение одного из RRATs, а у других, напротив, были обнаружены обычное для радиопульсаров поведение.

Теоретики совершенствуют магнитарную модель, объясняя с её помощью всё больше и больше наблюдаемых явлений. Кроме этого, развиваются модели эволюции магнитного поля нейтронных звезд.

Магнитные поля должны уменьшаться, так как токи, их поддерживающие, со временем затухают (ведь нейтронная звезда не подключена к розетке, и батарейки у неё нет). Взяв конкретный сценарий изменения поля, со временем можно дополнить его другими эволюционными законами и построить компьютерную модель популяции нейтронных звезд. Именно создание хорошей численной симуляции, основанной на детальных теоретических расчетах и удовлетворяющей всем данным наблюдений, будет означать, что мы всё правильно поняли и смогли построить модель Великого объединения для самых интересных суперобъектов.

Пока нам удалось построить простую модель, в которую вписалось всё, кроме антимагнитаров. То есть, это скорее не Великое, а Большое объединение. В нашем сценарии сильные поля затухают быстро, то есть магнитары могут быть только очень молодыми. Некоторые из них могут превратиться в объекты типа Великолепной семёрки. Вблизи Солнца активных магнитаров нет потому, что они быстро теряют свои поля.

Разумеется, модель ещё нуждается в подтверждении и дополнениях. Тем не менее, приятно, что все, кроме одного, основные классы нейтронных звезд "возникли" из единого распределения по параметрам. По-прежнему непонятно, как возникает это распределение (его вид, пусть и естественный, пока приходится просто задавать). Здесь необходимо хорошо понимать эволюцию звезд разных типов до взрыва сверхновой, а также сами взрывы разных типов, а это совсем непросто. Так что, многое сделано, но многое ещё предстоит.