По крайней мере некоторые из быстрых радиовсплесков могут быть вызваны «звездотрясениями», возникающими «на поверхности нейтронных звёзд», утверждают учёные Токийского университета в новой работе.

Источник изображений: wikipedia.org

Быстрый радиовсплеск (Fast Radio Bursts, FRB) представляет собой внезапный импульс радиочастотного излучения, который продолжается всего несколько микросекунд. С момента первого обнаружения в 2007 году астрономы зафиксировали уже тысячи таких событий: одни источники испускают их регулярно, другие же производят их один раз и замолкают.

Распространёнными источниками регулярных радиовсплесков являются пульсары и магнетары — нейтронные звёзды, то есть схлопнувшиеся плотные ядра некогда массивных звёзд, чья масса теперь сравнима с солнечной при диаметре в десятки километров. Пульсары вращаются с частотой в несколько сотен оборотов в секунду, а их магнитное поле наклонено к оси вращения, из-за чего возникает излучение. Магнетары вращаются медленнее, но обладают самыми сильными во Вселенной магнитными полями — в триллионы раз сильнее земного.

В 2020 году телескоп CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) зафиксировал событие, похожее на FRB, но всплеск исходил от SGR 1935+2154 — «источника регулярного мягкого гамма-излучения». Событие подтвердил телескоп STARE2 (Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2), и предположение, что FRB мог быть произведён магнетаром, представлялось многообещающим.

Учёные также зафиксировали несколько FRB, которые больше не повторялись, и предположили, что их источник был уничтожен. Таким источником мог быть блицар — причудливое астрономическое событие, связанное с коллапсом излишне массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Это событие возникает при слиянии двух нейтронных звёзд — оно образует слишком крупную нейтронную звезду, которую удерживает от немедленного коллапса только быстрое вращение. Но вращение замедляется из-за сильных магнитных полей, объект коллапсирует в чёрную дыру, а энергия магнитных полей высвобождается в виде FRB.

Первый зафиксированный в 2007 году быстрый радиовсплеск

В 2022 году астрономы при помощи телескопа CHIME обнаружили FRB, который был зафиксирован как единичное событие, но на самом деле состоял из девяти отдельных всплесков, повторявшихся примерно каждые 215 мс, а его источник находился предположительно вблизи поверхности магнетара. По одной из версий, звезда вращалась медленно, а событие было порождено вибрациями её коры, то есть «звездотрясением». Учёные токийского университета решили сравнить статистику FRB с данными о землетрясениях и солнечных вспышках, чтобы установить возможные сходства. Для этого были изучены 7000 сигналов от трёх источников повторяющихся FRB, чтобы учесть корреляцию между другими подобными событиями — тот же подход был использован при установке корреляции по времени и энергии землетрясений и солнечных вспышек для последующего анализа всех трёх явлений.

Как выяснилось, между FRB и землетрясениями действительно есть некоторые сходства. В частности, вероятность афтершока после одиночного события составляет от 10 % до 50 %. Частота афтершоков остаётся постоянной величиной, даже если активность FRB и землетрясения существенно меняется — при этом корреляция между энергиями основного толчка и афтершоков отсутствует. Исследователи планируют и дальше анализировать новые данные FRB, но уже полученные ими результаты указывают, что нейтронные звёзды могут иметь твёрдую кору, склонную к «звездотрясениям», при которых выделяется огромное количество энергии в виде FRB.

Астрономы говорят, что их проект поможет больше узнать как о землетрясениях, хотя условия на далёких сверхплотных звёздах и кардинально отличаются от земных; так и о материи очень высокой плотности, а также о фундаментальных законах ядерной физики.

Магнетарами становятся примерно 10 % нейтронных звёзд и учёные пока не понимают механизмов превращения сверхновой в такой сверхнамагниченный компактный объект, как магнетар. Новое открытие даёт намёк на предпосылки для рождения магнетара. Подсказкой стало обнаружение звезды с необычно сильным магнитным полем, мощность которого превышает все известные науке модельные значения.

