Группа учёных сообщила о публикации третьего каталога, собранного на основе данных космического гамма-телескопа им. Ферми. За 15 лет работы телескоп открыл около 300 гамма-пульсаров, начиная с открытия первого такого объекта в 2008 году. Получившаяся выборка пульсаров может помочь пролить свет на эволюцию звёзд и обеспечит нам навигацию в глубоком космосе.

Пульсар в Парусах в представлении художника. Источник изображения: Science Communication Lab for DESY

Наблюдение за небом телескопом Fermi Large Area Telescope пополнило каталог гамма-пульсаров 294 ранее не известными объектами. Тем самым новая редакция каталога гамма-пульсаров содержит свыше 340 умерших звёзд, испускающих импульсы в этом диапазоне. Это примерно 10 % от всего обнаруженного земной наукой числа пульсаров на небе (3400), большинство из которых излучает в радиодиапазоне. Это не сильно впечатляющая выборка, но полученного материала достаточно, чтобы пролить больше света на эволюцию звёзд.

Пульсары представляют собой разновидность нейтронных звёзд, которые испускают импульсы в одном или в нескольких диапазонах сразу. Они образуются в результате коллапса звезды относительно небольшой массы — менее 1,6–2,4 солнечных масс. Звёзды большей массы превращаются в чёрные дыры. Далеко не всякая нейтронная звезда становится пульсаром. Ещё реже пульсары излучают только в гамма-диапазоне.

«Пульсары затрагивают широкий спектр астрофизических исследований, от космических лучей и звёздной эволюции до поиска гравитационных волн и тёмной материи», — сказал принимавший участие в создании каталога астрофизик Дэвид Смит из Астрофизической лаборатории Бордо, которая является частью Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Данные «Ферми» стали и станут кладезем информации для целого спектра научных работ по астрономии.

Также гамма-пульсары с импульсами миллисекундной длительности хорошо подходят для космической навигации. Они могут служить своеобразными маяками для полётов в далёкий космос. Каталогизация таких объектов создаёт базу для прокладывания маршрутов по Солнечной системе с высочайшей точностью. Таких в новом каталоге 144.

Наконец, наблюдение за пульсарами может использоваться для обнаружения гравитационных волн. Такие волны от множества событий искажают ткань пространства-времени, что находит отражение во временных задержках импульсов от пульсаров. Это позволяет как лучше изучать процессы во Вселенной, так и проверять наши теории о ней.

Международная группа учёных опубликовала снимок туманности MSH 15-52, полученный с помощью двух телескопов рентгеновского диапазона, который совместили с инфракрасным изображением объекта. Форма туманности напоминает очертания рентгеновского снимка человеческой руки.

Источник изображений: chandra.harvard.edu

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рёнтген (Wilhelm Röntgen) открыл лучи, впоследствии названные в его честь рентгеновскими, и получил с их помощью изображение костей руки своей жены. С тех пор данные лучи получили широкий спектр применения, и в частности, теперь их использовали, чтобы запечатлеть «кости» магнитного поля расположенной в космосе уникальной структуры в форме человеческой руки. Американские телескопы «Чандра» и IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) помогли изучить, что происходит в окрестностях мёртвой звезды, которая продолжает существовать за счёт шлейфов частиц заряженного вещества и антивещества.

Около 1500 лет назад у гигантской звезды в нашей галактике закончилось топливо — звезда сжалась и образовала чрезвычайно плотный объект — нейтронную звезду. Вращающиеся нейтронные звезды с сильными магнитными полями — пульсары — представляют собой лаборатории для изучения физических процессов в экстремальных условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле. Молодые пульсары производят струи вещества и антивещества, выбрасываемого с полюсов как сильный ветер — он подпитывает туманность.

Снимки туманности MSH 15-52, полученные телескопами «Чандра» (слева), IXPE (в центре) и в инфракрасном диапазоне (справа)

В 2001 году американская рентгеновская обсерватория «Чандра» использовалась для наблюдения пульсара PSR B1509-58, в результате чего было обнаружено, что расположенная в его окрестностях туманность MSH 15-52 напоминает человеческую руку. Пульсар находится в основании «ладони» на расстоянии примерно 16 тыс. световых лет от Земли. Дополнительно этот объект изучили при помощи телескопа IXPE — наблюдение производилось около 17 дней, и это был самый продолжительный период наблюдения для обсерватории, запущенной в декабре 2021 года.

