Нейтронні зірки та космічні струни в астроогляді «» Наука Наука та техніка
Нейтронні зірки та космічні струни в астроогляді «Ленты.ру»
Транспортування газу
Дуже цікавий наглядовий результат представила команда вчених із Європи, Америки та Австралії. За допомогою великих телескопів Європейської Південної обсерваторії вони вивчали далеку галактику. Завдяки щасливому випадку поруч виявився ще й більш далекий квазар. Він «підсвітив» газ у найближчому околиці цієї галактики (зазвичай невидимий), і це дало змогу вченим дослідити його властивості — густину, хімічний склад, швидкість руху. В результаті вдалося нарешті підтвердити гіпотезу про те, що зіркоутворення в подібних галактиках дійсно постійно живиться холодним газом, що випадає на них з міжгалактичного простору.
Основна складність такого експерименту полягає в тому, що газ (переважно водень) знаходиться майже повністю в нейтральному стані, тому можливості досліджувати його власне світіння немає. Однак якщо є можливість подивитися через нього «на просвіт» на більш далеке джерело, спектр якого ми знаємо або можемо змоделювати, то за спектром світла, що пройшов через газ, можна відновити основні характеристики падаючої речовини.
Так, завдяки щасливому випадку зовсім близько до однієї галактиці, що знаходиться на червоному зміщенні z = 2,33, на небі розташовується ще більш далекий квазар HE 2243-60. Його світло, як показали спостереження, явно проходить через масу газу, розташованого на відстані близько 30 кілопарсек від центру галактики. Судячи зі швидкості руху хмари, воно виявляється гравітаційно пов'язаним з галактикою і не є речовиною, викинутою з галактики. Останнє випливає з того, що в цій хмарі міститьсямало важких (важче гелію) елементів, якими воно мало б збагатитися, якби зародилося в диску галактики.
Ось так ще одна з важливих гіпотез щодо еволюції галактик знайшла своє експериментальне підтвердження.
Спостереження нейтронної зірки 1E 2259+586, проведені орбітальною обсерваторією Свіфт (Swift) у 2012 році, принесли астрофізикам несподіваний сюрприз: зірка різко змінила швидкість свого обертання. Такі події, в принципі, притаманні нейтронним зіркам і навіть мають гарне (як здавалося) теоретичне пояснення. Однак неординарність даного конкретного випадку полягає в тому, що обертання зірки не прискорилося, як ми очікуємо, а сповільнилося. Як говорив Шерлок Холмс, це дрібниця, але вона може виявитися суттєвою. Деталі спостережень, наслідки та можливі фізичні причини обговорюються у статті, написаній дев'ятьма вченими із чотирьох країн.
Слова про те, що «диявол криється в деталях», до експериментальних наук на кшталт астрофізики, мабуть, застосовні насамперед. Навіть один невеликий експеримент здатний нехай не перевернути наші уявлення про явище, що вивчається, але вже точно змусити дуже сильно замислитися. Щось подібне трапилося і в цьому випадку.
У 2012 році астрономи спостерігали далеку нейтронну зірку (НЗ) 1E 2259+586 за допомогою рентгенівського телескопа, встановленого на борту орбітальної обсерваторії Swift. Об'єкт - компактна (розміром близько 20 кілометрів) релятивістська зірка, яка здійснює один оберт навколо своєї осі за 7 секунд. Її випромінювання не ізотропно, тобто поширюється над всі боки, лише у певному виділеному напрямі. Можна сказати, що так зірка перетворюється на космічний маяк, і в результаті ми її спостерігаємо як змінне джерело з періодом, що дорівнює періоду їїобертання. Отже, ми можемо вивчати еволюцію обертання НЗ і тим самим її інерційні властивості. Останні, у свою чергу, залежать від характеристик надщільної речовини, з якої складається нейтронна зірка.
Матеріали на тему
Екстремально глибокий космос
Нові наднові
Вселенська кузькина мати
Взагалі, у деяких питаннях НЗ — єдина «лабораторія», в якій ми можемо дослідити матерію, яка перебуває в екстремальних умовах.
