Замри, я буду смотреть на тебя⁠⁠

Тишина на краю Вселенной: физика XDINS

Если радиопульсар — это активный космический маяк, магнетар — ослепительный источник гамма-вспышек, а рентгеновский барстер — термоядерный реактор периодического действия, то XDINS (X-ray Dim Isolated Neutron Stars, или тусклые изолированные рентгеновские нейтронные звёзды) — самые спокойные и скромные объекты среди всех нейтронных звёзд.

Их главная научно-популярная драма заключается в парадоксе: они почти ничего не делают — и именно поэтому позволяют увидеть саму нейтронную звезду без помех.

Первая и самая известная группа таких объектов получила название «Великолепная семёрка» (Magnificent Seven). Первым её представителем стала звезда RX J1856.5−3754, открытая в 1996 году космическим телескопом ROSAT. Впоследствии были найдены ещё 6 схожих объектов, а сегодня астрономы продолжают искать новых кандидатов, расширяющих границы этого класса. Причем ищут в архивах наблюдений, так как телескоп eROSITA из состава обсерватории "Спектр-РГ" в настоящее время бездействует по политическим причинам.

Что такое XDINS и в чём их наблюдательные особенности?

XDINS — это остывающие одиночные нейтронные звёзды, обычно рассматриваемые как относительно молодые по астрономическим меркам, с характерными возрастами порядка сотен тысяч — нескольких миллионов лет.

В отличие от стандартных радиопульсаров, XDINS демонстрируют абсолютный наблюдательный штиль:

Изолированность: У известных XDINS не обнаружено звёздных компаньонов и признаков современной аккреции вещества.

Отсутствие заметного радиоизлучения: Наблюдения не регистрируют стабильного или импульсного радиосигнала, что может быть связано с уходом радиолуча из поля зрения Земли, географией магнитосферы или угасанием механизма рождения электрон-позитронных пар.

Тепловой спектр: Излучение является почти идеально тепловым, с максимумом в диапазоне мягкого рентгена 0,1 - 1 кэВ.

Сравнительно низкая светимость: Болометрическая светимость составляет всего L=10^31 - 10^32 эрг/с.

Поверхность нейтронной звезды после рождения остывает очень быстро по человеческим меркам, но остаётся рентгеновски горячей T=10^5 - 10^6 К на протяжении миллионов лет. В первые сотни тысяч лет нейтронная звезда теряет энергию в основном за счет испускания нейтрино из недр (реакции Урка, бета-процессы), а не за счет фотонов с поверхности. Именно поэтому, несмотря на возраст в миллион лет, кора всё еще светится в рентгене — фотонное остывание сильно запаздывает за нейтринным. При таких температурах максимум излучения чёрного тела приходится именно на мягкий рентген — что и делает XDINS заметными для орбитальных обсерваторий при всей их общей «тусклости».

Физика излучения: Тепловой баланс и магнитное поле

Основным источником наблюдаемой светимости XDINS является остаточное тепло, накопившееся при рождении нейтронной звезды. Однако для некоторых объектов (например, RX J0720.4−3125) данные наблюдений указывают на возможный дополнительный вклад диссипации и быстрого распада магнитного поля, энергия которого переходит в нагрев коры.

Оценка магнитного поля

Периоды вращения «Великолепной семёрки» достаточно велики по сравнению с молодыми радиопульсарами — от 3 до 12 секунд.
Величина индукции магнитного поля составляет 10^11-10^13 Гс. Это значение лежит в области сильных полей нейтронных звёзд — выше среднего уровня обычных радиопульсаров и вплотную приближается к нижнему порогу магнетаров. Одна из популярных гипотез связывает часть XDINS с эволюционно затихшими магнетарами, чьё начальное магнитное поле успело частично диссипировать.

Фундаментальная физика: Линии поглощения и вакуумное двулучепреломление

Поскольку спектр XDINS почти не искажён магнитосферными процессами или аккрецией, они служат идеальными лабораториями для фундаментальной физики.

1 Широкие спектральные линии поглощения

В рентгеновских спектрах большинства объектов М7 обнаружены широкие линии поглощения с энергиями в сотни электронвольт (200 - 700 эВ). Их интерпретируют либо как протонные циклотронные резонансы, либо как атомные переходы в сильно намагниченной атмосфере (водородной или гелиевой).

Связь с уравнением состояния (EOS):

Если природа спектральной линии и её лабораторная энергия известны, измерение её гравитационного красного смещения позволяет напрямую рассчитать компактность звезды (M/R). Это даёт важнейшее ограничение на уравнение состояния сверхплотной материи, хотя для XDINS интерпретация линий пока сохраняет определенную неоднозначность.

2 Вакуумное двулучепреломление (QED)

В 2016–2017 годах наблюдения оптической поляризации от звезды RX J1856.5−3754 на Очень Большом Телескопе (VLT) показали уровень поляризации порядка 16\%.

В сильном магнитном поле квантовоэлектродинамические (КЭД) эффекты виртуального рождения электрон-позитронных пар делают физический вакуум вокруг звезды аналогом анизотропного кристалла для распространения электромагнитных волн. Этот результат стал одним из первых важных наблюдательных свидетельств эффекта вакуумного двулучепреломления.

Гипотетический сценарий: XDINS в 10 световых годах от Земли

Перенесём гипотетический XDINS со свойствами RX J1856.5−3754 L=10^31 эрг/с, T=10^5 К на расстояние 10 световых лет от Солнца.

1 Поток излучения и видимость

Болометрический поток у границы атмосферы Земли составит 8,9*10^(-12) Вт/м^2. Поток мягкого рентгена от этого объекта превзошёл бы все остальные рентгеновские источники на ночном небе, кроме Солнца.

При сохранении соотношения между рентгеновской и оптической светимостью (с учётом известного оптико-ультрафиолетового избытка) видимая звёздная величина объекта составила бы около 17,5^m. Его можно было бы обнаруживать крупными любительскими телескопами, а профессиональные инструменты получили бы чрезвычайно яркий объект для детальной спектроскопии.

2. Воздействие на Землю

Атмосфера: Мягкое рентгеновское излучение практически полностью поглощалось бы земной атмосферой на высотах более 80–90 км (в термосфере и ионосфере).

Биосфера: При данном потоке воздействие на климат и биосферу было бы пренебрежимо малым по сравнению с солнечным излучением и не представляло бы опасности.

3. Астрометрический прорыв

С расстояния 10 световых лет годичный параллакс объекта составил бы p=326 миллисекунд дуги. Это позволило бы с высочайшей точностью измерить расстояние, а анализ фазовых профилей рентгеновского излучения дал бы возможность детально восстанавливать распределение температуры и геометрию горячих областей на поверхности звезды.

Заключение

XDINS — это идеальные объекты для тех, кто хочет изучать чистую физику вырожденного вещества. Их главная ценность — необычайно простой по сравнению с активными нейтронными звёздами наблюдаемый облик: отсутствие бурлящих аккреционных дисков, релятивистских джетов и разрывающих магнитосферу гамма-всплесков.

Они показывают нам нейтронную звезду такой, какая она есть — сжимающийся, остывающий и медленно угасающий памятник катастрофической гибели массивной звезды.