«Данные IXPE впервые дают нам карту магнитного поля в „руке”. Производящие космические лучи заряженные частицы движутся вдоль магнитного поля, определяя основную форму туманности подобно костям в руке человека», — рассказал глава группы исследователей Роджер Романи (Roger Romani) из Стэнфордского университета в Калифорнии. IXPE помог собрать информацию об ориентации электрического поля рентгеновских лучей, которая определяется магнитным полем источника рентгеновского излучения — о рентгеновской поляризации. В обширных областях MSH 15-52 степень поляризации чрезвычайно высока — здесь она достигает теоретического максимума. Чтобы выйти на эти показатели показателей, магнитное поле должно быть прямым и однородным, а значит, турбулентность здесь невысока.

Наиболее интересным фрагментом MSH 15-52 является струя, направленная к «запястью» в нижней области снимка. IXPE показал, что поляризация в начальном фрагменте струи низкая — здесь высокая турбулентность со сложными, запутанными магнитными полями. К концу струи линии магнитного поля выпрямляются, становятся всё более однородными, а поляризация сильно возрастает. Это значит, что в турбулентных областях вблизи пульсара частицы получают прирост энергии и свободно движутся там, где магнитное поле однородно: вдоль «запястья», отстоящего «большого» и прочих пальцев. Схожие схемы IXPE обнаружил и в других туманностях пульсаров, а значит, они могут оказаться распространёнными в подобных объектах.

Группы учёных из Австралии, США, Европы, Китая и Индии независимо друг от друга опубликовали материалы об обнаружении признаков низкочастотных гравитационных волн — это ещё не совсем их открытие, но результаты наблюдений с высокой вероятностью свидетельствуют о том, что зафиксировано нечто значимое. Астрономам удалось «услышать» низкочастотные гравитационные волны — слабую рябь ткани Вселенной, вызванную движением сверхмассивных объектов, которые растягивают и сжимают пространство.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Ещё Эйнштейн предсказал, что по мере своего движения в пространстве и времени сверхтяжёлые объекты создают рябь, которая проходит по ткани Вселенной — иногда эту рябь называют фоновой музыкой Вселенной. В 2015 году эксперимент LIGO помог обнаружить гравитационные волны и доказать правоту Эйнштейна, но до сих пор они фиксировались лишь на высоких частотах. То были отдельные быстрые «щебетания», которые происходят только в определённые моменты, например, когда друг с другом сталкиваются относительно небольшие чёрные дыры и мёртвые звезды.

В последнем исследовательском проекте учёные пытались обнаружить гравитационные волны на гораздо более низких наногерцовых частотах — периоды этой медленной ряби могут составлять годы и даже десятилетия. Исходит она, вероятно, из самых больших объектов Вселенной — сверхмассивных чёрных дыр массой в миллиарды солнечных. Но есть и другие «подозреваемые»: космические струны, фазовые изменения Вселенной, быстрое расширение пространства после Большого Взрыва. Возможно, и сам Большой Взрыв, но длина гравитационной волны от него была бы размером во Вселенную, и для неё потребовался бы детектор сравнимых масштабов.

Галактики во Вселенной постоянно сталкиваются и сливаются. Схожие процессы наблюдаются и у сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Они сближаются, вращаются вокруг друг друга и в итоге тоже сливаются, испуская во время взаимодействия гравитационные волны. Если сравнить столкновение сверхмассивных чёрных дыр с брошенным в пруд камнем, то создаваемая им рябь на поверхности пруда — это низкочастотные гравитационные волны. Они расходятся одновременно во все стороны со скоростью света, сжимая и растягивая пространство и время. Зафиксировать эту рябь напрямую доступными человеку инструментами невозможно — длина такой наногерцовой волны может измеряться световыми годами. Проще говоря, Земля слишком мала, и понадобился бы детектор галактических масштабов. На их обнаружение непрямыми методами у учёных NANOGrav ушло 15 лет, и в своей работе они использовали оборудование, установленное по всей Северной Америке. Астрономы других стран опирались на результаты исследований, продолжавшихся до 18 лет.

