С какой скоростью нейтронная звезда может выбрасывать мощные струи в космос? Ответ, как оказалось, примерно в три раза превышает скорость света, как только что показала наша команда в новом исследовании, опубликованном в Nature. Энергетические космические лучи, известные как джеты, наблюдаются по всей нашей Вселенной. Они запускаются, когда вещество — в основном пыль и газ — падает на какой-либо плотный центральный объект, такой как нейтронная звезда (чрезвычайно плотный остаток некогда массивной звезды) или черная дыра. Струи уносят часть гравитационной энергии, выделяемой падающим газом, и возвращают ее обратно в окружающую среду в гораздо больших масштабах. Самые мощные струи во Вселенной исходят из самых больших черных дыр в центрах галактик. Энергия, выделяемая этими струями, может повлиять на эволюцию целой галактики или даже скопления галактик. Это делает их важным, но в то же время интригующим компонентом нашей Вселенной.
Хотя струи встречаются часто, мы все еще не до конца понимаем, как они запускаются. Измерение струй, исходящих от нейтронной звезды, теперь дало нам ценную информацию. Струи из звездных трупов Струи из черных дыр, как правило, яркие и хорошо изучены. Однако струи из нейтронных звезд, как правило, намного слабее, и о них известно гораздо меньше. Это представляет проблему, поскольку мы можем многое узнать, сравнивая струи, испускаемые различными небесными объектами. Нейтронные звезды представляют собой чрезвычайно плотные звездные тела — космические обломки размером с город, но обладающие массой звезды. Мы можем представить их себе как огромные атомные ядра, каждое из которых имеет около 20 километров в поперечнике. В отличие от черных дыр, нейтронные звезды имеют как твердую поверхность, так и магнитное поле, а попадающий на них газ выделяет меньше гравитационной энергии. Все эти свойства будут влиять на то, как образуются их струи, что делает исследования струй нейтронных звезд особенно ценными.
Одним из ключевых факторов, позволяющих понять, как образуются реактивные струи, является их скорость. Если мы сможем определить, как скорость реактивных струй зависит от массы или вращения нейтронной звезды, это станет надежной проверкой теоретических предсказаний. Но для такого теста чрезвычайно сложно измерить скорость реактивных струй достаточно точно. Когда мы измеряем скорость на Земле, мы фиксируем время нахождения объекта между двумя точками. Это может быть бег 100-метрового спринтера по трассе или двухточечная камера слежения за автомобилем. Наша команда, возглавляемая Томасом Расселом из Итальянского национального института астрофизики в Палермо, провела новый эксперимент, чтобы сделать это для струй нейтронных звезд. В прошлом это измерение было затруднено из-за того, что струи представляют собой устойчивые потоки. Это означает, что у нашего таймера нет единой начальной точки. Но мы смогли идентифицировать короткоживущий сигнал на рентгеновских длинах волн, который мы могли бы использовать в качестве "стартового пистолета".
Нейтронные звезды, обладающие такой плотностью, могут "красть" вещество у ближайшей звезды-компаньона. Хотя часть этого газа выбрасывается наружу в виде струй, большая его часть в конечном итоге попадает на нейтронную звезду. По мере накопления вещества оно становится горячее и плотнее. Когда накапливается достаточное количество вещества, оно запускает термоядерный взрыв. Происходит безудержная реакция ядерного синтеза, которая быстро распространяется и охватывает всю звезду. Термоядерный синтез длится от нескольких секунд до нескольких минут, вызывая кратковременную вспышку рентгеновского излучения. Мы думали, что этот термоядерный взрыв разрушит струи нейтронной звезды. Итак, мы использовали австралийский телескоп CSIRO Compact Array и в течение трех дней наблюдали струи на радиоволнах, чтобы попытаться уловить их разрушение. В то же время мы использовали встроенный телескоп Европейского космического агентства, чтобы изучить рентгеновские лучи, исходящие от этой системы.
К нашему удивлению, мы обнаружили, что струи становились ярче после каждого импульса рентгеновского излучения. Вместо того, чтобы разрушать струи, термоядерные взрывы, казалось, усиливали их. И эта картина повторилась десять раз в одной системе нейтронных звезд, а затем снова во второй системе. Мы можем объяснить этот удивительный результат, если импульс рентгеновского излучения заставляет газ, циркулирующий вокруг нейтронной звезды, падать внутрь быстрее. Это, в свою очередь, обеспечивает больше энергии и материала для отвода в струи. Однако, что наиболее важно, мы можем использовать рентгеновскую вспышку для определения времени запуска реактивных двигателей. Мы рассчитали, сколько времени им потребовалось, чтобы выйти наружу и стать видимыми на двух разных радиоволнах. Эти начальные и конечные точки обеспечили нас нашей космической скоростной камерой.
Интересно, что скорость реактивного снаряда, которую мы измерили, была близка к "скорости отрыва" от нейтронной звезды. На Земле эта скорость отрыва составляет 11,2 километра в секунду — именно такой должна быть скорость ракеты, чтобы преодолеть земное притяжение. Для нейтронной звезды это значение составляет около половины скорости света. В ходе нашей работы была внедрена новая методика измерения скорости струи нейтронных звезд. Нашими следующими шагами будет изучение того, как изменяется скорость струи у нейтронных звезд с разной массой и скоростью вращения. Это позволит нам непосредственно протестировать теоретические модели, приблизив нас на один шаг к пониманию того, как запускаются такие мощные космические реактивные двигатели.