Магнетар в представлении художника. Источник изображения: L. Calçada/European Southern Observatory

Предметом исследования стала массивная звезда в двойной системе HD 45166, которая удалена от нас на 3000 световых лет. Право наблюдать за HD 45166 добился астроном Томер Шенар (Tomer Shenar) из Университета Амстердама (Нидерланды). Главная звезда системы имеет все признаки так называемой звезды Вольфа-Райе — это тип звёзд, для которых характерны очень высокие температуры и светимости и, как правило, они находятся на поздних стадиях своей эволюции, а также содержат мало водорода и богаты гелием. Но звезда в системе HD 45166 имела одно существенное отличие от типичных звёзд Вольфа-Райе — её масса была значительно меньше ожидаемой.

Эта аномалия заставила учёного добиваться доступа к самым передовым астрономическим инструментам. Он считал, что звезда ведёт себя подобно звёздам Вольфа-Райе и при этом намного менее массивна по причине сильного магнитного поля, которые раньше не регистрировались у таких звёзд. И действительно, сила магнитного поля у главной звезды HD 45166 оказалась запредельная для таких объектов — она достигала 43 тыс. Гс (гаусс). Для сравнения, сила магнитного поля Земли всего 0,5 Гс.

«По сути, это объект, который не соответствует нашим моделям и теориям», — сказал Шенар в интервью CNN.

Учёный считает, что смог обнаружить звезду, которой суждено превратиться в магнетар. Произойдёт это примерно через один миллион лет, когда звезда пройдёт стадию сверхновой и сбросит оболочку, а её ядро сожмётся до нейтронной звезды. По крайней мере, это может быть один из сценариев рождения магнетаров, добавляет учёный.

Другой вопрос: как такое могло произойти, что звезда хорошо изученного типа приобрела настолько запредельное для неё магнитное поле? По мнению исследователя, которое он представил в виде статьи в журнале Science, изначально система HD 45166 содержала три звезды, и одна из них была поглощена главной звездой. Тяжёлое ядро поглощённой звезды теоретически способно на такие проявления, как сильный магнетизм. Так это или нет, но астрономы теперь могут поискать в небе потенциально новый тип «массивных гелиевых магнитных» звёзд, чтобы закрепить или опровергнуть открытие «зародышей» магнетаров.

Расположенная в 30 тыс. световых годах от центра Млечного Пути нейтронная звезда (магнетар) SGR 1935+2154 некоторое время назад резко «заглючила» — изменила скорость своего вращения, что сопровождалось быстрым радиовсплеском. Группа китайских учёных предложила объяснение зафиксированных сбоев: аномалии могут быть вызваны падением астероида, который был притянут гравитационным полем звезды и разорван на части.

Источник изображения: nasa.gov

Как и все нейтронные звёзды, магнетары появляются, когда у массивной звезды заканчивается топливо для термоядерного синтеза, удерживающего её от коллапса под действием собственной гравитации. После взрыва сверхновой внутреннее ядро сжимается, порождая звёздный остаток с массой Солнца и размерами среднего земного города. В результате силовые линии магнитного поля умирающей звезды сближаются, порождая мощнейшие магнитные поля среди всех объектов Вселенной. Поэтому такие нейтронные звёзды называют магнетарами.

Иногда магнетары производят быстрые радиовсплески — первый из них был обнаружен в 2007 году, и его природа тогда была неясна. В 2020 году была установлена связь между быстрыми радиовсплесками и нейтронной звездой SGR 1935+2154 — природу этой связи попытались объяснить китайские исследователи. Нейтронные звезды могут быть окружены остатками своих планетарных систем, и среди этих обломков могут оказаться астероиды. Когда астероид притягивается гравитацией магнетара и разрушается, импульс этого космического камня по законам физики не может исчезнуть бесследно — он сообщается нейтронной звезде. Если астероид движется в направлении вращения нейтронной звезды, то при их столкновении последняя ускоряет вращение («сбой» или «глюк»); в противоположном случае оно замедляется («антисбой» или «антиглюк»).

Остатки разрушенного гравитацией астероида попадают в ловушку интенсивного магнитного поля магнетара, в результате чего силовые линии изменяют конфигурацию, прерываются и снова соединяются, на последнем этапе производя быстрый радиовсплеск. В конце концов остатки космического камня попадают на поверхность нейтронной звезды, производя взрыв чудовищной силы: подсчитано, что падающий на нейтронную звезду объект массой с один зефир выделяет энергию, эквивалентную детонации тысячи водородных бомб.

