Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Взаимодействие и разгон

Нейтронные звезды и черные дыры в принципе тоже могут быть гиперскоростными. То есть их может разогнать сверхмассивная черная дыра за счет разрыва двойной. Но это очень экзотический механизм. В солнечной окрестности он, конечно же, не работает. Вокруг нас, если мы посмотрим на обычные звезды, есть интересный класс объектов, которые называют убегающими звездами. Как можно догадаться, они имеют скорость больше, чем их соседи. Больше – это 70 км/с, а иногда 100 км/с. Как они приобрели такие скорости?

Есть, опять-таки, два способа. Первый мы уже обсудили – это взаимодействие с каким-то другим телом и получение дополнительной энергии. Только теперь «другое тело» – это не сверхмассивная черная дыра. Происходит коллективное взаимодействие, например, в плотной молодой звездной ассоциации, и часть звезд теряет энергию, а часть – приобретает и становится убегающими.

Второй способ связан с двойными системами. Если у нас две звезды крутятся вокруг друг друга, одна взрывается (т. е. резко становится легче, а вещество улетает из системы), то вторая звезда становится гравитационно не связанной с ней. Но у нее была какая-то орбитальная скорость, и фактически вся эта орбитальная скорость сохранится. Немножечко, правда, звезда все-таки замедлится, пока будет отлетать от своей полегчавшей соседки, но несильно. Поэтому если до распада двойной орбитальная скорость составляла 100 км/с, то после разрыва системы звезда может улететь со скоростью 70 км/с.

Распад двойной системы после взрыва сверхновой. Улетающая оболочка уносит более половины массы системы. Показано движение центра масс оболочки, нормальной звезды и компактного объекта.

Естественно, нейтронные звезды и черные дыры тоже могут приобретать скорость в таком процессе. Тем более что они и образуются в результате вспышки сверхновой. Это называют «эффектом пращи». Как камень вылетает из пращи – крутили-крутили, а потом бросили, – так и здесь: крутилась удерживаемая силой гравитации звезда или черная дыра, а потом улетела, потому что гравитация резко уменьшилась. Так можно разгонять объекты до больших скоростей – сотни километров в секунду. Особенно нейтронные звезды и черные дыры, поскольку они могут оказываться в очень тесных системах. Понять это довольно легко: если у вас есть две большие обычные звезды, то вы не можете их поместить слишком близко – они сами по себе большие. Радиус каждой из них может быть несколько миллионов километров. А если они эволюционируют и расширяются, то будет еще больше.

А вот если одна из звезд уже превратилась в черную дыру или нейтронную звезду, то такой объект может оказаться гораздо ближе к своей соседке. Тела в двойной системе могут сближаться, например, из-за перетекания вещества. В процессе эволюции система станет более тесной. Звезды будут крутиться друг вокруг друга быстрее, и во время второго взрыва сверхновой звезды (т. е. взрыва второй звезды) компактный объект может оказаться улетающим с очень большой скоростью. Так можно получать даже скорости, превосходящие тысячу километров в секунду. Ситуация, когда возможен столь сильный разгон, должна быть довольно редкой, так как система должна быть очень тесной перед распадом. Но такое в принципе возможно.

Наконец, есть способы разогнаться до больших скоростей, доступные только для нейтронных звезд и черных дыр. Их придумали для того, чтобы объяснить данные наблюдений. Давайте посмотрим, откуда появилась эта задача.

Измерения скоростей пульсаров

Мы можем измерять скорости компактных объектов. В разных ситуациях это делается немного по-разному. Например, мы наблюдаем какой-нибудь радиопульсар. Изучаем его несколько лет. Точно измеряем координаты. И замечаем, что он смещается на небе. Если мы знаем расстояние до пульсара, то по его смещению мы можем определить, с какой скоростью он летит (точнее, так мы можем определить проекцию его скорости на небесную сферу). Сейчас благодаря таким измерениям известны скорости сотен радиопульсаров. Смещение наблюдают не только у радиопульсаров, но и у нейтронных звезд, являющихся рентгеновскими источниками или наблюдающихся в видимых лучах. И здесь мы можем определить скорость движения в проекции на небо.

Сравнение скоростей массивных звезд и радиопульсаров. Последние в среднем имеют скорость примерно в 10 раз выше.

