Быстрее!⁠⁠

Разгоняемые до предела: как работают миллисекундные пульсары

Представьте объект с массой в полтора-два Солнца и диаметром около 20–25 километров, который делает полный оборот вокруг своей оси не за несколько секунд, а сотни раз в секунду. Точка на его экваторе вращается со скоростью до 20% от скорости света — это около 60 000 километров в секунду! Любой обычный объект при такой скорости вращения моментально разлетелся бы под действием колоссальной центробежной силы, но гигантская гравитация нейтронной звезды удерживает её от разрушения.

Если обычный пульсар — это размеренный космический метроном, то миллисекундный пульсар (MSP) — это настоящий турбогенератор, работающий на грани физических возможностей материи.

Как обычный пульсар получает «второе дыхание»?

Обычные пульсары постепенно теряют энергию вращения и со временем перестают быть активными радиопульсарами. Но часть нейтронных звезд получает возможность раскрутиться снова и буквально обмануть старость.

Секрет их невероятной скорости — аккреция (перетекание вещества) в двойной звездной системе. Этот процесс астрономы называют «рециклингом» или повторным запуском.

Необходимые условия:

Соседство: Нейтронная звезда находится в двойной системе с обычной звездой.

Перетекание массы: Когда звезда-сосед эволюционирует и расширяется, пульсар своей чудовищной гравитацией начинает перетягивать на себя её вещество через внутреннюю точку Лагранжа.

Раскрутка: Падающий газ образует аккреционный диск вокруг нейтронной звезды. Вещество на внутренней кромке диска вращается с огромной скоростью и, выпадая на поверхность, передаёт свой угловой момент пульсару. Этот процесс может длиться десятки или сотни миллионов лет и постепенно «заводит» заглохший механизм заново.

Физика экстремальных условий

После раскрутки миллисекундный пульсар становится гораздо быстрее и стабильнее своего «родителя».

Период вращения P=1,4–30 миллисекунд

Магнитное поле B=10^8 – 10^9 Гаусс (на несколько порядков слабее обычного пульсара)

Возраст 10^9 – 10^10 лет (миллиарды лет)

Почему они не замедляются так же быстро, как обычные пульсары? Дело в магнитном поле. Пульсар тормозится не трением о межзвёздную среду, а за счёт магнитодипольного излучения и уноса энергии пульсарным ветром. Поскольку мощность этих потерь пропорциональна квадрату магнитного поля, ослабленное в процессе аккреции поле 10^8 Гс означает, что звезда теряет энергию вращения ничтожно мало. Она может стабильно «тикать» миллиарды лет.

Самые точные часы во Вселенной

Благодаря колоссальному запасу кинетической энергии и слабому торможению стабильность вращения миллисекундных пульсаров сопоставима с лучшими атомными стандартами времени.

Но даже у таких рекордсменов есть свои физические пределы:

Паучьи системы: Иногда раскрученный пульсар генерирует настолько мощный ветер из частиц и жесткого излучения, что начинает буквально испарять звезду-донора, которая его когда-то раскрутила. Такие системы называют «Чёрными вдовами».

Предел вращения: Существует теоретический предел (около 1000–1500 об/сек), выше которого центробежные силы разорвут нейтронную звезду. Однако реальный потолок, вероятно, ещё ниже: на высоких скоростях возникают неустойчивости (r-моды) и излучение гравитационных волн, которые сбрасывают избыток вращения. Самый быстрый известный пульсар на сегодня — PSR J1748−2446ad (716 оборотов в секунду).

Зачем они астрономам?

Миллисекундные пульсары — важнейший инструмент фундаментальной физики:

Галактический детектор гравитационных волн: Поскольку их сигналы идут с рекордной точностью, малейшие сдвиги во времени их прихода позволяют фиксировать низкочастотные гравитационные волны от слияния сверхмассивных чёрных дыр по всей Вселенной (проекты Pulsar Timing Array).

Первые подтвержденные экзопланеты: Самые первые достоверно подтвержденные экзопланеты в истории науки открыли в 1992 году именно у миллисекундного пульсара PSR B1257+12 — планеты выдали себя микроскопическими регулярными смещениями периода вращения звезды.

