Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Секретные поля

В последние годы астрофизики обратили внимание на один эволюционный механизм, который мы уже упоминали выше. Он позволяет добавить, вероятно, последнюю существенную связь между разными типами нейтронных звезд. В этом сценарии можно увеличивать наблюдаемое в основных астрофизических процессах магнитное поле компактных объектов.

Идея состоит вот в чем. Как рождается компактный объект? Жила-была массивная звезда. В конце ее жизни произошел взрыв сверхновой. Внешние слои улетели, железное ядро сжалось – образовалась нейтронная звезда. Все хорошо, но не все сбрасываемые слои могут улететь бесконечно далеко. Гравитация у компактного остатка все равно достаточно сильная, кроме того, ударные волны помогают замедлить разлетающееся части звезды, и часть вещества может упасть обратно. Падающее вещество – это очень хороший проводник электричества. Магнитное поле создает в проводящем слои такие токи, которые компенсируют поле для внешнего наблюдателя. Возможна такая ситуация, когда вещества на нейтронную звезду падает достаточно много, чтобы прижать магнитное поле к поверхности. Тогда получается забавный объект. Внутри у вас может быть нейтронная звезда с очень большим полем или, можно сказать, с очень большими текущими в ней токами, но снаружи все это завалено толстым слоем проводящего вещества, и наблюдатель на бесконечности видит объект с очень маленьким полем. Такая звезда очень плохо замедляется, никакой бурной активности не наблюдается: мы просто видим десятикилометровый шарик, который светится в соответствии со своей температурой где-нибудь около миллиона градусов, – и все. Нам он представляется спокойным объектом. Но там внутри может быть что угодно, включая магнитар.

Один из активно изучаемых сейчас объектов как раз является кандидатом в такие заваленные, или «спрятанные», магнитары. Обнаружилось это довольно интересным способом. Этот объект наблюдается в рентгеновском диапазоне, и его излучение пульсирует. Но это не значит, что объект сжимается или расширяется, просто на его поверхности есть более горячие области и более холодные. Нейтронная звезда вращается вокруг своей оси, и поэтому иногда мы видим больше горячей поверхности, иногда – меньше. Соответственно, к нам приходит то больше, то меньше излучения. Так вот, наблюдаемые пульсации очень сильные, и когда астрофизики попытались это промоделировать, то оказалось, что, чтобы создать такую неоднородную температуру на поверхности, нужно очень сильное магнитное поле. А мы видим по замедлению вращения, что поле-то у него вроде бы слабое. Единственное разумное объяснение состоит в том, что наружное поле, которое отвечает за замедление нейтронной звезды, имеет маленькую величину, а внутри, в коре компактного объекта, текут большие токи, поддерживается сильное поле, которое закрыто от нас вот этим напа́давшим материалом. Это не навечно, а с точки зрения жизни нейтронных звезд – на совсем короткий промежуток времени. За несколько десятков тысяч лет поле все-таки выберется наружу за счет диффузии.

Таким образом, придуман механизм (и найдено наблюдательное свидетельство в пользу того, что он может реализовываться), который позволяет превращать самые спокойные нейтронные звезды в самые буйные. То есть можно на несколько тысяч или десятков тысяч лет запереть нейтронную звезду, успокоить ее в эдакой смирительной рубашке, а потом все-таки магнитное поле нейтронной звезды проберется наружу, и из этой скорлупы вылупится магнитар.

Если этот процесс действительно реализуется в природе, то фактически у нас в руках оказываются эволюционные сценарии, которые связывают вместе все известные на сегодняшний день классы нейтронных звезд. Остается только построить детальные компьютерные модели жизни нейтронных звезд на основе этих сценариев и показать, что они соответствуют наблюдательным данным. С другой стороны, наблюдения позволили на протяжении последних 20 лет настолько расширить зоопарк нейтронных звезд, что мы психологически готовы к новым неожиданностям. Так что вполне возможно, что через несколько десятков лет или даже всего через несколько лет появятся какие-то новые удивительные объекты, которые не будут вписываться в нарисованную нами картину. В этом случае процесс Великого объединения нужно будет продолжать дальше и искать какие-то новые эволюционные связи между разными типами компактных объектов. Возможно, что для этого понадобится и новая физика.