В некоторых случаях мы наблюдаем последствия взаимодействия быстро двигающегося пульсара с межзвездной средой – вокруг него возникает ударная волна и красивая туманность. Это также позволяет измерять скорость. Иногда скорость оценивают, исходя из смещения нейтронной звезды от центра остатка сверхновой, ее породившего. Для этого нужно знать, когда произошел взрыв. Чаще всего для остатков сверхновых удается получить неплохую оценку возраста. Статистически мы можем определять скорости молодых радиопульсаров по их смещению относительно плоскости диска Галактики, где они в основном должны рождаться.

Уже первые измерения начала 70-х годов XX века показали, что пульсары двигаются со скоростями в несколько раз больше скоростей массивных звезд – их прародителей. Значит, пульсары как-то разгоняются. Причем довольно быстро. Обсуждались самые разные способы разгона.

В 90-е годы прошлого века оказалось, что пульсары двигаются еще быстрее. Новое понимание было связано с тем, что научились точнее определять расстояния до этих источников, и выяснилось, что ранее их занижали в среднем раза в два-три, из-за того, что не знали, как распределена в Галактике плотность электронов в межзвездной среде. Дело в том, что радиосигнал, распространяясь в плазме, «расползается». Электромагнитные волны разной частоты имеют разную скорость: ведь это не вакуум! Соответственно, волны разной частоты приходят к нам в разное время. Поэтому, например, максимум импульса пульсара будет регистрироваться в разное время на разных частотах, а если у нас измерения проводятся в широкой полосе частот, то форма импульса пульсара станет шире. Пронаблюдав, как расплылся сигнал, мы можем определить длину пути, если знаем, сколько было электронов на пути радиоволн. Так вот эта величина до середины 1990-х определялась неточно, а потому занижалось расстояние до подавляющего большинства радиопульсаров.

Сейчас мы знаем, что типичные скорости нейтронных звезд – примерно 300 км/с, т. е. в среднем в десять раз больше, чем у звезд, из которых они родились. При этом, поскольку мы имеем дело с крайне типичным явлением, нельзя объяснить все эти скорости только распадами двойных систем, хотя бы потому, что некоторая часть нейтронных звезд рождается из одиночных звезд или звезд в очень широких двойных системах (а там скорости маленькие).

Значит, должен быть какой-то особый механизм разгона, который работает только для нейтронных звезд (и, как выяснилось позже, для черных дыр).

Взрыв сверхновой и скорость

Общие черты механизма были осознаны довольно давно, задолго до 1990-х годов, когда проблема стала еще более насущной. Одним из первых вопрос о разгоне радиопульсаров рассмотрел Иосиф Шкловский в 1970 году, и ключевым словом было «асимметрия» (хотя Леонид Озерной обсуждал асимметрию взрыва еще раньше – в 1964 году, но в приложении к излучению гравитационных волн, а не к скорости нейтронной звезды). Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой. При этом выделяется огромное количество энергии. За доли секунды высвечивается (в основном в виде потока нейтрино) столько энергии, сколько Солнце излучает за всю свою жизнь. Наличие огромного количества энергии хорошо для решения нашей задачи, ведь мы как раз хотим сообщить компактному объекту дополнительную кинетическую энергию. Поясним примером.

Если в вашем распоряжении есть большой бюджет, то даже его маленький кусочек, незаметный на фоне общей суммы, будет выглядеть внушительно. Так у всех больших американских космических миссий в течение долгого времени где-то около 1 % бюджета шел на популяризацию (сейчас, правда, финансирование популяризации в NASA осуществляется централизованно), что позволяло обеспечить весь мир красивыми астрономическими картинками и видео. Если миссия стоит $1 миллиард, то 1 % – это целых $10 миллионов. А $10 миллионов каждой миссии – немалая сумма для популяризации науки. Так и при взрыве сверхновой. Если есть очень много энергии и ее можно выделить несимметрично (хотя бы на 1 % вправо больше, чем влево), то тогда объект, который образуется, испытает асимметричное воздействие. И, соответственно, по закону сохранения импульса, новорожденный компактный объект полетит в ту или иную сторону, в зависимости от того, как устроена асимметрия. Так можно было бы получать скорости в несколько тысяч километров в секунду.