Глазами физика. От края радуги к границе времени - Левин Уолтер - Страница 69

Рентгеновские двойные: как это работает

Когда нейтронная звезда спаривается со звездой-донором нужного размера на нужном расстоянии, она может выдавать потрясающие фейерверки. Где-то там, в бесконечном пространстве, звезды, которых сэр Исаак Ньютон не мог себе даже представить, исполняют прекрасный танец, в то же время неразрывно привязанный к законам классической механики, которые знает и понимает любой студент-естественник.

Чтобы было понятнее, предлагаю начать с очень близкого нам примера. Земля и Луна – двойная система. Если провести линию от центра Земли к центру Луны, на ней будет точка, в которой гравитационная сила, направленная в сторону Луны, равна, но противоположно направлена силе гравитации Земли. Если бы вы там оказались, результирующая сила, действующая на вас, равнялась бы нулю. Если бы вы сделали шаг в одну сторону от этой точки, то свалились бы на Землю, если бы ступили в другую – упали бы на Луну. У этой точки есть имя – внутренняя точка Лагранжа. Конечно, она находится намного ближе к Луне, ведь масса Луны почти в 80 раз меньше массы Земли.

Теперь вернемся к рентгеновским двойным системам, состоящим из аккрецирующей нейтронной звезды и значительно большей звезды-донора. Когда две звезды находятся очень близко друг к другу, внутренняя точка Лагранжа может лежать ниже поверхности звезды-донора. Если это так, то некоторая материя звезды-донора будет испытывать на себе гравитационную силу, направленную к нейтронной звезде, превышающую силы гравитации, направленную к центру звезды-донора. Следовательно, материя – горячий газ-водород – будет перетекать со звезды-донора на нейтронную звезду. Поскольку эти звезды вращаются вокруг общего центра масс, материя не может упасть прямо на нейтронную звезду. Прежде чем достичь ее поверхности, она падает на орбиту вокруг нейтронной звезды, создавая вращающийся диск горячего газа, или аккреционный диск. Часть этого газа на внутреннем кольце диска в конечном счете находит свой путь далее вниз, к поверхности нейтронной звезды.

Тут в дело вступает интересная часть физики, с которой вы знакомы в несколько ином контексте. Поскольку газ очень горячий, он ионизирован и состоит из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Но из-за того что у нейтронных звезд очень сильные магнитные поля, эти заряженные частицы вынуждены держаться линии магнитного поля звезды, в результате чего большая часть этой плазмы попадает на магнитные полюса нейтронной звезды (как в полярном сиянии на Земле). Эти магнитные полюса (где материя буквально обрушивается на нейтронную звезду) становятся горячими точками с температурой в миллионы градусов Кельвина, излучающими рентгеновские лучи. А учитывая, что магнитные полюса, как правило, не совпадают с полюсами оси вращения (см. главу 12), мы на Земле получим высокоэнергетический поток рентгеновского излучения, только когда это горячее пятно повернуто в нашу сторону. И так как нейтронная звезда вращается, нам она кажется пульсирующей.

Каждая двойная рентгеновская система имеет аккреционный диск, вращающийся по орбите вокруг аккретора, будь то нейтронная звезда, белый карлик или, как в случае с Cyg Х-1, черная дыра. Аккреционные диски – одни из самых необычных объектов во Вселенной, и почти никто, кроме профессиональных астрономов, о них никогда не слышал.

Аккреционные диски есть вокруг всех черных дыр рентгеновских двойных звезд. Аккреционные диски, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр, есть в центре многих галактик, хотя, как выясняется, такого диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, судя по всему, нет.

Исследование аккреционных дисков сегодня стало отдельной областью астрофизики. Вы можете увидеть их удивительные образы, введя в поисковую строку фразу «Xray binaries». Существует множество аккреционных дисков, о которых мы не знаем. Одна из самых сложных проблем науки заключается в том, что она до сих пор до конца не понимает, как материя в них находит свой путь к компактным объектам. Другой пока еще нерешенной проблемой является отсутствие понимания природы нестабильности в аккреционных дисках, приводящей к изменчивости в потоке этой материи на компактный объект и изменчивости рентгеновской светимости. Знание радиопотоков, присутствующих в некоторых рентгеновских двойных, также пока оставляет желать лучшего.

