Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса
Катя Москвич

Элементы 2.0
Представьте себе сферический объект диаметром всего километров двадцать, но при этом в два-три раза массивнее нашего Солнца. Таковы нейтронные звезды, загадочные и удивительные. Они делают шестьсот оборотов в секунду, причем их вращение столь регулярно, что в недалеком будущем они, вероятно, будут играть роль галактической навигационной системы, направляющей людей к другим мирам. Научная журналистка Катя Москвич приглашает читателей в путешествие по обсерваториям всего мира и по просторам Вселенной. Она рассказывает о многоканальной астрономии, о пульсарах, магнетарах, феерических вспышках сверхновых и о многих других потрясающих объектах и событиях в нашей Вселенной. Это книга о “зомби из космоса” – о жизни звезд после смерти.

В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Катя Москвич

Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Моим сыновьям Тиму и Гаю

Памяти Фрица Цвикки

ЭЛЕМEHTЫ 2.0

KATIA MOSKVITCH

NEUTRON STARS

THE QUEST TO UNDERSTAND THE ZOMBIES OF THE COSMOS

Перевод с английского

Инны Кагановой и Татьяны Лисовской

Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”

Published by arrangement with Harvard University Press

© 2020 by the President and Fellows of Harvard College

© И. Каганова (пролог, гл. 1–5, благодарности), Т. Лисовская (гл. 6–9, эпилог), перевод на русский язык, 2023

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2023

© ООО “Издательство ACT”, 2023

Издательство CORPUS ®

Книжные проекты Дмитрия Зимина

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”. Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте ZIMINBOOKPROJECTS.RU

Пролог

“Я собирался рассказать вам нечто потрясающее. В вашей карьере это станет самым важным событием”, – сообщил мне Мэтью Бейлз, астроном из Технологического университета Суинберна в Австралии, 6 сентября 2017 года, предлагая подвезти меня домой. Теплый вечер, только что закончилась бесконечно длинная конференция, проходившая вблизи Манчестера в обсерватории Джодрелл-Бэнк в Англии. Здание, где проходили заседания, расположено поблизости от величественного телескопа Lovell. Конференция посвящалась пятидесятой годовщине открытия радиопульсаров – далеких, быстро вращающихся космических объектов, источников мощного излучения. Их обнаруживают по всплескам радиоволн, рентгеновского и гамма-излучения, которые регистрируют телескопы. Пульсары – это нейтронные звезды, то есть маленькие, но невероятно плотные и невероятно намагниченные объекты, образующиеся из остатков звезд с массой, в два-три раза превышающей массу нашего Солнца, после феерической вспышки сверхновой.

Знаменательно, что конференция проходит в Англии. Дело в том, что в 1967 году пульсары были открыты именно в Англии молодой ирландкой Джоселин Белл, магистрантом Кембриджского университета. Я смотрю на радиотелескоп. В лучах быстро заходящего солнца он приобрел красноватый оттенок и возвышается над нами, как гигантский психоделический гриб.

Бейлз знает, что я научный журналист, жаждущий новостей. Я всегда ищу интересные темы. Но теперь все не совсем так, как обычно. Бейлз хочет что-то рассказать, очень хочет, но почему-то не может. Произошло нечто очень важное, по-настоящему важное. В твиттере гуляют слухи, что зарегистрировано столкновение двух нейтронных звезд. Если это правда, значит, ученым удалось “захватить их с поличным” и, возможно, наблюдать нечто большее, чем просто пульсации нейтронных звезд. Новость еще не стала достоянием широкой публики и в ближайшие недели вряд ли станет. Но если слухи подтвердятся, это открытие, похоже, позволит ответить на многочисленные вопросы, относящиеся к этим загадочным объектам, о которых мы так мало знаем. Оно может помочь понять, например, происхождение коротких, но невероятно мощных гамма-всплесков и даже подтвердить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Однако, если новость известна пяти тысячам человек, сохранить секрет – большая проблема. Весь день одновременно с официальными докладами слышался приглушенный гул – ученые обсуждали предполагаемое открытие. Новость нависла над участниками конференции как грозовая туча, готовая пролиться в любой момент.

Этим вечером я несколько часов провела с Бейлзом в деревенском пабе в нескольких минутах езды от Джодрелл-Бэнк. В зале стоял запах пива и сырых дрожжей, который, казалось, тонким слоем покрывал стены. Разговор шел странный: Бейлз осторожно, не говоря ничего конкретно, намекал, что вот-вот станет известно нечто, что изменит историю астрофизики. Как и другие ученые, он не забывал о запрете LIGO[1 - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, “лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория”. – Здесь и далее, если не указано иное, прим, перев.] – обсерватории, которая руководила всеми детекторами, первыми зафиксировавшими это событие. А я старалась использовать все свои журналистские приемы, чтобы выведать больше. Однако мне пришлось довольствоваться большим количеством “возможно” про “вероятное”, но “не доказанное” событие. И все же, распрощавшись с Бейлзом, я сразу набрала номер Майка Мойера, редактора Quanta Magazine.