XII. Компактные объекты и фундаментальная физика

Астрофизические лаборатории для бедных

«Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему». Всегда мечтал использовать эту фразу в научно-популярном тексте. Оставим несчастные семьи Льву Николаевичу, посмотрим на счастливые. Выглядит фраза как некий закон, имеет ли он действительно такую степень общности? Строго говоря, надо исследовать, проверять, одинаково ли счастливы счастливые семьи во время войны и во время мира или семьи казаков и семьи филипков, семьи австралийские и семьи шведские. Это надо проверять, если мы хотим от литературы перейти к науке, в данном случае – к социологии.

На самом деле все науки действуют примерно так же. То есть если мы записали какой-нибудь закон – в случае астрофизики это должен быть физический закон, – то дальше нужно его проверять в разных ситуациях. Потому что, хотя есть большой соблазн сказать, что книга природы написана на языке математики, на самом деле, конечно, не все так просто. На самом деле мы ее пишем, а не читаем. Мы смотрим на природу и пишем некую книгу на языке математики. Если мы уже написали какой-то кусочек или какие-нибудь великие физики написали его в XIX веке до нас, то продолжения могут быть альтернативными.

Со мной один раз произошел любопытный казус. Когда выходил последний том Гарри Поттера, мне не хотелось его покупать, потому что потом пришлось бы издалека везти его домой (я тогда был в обсерватории Кальяри на Сардинии), а он был очень тяжелый. И выкинуть жалко. Поэтому я его искал в Интернете. В итоге что-то нашел и нечаянно прочел альтернативное продолжение, приняв его за оригинал. Оно, кстати, понравилось мне больше, чем потом настоящий последний том саги (хотя и он неплох). Это очень здорово, когда есть хорошие альтернативы. Это очень важно, особенно в науке. Наука вообще существует, пока есть возможности писать «альтернативные продолжения» книги природы, о которой говорил Галилей.

В самом деле, пусть есть какой-нибудь физический закон, например, законы электродинамики. Вроде бы здесь все хорошо известно: мы начинали их изучать в школе, заканчивали учить в институте и потом забыли. Но если мы переходим к пределу очень сильных полей, то возникают альтернативные варианты. Мы начинаем от известных законов со стандартными полями, а в область сильных – экстраполируем, и это можно сделать одним способом или другим. И у всех теоретиков, как у разных писателей, есть разные взгляды на жизнь – как она устроена. Поэтому в естественных науках нам нужно проверять, какой из альтернативных вариантов соответствует действительности. То есть если мы хотим изучать счастливые семьи, то нам нужно ездить по всему миру и собирать данные о них и смотреть, одинаково ли они счастливы или эта гипотеза неверна.

Согласно легенде, возникшей на основе работы Винченцо Вивиани, ученика Галилея, великий ученый проводил свои опыты, бросая шары с Пизанской башни. Исторические исследования не подтверждают это. Однако даже если бы это было правдой, увеличение масштабов эксперимента не дало бы Галилею принципиально новых данных. Но уже в Солнечной системе, изучая движение тел под действием гравитации, можно столкнуться с принципиально новыми явлениями.

К несчастью, физический эксперимент всегда ограничен: всегда есть какие-то предельные значения параметров, достижимые в конкретном эксперименте. Начнем с самого банального. Например, если вы изучаете гравитацию, то вы можете изучать силу тяжести в масштабе своей комнаты, далее – в масштабе Земли, запустить спутники на околоземную орбиту, потом – запустить спутники на орбиту в Солнечной системе. Но изучать законы гравитации в больших масштабах вы не можете с помощью лабораторных приборов, вам нужно обращаться к естественным процессам в природе. Это самое банальное – лаборатория просто кончилась. Эксперимент ограничен масштабом установки.

Иногда нам не хватает каких-то мощностей, каких-то возможностей создать экстремальные параметры в лаборатории, и поэтому мы обращаемся к природным процессам. Чаще всего это процессы астрофизические. Академик Зельдович не зря называл Вселенную ускорителем для бедных. К примеру, инженеры и ученые 10–20–30 лет строили-строили и наконец построили какой-нибудь крупный ускоритель, научились ускорять частицы до больших энергий, но из космоса постоянно прилетают частицы с энергией в миллиард раз больше, чем на БАКе. Прилетают каждый день, прилетают совершенно бесплатно, в принципе их тоже можно брать и изучать. И нейтронные звезды – это как раз такие уникальные, естественные лаборатории, где очень многие параметры – самые разные – доведены до предела. Возможно, действительно, до предельных пределов, вообще существующих в природе.