Траектория Краба

Группе астрофизиков из Московского инженерно-физического института удалось приблизиться к разгадке тайны пульсара в туманности Краба — объекта, который уже полвека пристально изучается учеными со всего мира.

Статья Феликса Агароняна, Сергея Боговалова и Дмитрия Хангуляна (Боговалов — профессор МИФИ, а его соавторы являются выпускниками этого учебного заведения) опубликована в знаменитом научном журнале Nature. Исследователи описали процесс формирования пульсаром потока заряженных частиц с очень высокой энергией и то, как эти частицы взаимодействуют с гамма-излучением. На первый взгляд это частные вопросы.  Но на самом деле не будет преувеличением сказать, что ученые работают в той области астрофизики, которая выходит за пределы привычного нам мира.

Такое утверждение подтвердит простое описание объекта исследования. Большинство привычных нам объектов составляют атомы, тогда как пульсар Краба, быстро вращающаяся нейтронная звезда, даже не состоит из привычного нам вещества. В нем нет атомов, в нем не протекают термоядерные реакции, за счет которых светят звезды. Да и размеры нейтронных звезд вовсе не астрономические, всего лишь несколько десятков километров в поперечнике. Законы физики, описывающие поведение обычного вещества и даже часть правил, касающихся элементарных частиц, там не работают.

Например, нейтроны, которые в любой лаборатории примерно через 15 минут превращаются в пару из протона и электрона, внутри пульсара существуют неограниченно долгое время. Плотно сжатые вместе, они ведут себя как жидкость. Впрочем, один кубический сантиметр такой «жидкости» весит миллиард тонн, одна едва видимая капля перевесит груженый товарный состав. Такой экстремальный объект получается из обычной звезды после того, как она исчерпает запасы термоядерного горючего.

В такой обреченной звезде сначала начинают идти реакции, увеличивающие число нейтронов, потом растет плотность вещества в центре, а затем все светило коллапсирует в один сверхплотный объект. Если масса звезды была примерно равна массе Солнца, то получается белый карлик, десятикратное превышение дает нейтронную звезду, а еще большее (точные границы пока неизвестны) — черную дыру. Именно при схлопывании звезды происходит самое интересное: сжимается и окружающее небесное тело магнитное поле, резко возрастая по своей напряженности.

С мощными магнитными полями и связана та совершенно иная физика, о которой шла речь в статье российских ученых. Движущиеся в мощных магнитных полях заряды не просто отклоняются в сторону и начинают излучать фотоны, кванты электромагнитных волн: в таком поле эти кванты порождают новые частицы в буквальном смысле слова из вакуума. В результате рождается мощный поток как заряженных частиц, так и излучения. Причем энергия гамма-квантов настолько высока, что превышает в тысячи раз технические возможности человечества, не говоря уж о мощности излучения: пульсар Краба, невзирая на расстояние в шесть тысяч световых лет, является ярчайшим в гамма-диапазоне объектом на небе.

Про пульсар Краба известно уже довольно много. Например, мы знаем о том, что именно на этом месте произошла вспышка сверхновой, которую видели на Земле еще в 1054 году. Но долгое время оставалось неясным,  как именно взаимодействие поля, частиц и квантов излучения дает те эффекты, которые мы видим. Астрофизики говорили о потоке испускаемых пульсаром позитронов и электронов, но это казалось лишь очень хорошей гипотезой, прямых доказательств было немного.

Новые данные, собранные при помощи специализированных телескопов VERITAS и MAGIC (причем это не космические обсерватории, а наземные), указали на то, что мощнейший из известных ученым источников гамма-излучения в нашей Галактике еще и поразительно компактен. По крайней мере по астрономическим масштабам. Излучение с экстремально высокой энергией рождается в цилиндрической области, отстоящей от оси вращения пульсара на расстояние от 20 до 50 тысяч километров. Для сравнения, Солнце имеет диаметр свыше миллиона километров. Компактным источником излучения можно было бы назвать построенные человеком ускорители, но в них на порядки меньше энергия частиц, не говоря уж о суммарной мощности.

Компактность космического гамма-излучателя, по мнению российских физиков, говорит о том, что высокую энергию кванты излучения приобретают после столкновения с тем самым потоком заряженных частиц. В обычных условиях происходит, как правило, наоборот: фотон, сталкиваясь с какой-то частицей, теряет энергию; однако вблизи пульсаров эффект «меняет знак» и столкновения с потоком частиц не отнимает, а добавляет энергии квантам.

Если принять гипотезу о том, что пульсар действительно создает такой поток электронов и их античастиц, то данные новых наблюдений складываются в цельную картину. А это значит, что ученым удалось приблизиться к пониманию процессов, которые характеризуются совершенно иными масштабами и энергиями, чем привычные нам явления на Земле. Пока такая работа носит сугубо фундаментальный характер, но стоит отметить, что еще сто лет назад исследования строения атома тоже казались сугубо фундаментальной дисциплиной.

Сейчас, конечно, не стоит говорить о том, что изучение пульсаров может привести к появлению нового источника энергии. Но, как минимум, мы станем лучше понимать то, что происходит со звездами после того, как в них заканчиваются термоядерные реакции. А этот вопрос важен не только в контексте будущего Вселенной, но и ее прошлого. Ведь все элементы, которые стоят в таблице Менделеева после железа, от кобальта до плутония, возникают именно при гибели звезд. Медь, золото, уран в земной коре когда-то прошли через вспышку умирающего светила, и хотелось бы знать, что было раньше на месте нашей Солнечной системы. Дать ответ на такой вопрос можно лишь при хорошем понимании последних этапов звездной эволюции.

Впрочем, физика взаимодействия заряженных частиц с электромагнитным полем — это и новые ускорители, более компактные, эффективные, дешевые в эксплуатации. На сегодняшний день на планете работает более 17 тысяч ускорителей, большинство из которых стоит вовсе не в научных центрах: пучками частиц убивают раковые клетки или даже пробивают тонкие отверстия в мембранах фильтров. Не стоит однозначно ждать здесь прорыва именно со стороны астрофизики. Но в истории науки уже есть пример того, как ответ на сугубо фундаментальный вопрос о поведении быстрых частиц в магнитном поле дал миру ряд новых технологий.