“Майк! Произошло что-то важное. Ты знаешь о гуляющих в твиттере слухах о возможном слиянии нейтронных звезд? Похоже, что это правда. Мы должны сразу заняться этой историей”.

На самом деле слияние нейтронных звезд – это катастрофическое столкновение в дальнем космосе двух невероятно плотных, массивных, но очень маленьких объектов. Открытие стало золотым дном для астрономов и позволило найти решения для большого числа космических загадок, и каждое такое решение можно считать большим научным успехом. Мы теперь знаем, откуда берется большинство тяжелых элементов. Но гораздо важнее появление многоканальной астрономии – нового подхода к наблюдению Вселенной – и возобновившийся интерес к классу таких примечательных объектов, как нейтронные звезды.

Моя цель – познакомить вас с этими удивительными и загадочными объектами, а также с людьми и местами, связанными с решением поражающих воображение загадок, которые они ставят перед нами. Только представьте себе сферу, диаметр которой всего двадцать километров, а масса – в пару-тройку раз больше массы нашего Солнца. Этот объект делает шестьсот оборотов в секунду, причем его вращение столь регулярно, что, возможно, в недалеком будущем нейтронные звезды будут играть роль галактической навигационной системы, направляющей людей к другим мирам. Более популярные черные дыры затмили нейтронные звезды. Пришло время вытащить их из пыльных сундуков астрофизики.

Чтобы написать эту книгу, я объехала весь мир, побывала в отдаленных местах, где радиотелескопы, большие и маленькие, слушают Вселенную. Вместе со мной вы увидите безлюдный марсианский ландшафт пустыни Атакама в Чили, побываете в джунглях Пуэрто-Рико. Мы окажемся в Карру – засушливом регионе Южно-Африканской Республики, заглянем в отдаленный уголок Австралии – страны кенгуру, ядовитых змей и белых какаду, прогуляемся по болотистой сельской местности в Нидерландах, по промокшей под дождем деревенской Англии, по полям вблизи города Пиза в Италии. В горах Западной Вирджинии вас ждет округ Покахонтас, а в Британской Колумбии – поразительная, утопающая в садах и виноградниках долина Оканаган.

Путешествие не ограничится обсерваториями: сквозь пространство и время вы отправитесь к окраинам нашей Галактики и дальше, в межгалактические просторы. Вы узнаете, что нейтронные звезды рождаются тогда, когда умирают звезды размером в несколько наших Солнц. Их смерть сопровождается невероятно мощным взрывом – вспышкой сверхновой. Вы поймете, к чему ведет космическая катастрофа – столкновение двух нейтронных звезд, при котором возбуждается такая мощная гравитационная волна, что ее можно зарегистрировать на Земле. Вы узнаете, где произошла самая яркая из когда-либо наблюдавшихся вспышек электромагнитного излучения. Такая вспышка по крайней мере на короткое время затмевает в гамма-лучах всю видимую с Земли часть Вселенной.

Благодаря работе замечательных ученых, с которыми вы встретитесь на страницах этой книги, вы узнаете, что быстро вращающиеся нейтронные звезды – пульсары – излучают радиоволны и как эти волны удается обнаружить. Вам станет известно, как ученые обнаруживают нейтронные звезды в центре остатков сверхновых или останков взорвавшихся сверхгигантов, которые в старые времена назывались “звезды-гости”. Вы познакомитесь с входящими в двойные

системы “миллисекундными пульсарами”, вращающимися со скоростью порядка тысячи оборотов в секунду, но при этом так сильно связанными со своими “компаньонами”, что эта система не разрушается. Вы узнаете о магнетарах, обладающих самым мощным магнитным полем в природе, и о радиопульсарах, у которых внезапно происходит сбой частоты вращения, или “глитч”, помогающий астрономам исследовать странные физические явления, происходящие внутри нейтронных звезд.

Наконец, вы узнаете о недавно открытых быстрых радиовсплесках, коротких импульсах, которые астрономы все еще пытаются объяснить. Вполне вероятно, что они генерируются нейтронными звездами. Множество радиотелескопов работает без остановки, чтобы узнать чуть больше об этих загадочных вспышках в далеком космосе. Но, даже когда ответ на этот вопрос будет получен, книгу о нейтронных звездах нельзя будет считать оконченной, ведь так много еще предстоит открыть в нашей Галактике и за ее пределами. Поэтому, выходя на улицу, неважно, в залитом огнями городе или в безлюдной пустыне, не забудьте посмотреть вверх. Невооруженным глазом нейтронных звезд вы не увидите, но будете знать, что они есть, что они вращаются где-то, посылая нам радиоволны и возмущая пространство-время. Жизнь – это гораздо больше, чем мы видим вокруг себя. И в этом ее красота.