Обсерватория Very Large Array. Источник изображения: nrao.edu

Мы живём в галактике, которая намного больше Земли, и в ней есть объекты, при помощи которых можно непрямыми методами зафиксировать признаки низкочастотных гравитационных волн. Это радиопульсары — мёртвые звёзды, которые при вращении испускают всплески электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне. Эти всплески отличаются строгой периодичностью как своего рода идеально точные часы, расположенные далеко в космосе. Но по мере того как гравитационные волны искажают ткань пространства и времени, они изменяют расстояние между Землёй и этими пульсарами, искажая тем самым этот чрезвычайно стабильный ритм. Одного мелкого сбоя в периодическом событии, конечно, недостаточно. Но если отслеживать множество пульсаров в течение долгого времени и отмечать связанные сбои в частоте радиовсплесков, действительно можно зафиксировать признаки низкочастотной гравитационной волны.

В рамках исследовательского проекта астрономы NANOGrav наблюдали за 68 пульсарами при помощи радиотелескопов «Грин-Бэнк» (США, Западная Вирджиния), «Аресибо» (Пуэрто-Рико) и Very Large Array (США, Нью-Мексико). Аналогичные свидетельства нашли другие команды учёных, следившие за другими пульсарами при помощи телескопов по всему миру. Всего было собрано материала по 115 пульсарам за 18 лет. Астрономия временных массивов пульсаров — долгосрочный проект, но учёные уже максимально близки к подтверждению открытия. Исследователи объединили данные своих наблюдений — окончательный результат должен быть получен в течение года или двух.

К сожалению, этот метод не позволяет отследить, откуда именно исходят те или иные низкочастотные гравитационные волны — он просто раскрывает постоянный гул, окружающий нас. Аналогичным образом человек на шумной вечеринке слышит, что множество людей разговаривает, но не может расслышать ничего конкретного.

Уже сейчас есть причины утверждать, что обнаруженный учёными фоновый шум низкочастотных гравитационных волн оказался «громче», чем ожидалось. Это может означать, что слияния чёрных дыр происходят чаще, чем считалось, или наше представление о природе Вселенной не вполне соответствует действительности. Исследователи надеются, что открытие поможет нам узнать больше о сверхмассивных объектах Вселенной, открыть новые двери «космической археологии» и отследить историю слияния чёрных дыр и галактик вокруг нас.

Учёные из китайских и европейских научных центров провели измерение самого сильного из когда-либо обнаруженных магнитных полей. Рекордсменом стала нейтронная звезда, на поверхности которой образовалось поле с индукцией 1,6 млрд Тл (Тесла).

Источник изображения: english.cas.cn

Изучаемая нейтронная звезда входит в двойную систему Swift J0243.6+6124, которая расположена в нашей галактике. Она перетягивает на себя вещество своей звезды-компаньона, образуя вокруг себя диск из этого вещества. По магнитным линиям оно перемещается на поверхность звезды, которая, в свою очередь, испускает вспышки в рентгеновском диапазоне. Звезда вращается, и с позиции наблюдателя на Земле эти вспышки кажутся пульсациями. А нейтронные звезды такого типа поэтому называются рентгеновскими пульсарами.

Примечательно, что данный экземпляр относится к источникам ультраяркого рентгеновского излучения. Долгое время считалось, что эта яркость связана с сильным магнитным полем, но только сейчас его удалось измерить. Измерительным прибором послужил китайский спутник Insight-HXMT, посредством которого для двойной системы Swift J0243.6+6124 был получен результат в 1,6 млрд Тл. Это самое мощное магнитное поле из когда-либо обнаруженных, а предыдущий рекорд в 1 млрд Тл принадлежал другому пульсару — его эта же команда учёных изучала в 2020 году.

Рано или поздно утратит статус рекордсмена и сегодняшний чемпион: считается, что самые сильные магнитные поля до 100 млрд Тл генерируются другим типом нейтронных звёзд — магнетарами.