Внутрішня будова НЗ досить складна і описується квантовими законами та законами теорії відносності. Вважається, що під твердою зовнішньою оболонкою (корою) цих зірок знаходиться так звана надтекуча нейтронна рідина. Вона інакше бере участь у обертанні НЗ і, швидше за все, обертається дещо швидше, ніж кора. Однак іноді кора нейтронної зірки «тріскається», інерційні властивості зірки змінюються, і завдяки взаємодії з внутрішньою надплинною речовиною період її обертання на якийсь час зменшується на якісь мільйонні частки секунди.
Автори обговорюють можливі причини такої несподіваної поведінки 1E 2259+586, але «за гарячими слідами» пояснення, що закриває питання, не було знайдено. Швидше за все, причина цього явища полягає в тому, що зірка, про яку йдеться, відноситься до класу так званих магнетарів - рідкісних нейтронних зірок з особливо сильним магнітним полем. Останнє через свою величину значно більшою мірою впливає на обертання та властивості зірки в цілому, ніж у разі «звичайної» НЗ, і, в принципі, може сприяти додатковому уповільненню обертання під час глітчої. Тим більше що обговорюваному події супроводжував спалах рентгенівського випромінювання від магнітара, енергія дляякою з великою ймовірністю утворилася саме з енергії магнітного поля.
Проте одиничного події ще замало у тому, щоб будувати впевнені теорії. Сподіватимемося, що подібні явища ще потраплять у поле зору наших телескопів.
Як орієнтуватися за зірками. Нейтронний.
Можливо, після попереднього допису, прискіпливий читач запитає: «Добре, ну а яка реальна користь від вивчення цих ваших нейтронних зірок?» Один із варіантів відповіді на це питання міститься в наступній статті. Вона присвячена цілком практичному завданню автономної навігації у космічному просторі. Три німецькі фізики дуже докладно аналізують можливість орієнтації космічних апаратів не просто по зірок, а по нейтронних зірок. Вчені пропонують використовувати ключову властивість цих об'єктів — сувору періодичність імпульсів, що приходять від них.
Без сумніву, проблема навігації є однією з базових за будь-яких переміщень людини на великі відстані. Але якщо на Землі з цим сьогодні успішно справляються супутникові навігаційні системи, то як орієнтувати космічні кораблі, коли вони знаходяться далеко від рідної планети?
Сьогодні навігація міжпланетних станцій здійснюється комбінованим методом. З одного боку, відстань до них та їх швидкість можна виміряти прямою радіолокацією із Землі. З іншого боку, апарати можуть самі більш-менш точно орієнтуватися за звичайними зірками. Для цього на їхній борт встановлюють кілька маленьких автономних телескопів, в пам'ять яких закладено карту зоряного неба та відповідні програми обробки. Однак вже при видаленні апарату на кілька астрономічних одиниць від Землі такий метод дозволяє обчислити його положення з точністю лише кілька кілометрів. І чимдалі знаходиться апарат, тим ця точність нижча. Так, стан станції «Вояджер 1», найдальшого штучного корабля, нам відомо з точністю лише плюс-мінус 500 кілометрів. Вважається, що у перспективі цього недостатньо.
Вже в найближчому майбутньому може постати завдання більш точної навігації в межах нашої Сонячної системи. Причому автономна навігація. Адже безперервно «вести» корабель із Землі дуже складно: у потрібний момент наша планета взагалі може опинитися поза увагою приймаючих пристроїв станції. Більше того, зі збільшенням відстані потужність сигналу радіолокації буде тільки падати, що призведе до збільшення помилки.
Тому ще на початку 1960-х років з'явилася ідея про те, що космічні апарати можна орієнтувати за природними імпульсними, періодичними джерелами, якщо такі будуть відкриті. І ця надія виправдалася — 1968 року було відкрито радіопульсари, які є якраз нейтронними зірками. А 1974-го в NASA вже обговорювалася можлива схема орієнтації у просторі по радіопульсарах. Щоправда, довгий час до цієї ідеї не поверталися.
Матеріали на тему
Дрібка нескінченності
Листи до журналу відносної марності
Орієнтація за цими об'єктами (і взагалі за будь-якими періодичними джерелами) влаштована в такий спосіб. Якщо ми знаємо, як рухається фронт конкретного імпульсу в просторі, то можемо передбачити момент його проходу t0 через реперну точку в сонячній системі. Наприклад, через баріцентр. Якщо виміряний на кораблі момент проходу t того ж імпульсу відрізняється від передбаченого, значить, положення корабля зміщене щодо реперної точки на відстань, що дорівнює швидкості фронту, помноженого на різницю t – t0. Спостерігаючи паралельно кілька пульсарів тааналізуючи те, як співвідносяться між собою різниці t - t0 для них, ми можемо обчислити повне просторове положення корабля щодо цієї реперної точки.