Это значит, что ударяющееся о поверхность нейтронной звезды вещество астероида создаёт мощные энергетические вспышки на разных частотах спектра, и эти вспышки могут обнаруживаться астрономами. Исходя из этого посыла, учёные смогут и дальше фиксировать столкновения астероидов с магнетарами, укрепляя тем самым связь между нейтронными звёздами и быстрыми радиовсплесками.

Международная группа учёных рассказала об обнаружении нового класса звёзд, представляющих собой недостающее звено в эволюции двойных систем, в конце жизни которых происходит столкновение нейтронных звёзд.

Источник изображений: uni-heidelberg.de

Считается, что при сопровождающем такое столкновение взрыве — килоновой — возникают условия для формирования элементов тяжелее железа: серебра, золота и платины, которые не могут возникать в звёздных ядрах. Поэтому слияния нейтронных звёзд жизненно важны для распространения тяжёлых элементов во Вселенной. Недостающим звеном эволюции килоновых являются входящие в двойные системы звёзды, внешние слои водорода которых поглощаются звездой-компаньоном. «Пострадавшая» при этом процессе звезда остаётся с обнажёнными плотными горячими слоями гелия, образовавшегося в результате синтеза водорода.

Астрономам уже известно о существовании малых и, напротив, массивных обнажённых звёздах (звёздах Вольфа — Райе), но они либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы оказаться в системах, производящих килоновые. Ранее не удавалось обнаружить гелиевые звёзды с массой от двух до восьми солнечных. Из-за этого даже выдвигалась гипотеза о «разрыве масс гелиевых звёзд» и возникали вопросы, могут ли модели жизненного цикла массивных звёзд быть ошибочными. Теперь же международной группе учёных под руководством доцента Университета Торонто Марии Друт (Maria Drout) удалось обнаружить 25 возможных примеров объектов, представляющих это недостающее звено эволюции.

Обнажённые гелиевые звезды промежуточной массы начинают жизненный цикл как гиганты с массой от 8 до 25 солнечных. Они находятся в двойных системах с компаньонами, которые постепенно захватывают их внешние слои. Когда у такой звезды заканчивается топливо для ядерного синтеза, она производит взрыв — сверхновую, при котором выбрасывается относительно небольшое количество вещества, но остаётся ядро в виде нейтронной звезды. В этот момент они меняются местами в паре, и уже новая нейтронная звезда начинает поглощать своего компаньона, который тоже в какой-то момент производит сверхновую.

Эволюция двойных систем с обнажёнными звёздами

Образуется двойная система нейтронных звёзд, состоящая из пары тесно связанных «мертвецов», излучающих при вращении вокруг друг друга гравитационные волны. Эти гравитационные волны уносят с собой момент импульса двойной системы, нейтронные звёзды закручиваются по спирали всё быстрее, пока они не столкнутся и не произведут килоновую. Но для обнаруженных учёными объектов этот сценарий располагается ещё в отдалённом будущем.

Астрономы предполагают, что есть причина, по которой обнаружить обнажённые звёзды промежуточной массы так трудно. Свет, излучаемый ими в видимом диапазоне, перебивается светом сжигающих водород компаньонов. Чтобы обойти это ограничение, исследователи начали искать их в ультрафиолетовом диапазоне, и поиски начали с расположенных неподалёку от Млечного Пути карликовых галактик — Большого и Малого Магеллановых Облаков. В результате удалось обнаружить 25 объектов, которые произведут сверхновые и пары нейтронных звёзд с последующим слиянием.

Одна из таких звёзд сильно отличается от того, что ожидали увидеть учёные: она пока ещё не полностью растеряла внешний водородный слой, и если подобный механизм характерен для других объектов промежуточной массы, то они могут казаться намного больше и холоднее, чем есть на самом деле. Это значит, что звёзды нового класса, возможно, всё время прятались у всех на виду.

Анализируя данные, полученные обсерваториями LIGO и VIRGO, которые изучают гравитационные волны, а также проектом CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), исследователи, вероятно, нашли доказательства первого в истории наблюдения блицара.

Источник изображения: Aman Pal / unsplash.com

Блицар — считающееся гипотетическим астрономическое событие, вызванное коллапсом чрезмерно массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Событие происходит в результате случившегося ранее слияния двух нейтронных звёзд — они порождают нестабильную промежуточную нейтронную звезду, которая вращается настолько быстро, что только центробежные силы удерживают её от немедленного превращения в чёрную дыру. Однако сильные магнитные поля со временем замедляют её вращение, она всё-таки становится чёрной дырой и уходит за горизонт событий. В результате этого коллапса космическая «динамо-машина» уничтожается, и энергия магнитных полей высвобождается в виде быстрого радиовсплеска в широком диапазоне — это и есть блицар.