Изучение сверхплотной материи: Измеряя массы миллисекундных пульсаров, набравших вещество от соседей (некоторые весят более двух солнечных масс), ученые выясняют уравнение состояния материи при плотностях, превышающих ядерную.

Что будет, если PSR J0437−4715 окажется в 10 световых годах от Земли?

Возьмём реальный миллисекундный пульсар PSR J0437−4715 и мысленно перенесём его с нынешних примерно 500 световых лет на расстояние всего 10 световых лет.

Это очень быстрый пульсар: он делает около 174 оборотов в секунду, его период составляет 5,76 миллисекунды, магнитное поле — около 10^8 Гс, а возраст оценивается примерно в 1,6 млрд лет.

Радиоизлучение

Наиболее впечатляющим стало бы именно радиоизлучение. Сейчас средняя плотность потока PSR J0437−4715 на частоте около 1,4 ГГц составляет примерно 150 мЯн. Если перенести его на 10 световых лет, поток увеличится обратно пропорционально квадрату расстояния — примерно в 2600 раз.

Получится около 400 Ян.

Для сравнения, это чрезвычайно яркий радиоисточник по астрономическим меркам. Каждые 5,76 миллисекунды Землю пересекал бы очередной импульс, если геометрия пучка позволяет нам видеть пульсар.

Для радиоастрономии такой объект стал бы настоящим кошмаром: его пришлось бы учитывать практически во всех наблюдениях в соответствующем направлении и диапазоне частот. Но это не означает, что он автоматически заглушил бы всю земную радиосвязь. Воздействие на конкретный приёмник зависит от его рабочей частоты, полосы пропускания, диаграммы направленности антенны и отношения полезного сигнала к шуму.

Рентгеновское и гамма-излучение

PSR J0437−4715 гораздо менее энергетичен, чем молодые пульсары вроде Крабовидного. Его мощность потерь вращательной энергии составляет примерно 10^34 эрг/с.

Даже на расстоянии 10 световых лет поток высокоэнергетического излучения оставался бы небольшим по сравнению с солнечным потоком энергии.

Однако говорить, что излучение «вообще не будет воздействовать на атмосферу», неправильно: рентгеновские и гамма-фотоны будут ионизировать верхние слои атмосферы. Просто для пульсара такой мощности на таком расстоянии это не выглядит сценарием глобального разрушения озонового слоя или угрозы жизни на поверхности.

Пульсарный ветер

Энергия, которую пульсар теряет при торможении вращения, уходит не только в электромагнитное излучение. Значительная её часть связана с магнитосферой и релятивистским потоком частиц.

Даже если для грубой оценки считать, что вся мощность 10^34 эрг/с равномерно распространяется во все стороны, на расстоянии 10 световых лет получится поток порядка 10^(-8) Вт/м^2.

Это соответствует давлению порядка 10^(-17) Па — примерно в сто миллионов раз меньше типичного динамического давления солнечного ветра у Земли.

Поэтому магнитосфера Земли практически не заметила бы пульсарного ветра.

Гравитация

С точки зрения Солнечной системы PSR J0437−4715 был бы просто дополнительным объектом с массой примерно 1,4 солнечной.

На расстоянии 10 световых лет его притяжение было бы ничтожным для планет. Но на самых внешних объектах облака Оорта эффект уже мог бы быть заметным: за миллионы лет такая звезда способна постепенно менять орбиты части далёких кометных тел.

Это не означало бы немедленного «кометного ливня», но сделало бы пульсар одним из заметных внешних гравитационных возмущателей Солнечной системы.

Итог

PSR J0437−4715 на расстоянии 10 световых лет не представлял бы серьёзной угрозы для жизни на Земле.

Гравитационное воздействие на планеты было бы пренебрежимо малым, пульсарный ветер — намного слабее солнечного, а рентгеновское и гамма-излучение не имело бы энергетики, достаточной для глобальной катастрофы.

Зато в радиодиапазоне это был бы совершенно необычный сосед: источник с потоком порядка 400 Ян и 174 импульсами в секунду. Для радиоастрономии такой пульсар стал бы одним из самых ярких и удобных объектов для изучения во всей окрестности Солнца.

Именно поэтому для человека он был бы скорее фантастически интересной природной лабораторией, чем космической угрозой.