Це дуже схоже на супутникову орієнтацію за допомогою всієї відомої системи глобального позиціонування. Тільки ролі супутників тут виступають нейтронні зірки.
Сьогодні нам відомі понад дві тисячі нейтронних зірок. Ми набагато краще знаємо властивості їх імпульсного випромінювання і можемо вказати на конкретні пульсари, які краще підійдуть для завдання навігації. (Адже, як часто буває в природі, ці об'єкти не ідеальні - період їх пульсацій змінюється з часом і не завжди легко передбачуваний.)
Тож хто знає, може, саме вивчення екзотичних нейтронних зірок сприятиме тому, що «на запилених доріжках далеких планет залишаться наші сліди».
Космічна струна
Два японські фізики написали невелику замітку про те, як можна було б виявити так звану космічну струну — екзотичний об'єкт, який являє собою гігантських масштабів складку простору-часу, що має величезну щільність і зникаючий малий діаметр.
Про космічні струни в популярній літературі йдеться мало. У всякому разі, точно менше, ніж про чорні діри, хоча вони мають схожу природу і є локальними особливостями у структурі простору-часу. Якщо коротко, то космічна струна — це «складка» простору-часу, що має аксіальну симетрію. Тобто вона витягнута подібно до тонкої струни, за що і отримала свою назву. Сам термін належить британському фізику Томасу Кібблу, який теоретично досліджував такі об'єкти у низці своїх робіт, починаючи з 70-х років минулого століття.
Про космічні струни має сенс говоритилише у межах теорій ранніх етапів життя Всесвіту. У ранньому, більш щільному Всесвіті, заповненому речовиною, що зазнає маси перетворень, структура простору-часу була складнішою, ніж той, що оточує нас сьогодні. І як відлуння тих перетворень сьогодні у Всесвіті можуть існувати витягнуті (довжиною в десятки парсек) і тонкі (діаметром 10 -29 сантиметрів) дефекти простору-часу. Це і є струни.
Ці об'єкти дуже потужні. Вони мають гігантську питому щільність - більше 10 20 грамів на кожен сантиметр довжини. Тобто частина струни завдовжки сотню кілометрів уже важить як вся наша планета. Їх спостережливе виявлення допомогло б перевірці наших уявлень про простір-час зародження Всесвіту. Але в будь-якому випадку ідея про існування подібних об'єктів приваблює щонайменше тим, що вона просто гарна у всій своїй екзотичності.
Японські фізики теоретично розрахували іншу ситуацію. Вони запитали: що буде, якщо подібна струна пройде крізь нашу планету? Зрозуміло, це не залишиться непоміченим. Ні, Землю, звичайно, не розріже навпіл, але гравітаційний вплив від струни змусить нашу планету трохи «похитатися» з характерним часом у десятки хвилин та відчутною амплітудою в десятки кілометрів. Прискорення, з яким при цьому рухатиметься поверхня планети, за оцінками японців, може досягати кількох метрів за секунду за секунду. А це можна порівняти з прискоренням вільного падіння 9.81 метра за секунду і може бути виявлено без будь-яких приладів.
Однак чекати, що нам «пощастить» і така подія справді станеться, не дуже слушно. У масштабах Всесвіту наша планета має зникаюче малі розміри, і ймовірність її зустрічі з «заблуканою» космічною струноюдуже мала. Але така ймовірність підвищується, якщо ми розглянемо зірки нашої галактики - вони значно більші в розмірах і їх дуже багато. Проходження космічної струни крізь зірку призведе до її слабкої короткочасної змінності та коливань її поверхні, які можна відстежити методами астросейсмології. Зрештою, проходження струни через систему кількох тіл також призведе до варіацій відстані між ними, що також можна намагатися виміряти. Хоча б у системі Земля-Луна, відстань між якими нам відома із субсантиметровою точністю завдяки лазерній локації.
">