Звезда-донор может передавать аккрецирующей нейтронной звезде до примерно 1018 граммов материи в секунду. Это кажется довольно большой величиной, но даже при такой огромной скорости для передачи количества материи, равного массе Земли, потребовалось бы 200 лет. Материя с диска течет по направлению к аккретору под воздействием его мощного гравитационного поля, разгоняющего газ до чрезвычайно высокой скорости – от трети до половины скорости света. Гравитационная потенциальная энергия, освобождаемая этой материей, преобразуется в кинетическую энергию (примерно 5 × 1030 Вт) и нагревает стремительно летящий водород до температуры в миллионы градусов.

Вы уже знаете, что, нагреваясь, материя испускает излучение черного тела (см. главу 14). Чем выше температура, тем высокоэнергетичнее это излучение, из-за чего его волны становятся короче, а частота повышается. Когда материя достигает температуры 10–100 миллионов кельвинов, генерируемое ею излучение представлено в основном рентгеновскими лучами. Почти все 5 × 1030 Вт испускаются в виде рентгеновского излучения; сравните это с полной светимостью Солнца (4 × 1026 Вт), которое генерирует в виде рентгеновских лучей всего около 1020 Вт. Да поверхность нашего Солнца по сравнению с этой материей просто ледяная!

Сами нейтронные звезды слишком малы, чтобы быть увиденными оптическими методами, но с помощью оптического телескопа мы можем наблюдать гораздо большие звезды-доноры и аккреционные диски. Диски сами могут излучать немного света – отчасти вследствие процесса, который называется нагреванием рентгеновским излучением. Когда материя с диска обрушивается на поверхность нейтронной звезды, получившиеся в результате рентгеновские лучи расходятся во всех направлениях и, следовательно, проходят через сам диск, нагревая его до еще более высоких температур. Я расскажу об этом подробнее в следующей главе, посвященной рентгеновским вспышкам.

Открытие рентгеновских двойных стало разгадкой первой загадки рентгеновского излучения вне Солнечной системы. Теперь мы понимаем, почему рентгеновская светимость источника, например Sco X-1, в 10 тысяч раз больше его оптической светимости. Рентгеновские лучи испускаются очень горячей нейтронной звездой (ее температура составляет несколько десятков миллионов кельвинов), а видимый свет – намного более холодной звездой-донором и аккреционным диском.

И вот, когда мы решили, что наконец-то полностью поняли, как работают рентгеновские двойные звезды, природа преподнесла нам очередной сюрприз. Рентгеновские астрономы начали делать открытия, явно опережавшие теоретические модели.

В 1975 году открытие действительно странного явления привело меня к наивысшей точке научной карьеры. Я полностью погрузился в наблюдения, изучение и попытки объяснить это замечательное и загадочное явление – рентгеновские вспышки.

История рентгеновских вспышек, между прочим, включает мою борьбу с русскими учеными, которые неверно толковали собственные данные, а также с некоторыми из моих коллег из Гарварда, полагавшими, что рентгеновские вспышки – результат деятельности очень массивных черных дыр (бедные черные дыры, их несправедливо обвиняли в очень многих бедах!). Хотите верьте, хотите нет, мне даже приказывали (и не раз) не публиковать кое-какие данные о вспышках из соображений национальной безопасности.

14. Знакомьтесь: рентгеновские барстеры!

Природа всегда полна сюрпризов, и в 1975 году она мощно потрясла все рентгеновское сообщество. Происходили такие удивительные события, что эмоции порой выходили из-под контроля, и я находился в самом центре происходящего. На протяжении многих лет я спорил с одним коллегой из Гарварда (который меня не слушал), но большего успеха добился в убеждении советских коллег (они меня слушали). Признаться, из-за ведущей роли во всей этой истории мне зачастую крайне трудно быть объективным, но я постараюсь!