Посмотрите вверх!

Глава 1

Столкновение, которое сотрясло космос

Это случилось утром 17 августа 2017 года. Всю ночь Марика Бранчези, итальянский астроном, доцент Научного института Гран-Сассо, провела в госпитале живописного городка-крепости Урбино в центре Италии. Она устала. Роды у ее младшей сестры Марилисы шли сложно и долго, и Марика хотела быть рядом. Наконец на свет появился здоровый мальчик, которого назвали Ной. Время дорого: Марика решила, что пора уходить. Новоиспеченная тетя поздравила и поцеловала на прощанье сестру, улыбнулась маленькому Ною и отправилась домой отдыхать.

Во время каникул Урбино выглядел абсолютно пустым. Отец Марики забрал ее у госпиталя и отвез домой, петляя по узким улочкам с домами из белого кирпича. Казалось, исходящий от них жар усиливает духоту. Наконец Марика с отцом подъехали к небольшому, окруженному тенистым садом дому, где жила ее семья. Это был день рождения ее мужа Яна. Ян только начал готовить обед, а их дети, двухлетний сын Диего и его восьмимесячный брат Дамиан, спокойно играли в саду.

Бранчези включила лэптоп. Она очень устала, но хотела еще кое-что сделать по работе. Будучи членом международного сообщества ученых, работающих с LIGO, лазерноинтерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, базирующейся в Соединенных Штатах, и детектором гравитационных волн Virgo в Италии близ Пизы, она знала, что всего три дня назад приборы зафиксировали сигнал от столкновения двух далеких черных дыр.

Такие открытия бывали и раньше: после последней модернизации детектор LIGO пять раз регистрировал подобные события. Астрономы впервые наблюдали слияние черных дыр 14 сентября 2015 года, всего через несколько дней после повторного включения LIGO. Теперь благодаря LIGO наконец появилась возможность непосредственно наблюдать гравитационные волны – рябь пространства-времени, обусловленную катастрофическими столкновениями невероятно плотных объектов в далеком космосе. Эта расходящаяся волнами рябь охватывает Землю наподобие волн от камня, брошенного на спокойную поверхность пруда. Наблюдение гравитационных волн подтвердило правоту Альберта Эйнштейна, предсказавшего почти сто лет назад, что гравитация может создавать волны, распространяющиеся по Вселенной со скоростью света. 3 октября 2017 года Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэриш, трое из четырех ученых, стоявших у истоков проекта LIGO, получили Нобелевскую премию по физике за то, что сделали возможной регистрацию гравитационных волн

. (Рональд Древер, еще одна ключевая фигура при разработке технологии LIGO, умер за полгода до того, как были объявлены лауреаты Нобелевской премии за 2017 год.)

Однако Бранчези была немного разочарована. Хотя слияние черных дыр – событие, безусловно, интересное, на самом деле она надеялась, что LIGO зарегистрирует нечто другое. Бранчези искала следы столкновения двух объектов, еще более таинственных, чем черные дыры, – небольших, сверхплотных, быстро вращающихся ядер массивных звезд, ядерное горючее которых уже выгорело – и они “сколлапсировали” под действием собственной гравитации. К сожалению, всего неделя отделяла LIGO от остановки на два года для проведения следующей запланированной модернизации, но до сих пор удалось обнаружить только слияние черных дыр. Это, конечно, немало, но для Бранчези недостаточно.

“Все готово, к столу!” – позвал Ян из сада. “Еда для мамочки!” – радостно повторил за ним Диего. Бранчези закрыла лэптоп и присоединилась к семейству. Покончив с салатом, она подхватила Дамиана и взяла за руку Диего, намереваясь уложить их спать. Измученная бессонной ночью, она надеялась, что и ей наконец удастся отдохнуть. Именно тогда звякнул ее телефон, оповещая о новом сообщении: ее просили присоединиться к телефонной конференции, срочно организованной коллегами по сообществу LIGO.

Никаких шансов отдохнуть в этот день у Бранчези уже не осталось. На самом деле ей не удалось выспаться и в ближайшие десять дней. От прочитанного у Бранчези перехватило дыхание. Только что два детектора LIGO одновременно с Virgo зарегистрировали именно то, чего она так ждала: сигнал недвусмысленно указывал на то, что на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли столкнулись две нейтронные звезды. Хотя нейтронные звезды не такие плотные объекты, как черные дыры, их столкновение оказалось достаточно сильным, чтобы привести к высвобождению огромной энергии и запустить гравитационную рябь, разошедшуюся во все стороны по пространству-времени.