Пульсар

Как мёртвая звезда становится космическим маяком

Шаг за шагом

Звезда размером с город

Когда умирает звезда тяжелее восьми Солнц, её ядро схлопывается в нейтронную звезду: около 1,4 массы Солнца в шаре диаметром около 22 км.

Большая звезда светит, сплавляя в своём ядре лёгкие атомы в более тяжёлые. Когда ядро превращается в железо, этот огонь гаснет: слияние железа не даёт энергии. Больше ничто его не держит, и ядро размером примерно с Землю обрушивается само на себя меньше чем за секунду.

Давление так велико, что электроны вдавливаются в протоны и превращают их в нейтроны. Падение останавливается, лишь когда нейтроны упакованы так же плотно, как в ядре атома. Остальная звезда разлетается в космос вспышкой сверхновой, а на месте ядра остаётся нейтронная звезда.

Если не считать чёрных дыр, ничего плотнее не известно: кусочек сахара из вещества нейтронной звезды весил бы примерно как все люди Земли вместе. Её тяготение искривляет свет. Кольцо растянутых звёзд вокруг неё — это звёздный свет, отклонённый её притяжением, и одновременно видно около четырёх пятых её поверхности.

Вращающийся магнит

Сжатие раскрутило её и усилило магнитное поле в триллионы раз по сравнению с земным. Её магнитные полюса наклонены к оси вращения.

Представьте фигуриста, который прижимает руки и начинает вращаться быстрее. Ядро умирающей звезды вращалось медленно, но, сжавшись от размеров Земли до размеров города, стало вращаться в сотни тысяч раз быстрее. Новорождённые нейтронные звёзды могут делать много оборотов в секунду.

Сжатие собрало и магнитное поле звезды в гораздо меньший объём, и оно стало невероятно сильнее. Некоторые нейтронные звёзды, магнетары, ещё в тысячу раз сильнее: это самые мощные магниты из известных.

Как и у Земли, магнитные полюса находятся не там, где выходит ось вращения. Белая пунктирная линия — ось, вокруг которой вращается звезда, фиолетовая — её магнитная ось, наклонённая к ней. Именно этот наклон превратит звезду в маяк.

Два луча

Над магнитными полюсами частицы, вырванные с поверхности, мчатся вдоль поля и испускают два узких луча радиоволн. Радиоволны невидимы, поэтому здесь они нарисованы зелёным.

Вращающийся магнит вырабатывает электричество: так работают генераторы электростанций. Нейтронная звезда — гигантский генератор. Её вращение создаёт напряжение в триллионы вольт — достаточно, чтобы вырывать с поверхности электроны и другие заряженные частицы.

Заряженные частицы могут двигаться только вдоль линий магнитного поля, как бусины по проволоке. Над каждым магнитным полюсом линии уходят в космос, и там частицы выбрасываются наружу почти со скоростью света. По пути они испускают радиоволны узким конусом — это и есть луч. Как именно они это делают, учёные пока выясняют.

Энергия лучей берётся из вращения звезды, поэтому каждый пульсар за миллионы лет понемногу замедляется. Некоторые, как пульсары Краба и Вела, вспыхивают также в видимом свете, рентгеновских и гамма-лучах.

Космический маяк

Звезда вращается, и её лучи обегают небо, как луч маяка. Каждый раз, когда луч проходит по Земле, радиотелескопы ловят импульс.

Лучи привязаны к магнитным полюсам, а полюса наклонены, поэтому при вращении звезды каждый луч описывает на небе круг. Звезда не включается и не выключается: как лампа маяка, она светит всё время, а вспышку мы видим, лишь пока луч направлен на нас.

Золотая стрелка указывает на Землю. Зелёная линия над текстом — радиосигнал, каким его записывает радиотелескоп на Земле: ровный, пока лучи смотрят в сторону, и пик каждый раз, когда один из них проходит по нам.

Лучи большинства пульсаров никогда не пересекают Землю, поэтому мы их вообще не видим. И всё же открыто уже больше 4000 пульсаров, почти все — в нашей собственной Галактике.

Настоящая скорость

В замедлении можно проследить каждый оборот. На самом деле пульсар Вела делает 11 оборотов в секунду, а самый быстрый из известных — 716. Выберите пульсар, чтобы увидеть и услышать его.

До сих пор вращение было замедлено, чтобы за ним можно было следить. Кнопка вверху переключает замедленный показ и реальную скорость, а в списке рядом — четыре настоящих пульсара: от самого первого открытого, который делает оборот каждые 1,34 секунды, до самого быстрого из известных.

Самый быстрый, PSR J1748−2446ad, делает 716 оборотов в секунду: его экватор несётся примерно с пятой частью скорости света. Такие быстрые пульсары — старые, раскрученные заново. Звезда-компаньон сбрасывала на них газ и подталкивала всё быстрее и быстрее, как рука, раскручивающая карусель.

Со звуком слышна разница. Медленные пульсары стучат, как барабан, быстрые жужжат, а при сотнях импульсов в секунду удары сливаются в музыкальную ноту.

Световой цилиндр

Магнитное поле закреплено в звезде и вращается вместе с ней, как спицы колеса. Чем дальше по спице, тем быстрее она движется — так же, как край карусели движется быстрее её середины.

Внутри цилиндра линии поля возвращаются к звезде, и частицы на них вращаются вместе с ней. Линии, которые ушли бы дальше, не могут замкнуться: они раскрываются и уходят спиралью, унося ветер частиц почти со скоростью света. Вокруг пульсара Краба этот ветер освещает всю Крабовидную туманность, около 11 световых лет в поперечнике.

Часы на небе

Джоселин Белл Бернелл открыла первый пульсар в 1967 году. Пульсары отсчитывают время так ровно, что карта из 14 пульсаров на зондах «Пионер» и «Вояджер» показывает, где находится наше Солнце.

В 1967 году Джоселин Белл Бернелл, аспирантка в Кембридже, заметила немного «мусора» на бумажных лентах радиотелескопа, который сама помогала строить: импульсы через каждые 1,34 секунды, ровные, как ход часов. Полушутя команда назвала источник LGM-1 — от «little green men», «маленькие зелёные человечки», — пока не нашли другие такие же и не выяснилось, что это вращающиеся нейтронные звёзды.

Нобелевскую премию 1974 года за это открытие получил её научный руководитель Энтони Хьюиш, а она — нет. В 2018 году она получила премию Breakthrough в 3 миллиона долларов и отдала её целиком, чтобы помочь студентам из групп, мало представленных в физике.

Самые быстрые пульсары отсчитывают время почти так же точно, как атомные часы. Хронометраж одного из них в 1992 году открыл первые планеты, найденные у другой звезды. А хронометрируя 68 пульсаров 15 лет подряд, астрономы в 2023 году нашли признаки гравитационных волн — ряби самого пространства, — проходящих через нашу Галактику.

Карта на пластинках «Пионеров» и дисках «Вояджеров» показывает направление, расстояние и ритм 14 пульсаров, какими они видны от Солнца. Пульсары замедляются равномерно, поэтому тот, кто найдёт карту, сможет понять не только откуда прилетели зонды, но и примерно когда они отправились в путь.