Учёные предположили, что такое событие, возможно, уже было зафиксировано ранее. Повторяющиеся быстрые радиовсплески обычно связываются с магнетарами — нейтронными звёздами с чрезвычайно сильными магнитными полями. Но если событие носит единичный характер, можно предположить, что породившие его условия уничтожили источник. Поэтому было решено объединить данные обсерваторий LIGO и VIRGO, наблюдающих гравитационные волны, и проекта CHIME, который эффективно фиксирует быстрые радиовсплески. Данные отфильтровали по относительно простому принципу: искомое событие должно было произойти в одной области неба примерно в одно время, причём гравитационная активность должна была быть зафиксирована раньше, чем радиоизлучение. Из 21 слияния нейтронных звёзд, обнаруженного в гравитационных волнах, одно совпало с быстрым радиовсплеском. Причём событие GW190425 (гравитационные волны) произошло за 2,5 часа до FRB 20190425A (быстрый радиовсплеск).

К сожалению, изучающих гравитационные волны обсерваторий пока недостаточно много, и учёные пока не берутся заявлять с полной уверенностью, что это был блицар — они утверждают, что быстрый радиовсплеск с 70-процентной вероятностью произошёл в области слияния нейтронных звёзд. Вероятность случайного совпадения двух этих событий оценивается как 0,004. По данным детекторов гравитационных волн, до слияния нейтронные звезды имели 1,35 и 2,0 масс Солнца, а после него образовался объект в 3,2 массы Солнца. При этом невращающаяся нейтронная звезда должна быть не тяжелее, чем 2,6–3,0 массы Солнца, чтобы не коллапсировать в чёрную дыру. Дальнейшее изучение подобных объектов и событий поможет уточнить теоретические значения этих величин.

Группа американских учёных рассказала о двойной звёздной системе, которая через несколько миллионов лет произведёт килоновую — взрыв, сопровождаемый слиянием двух нейтронных звёзд. Излучаемая при таком взрыве энергия может в тысячу раз превосходить показатели рождения новой.

Источник изображения: noirlab.edu

Одна из звёзд в двойной системе на расстоянии 11 400 световых лет от нас является нейтронной и носит название SGR 0755-2933. В конце своей жизни звезда отдала своему компаньону настолько много вещества, что ей самой уже не хватило материала, чтобы завершить свою жизнь ярким взрывом сверхновой. Вместо этого на закате своей «карьеры» она произвела «тихую» сверхновую — это редкое космическое событие, — после чего превратилась в нейтронную звезду.

Вторая звезда в изученной паре носит название CPD-29 2176 и обращается вокруг своего компаньона с периодом в 60 земных дней. Систему в созвездии Корма случайно обнаружила студентка Авиационного университета Эмбри-Риддл (США, шт. Аризона) Кларисса Павао (Clarissa Pavao) при изучении данных Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. Внимание исследователей привлекла необычно правильная круговая орбита массивной звезды — произведённый её звездой-компаньоном «тихий» взрыв сверхновой оказался недостаточно мощным, чтобы выбросить компаньона на вытянутую эллиптическую орбиту, типичную для подобных двойных систем.

«Тихая» сверхновая SGR 0755-2933 вспыхнула несколько миллионов лет назад, и астрономы считают, что у CPD-29 2176 есть в распоряжении ещё как минимум миллион лет, после чего она сама произведёт сверхновую и превратится в нейтронную звезду. После этого две нейтронные звезды в течение ещё нескольких миллионов лет будут сближаться друг с другом и столкнутся, произведя взрыв килоновой. Ранее считалось, что во всей нашей галактике Млечный Путь таких систем одна или две, сейчас же учёные увеличили их оценочное число до десяти.

В результате подобных взрывов образуются огромные количества тяжёлых элементов: платины, ксенона, урана и золота, которые просто выбрасываются в пространство. Астрономы считают, что после таких событий вещества зависают в межзвёздной среде и впоследствии образуют астероиды — в результате их падения на Землю по мере её формирования появились драгоценные металлы, которые мы видим сегодня.