Глазами физика

Помните 2,3-минутную периодичность, которую моя группа обнаружила в 1970 году (еще до запуска «Ухуру»)? В то время мы понятия не имели, что означали эти периодические изменения. Что ж, теперь мы знаем, что GX 1 + 4 – это рентгеновская двойная с орбитальным периодом около 304 дней, а аккрецирующая нейтронная звезда вращается с периодом примерно 2,3 минуты.

Рентгеновские двойные: как это работает

Когда нейтронная звезда спаривается со звездой-донором нужного размера на нужном расстоянии, она может выдавать потрясающие фейерверки. Где-то там, в бесконечном пространстве, звезды, которых сэр Исаак Ньютон не мог себе даже представить, исполняют прекрасный танец, в то же время неразрывно привязанный к законам классической механики, которые знает и понимает любой студент-естественник.

Чтобы было понятнее, предлагаю начать с очень близкого нам примера. Земля и Луна – двойная система. Если провести линию от центра Земли к центру Луны, на ней будет точка, в которой гравитационная сила, направленная в сторону Луны, равна, но противоположно направлена силе гравитации Земли. Если бы вы там оказались, результирующая сила, действующая на вас, равнялась бы нулю. Если бы вы сделали шаг в одну сторону от этой точки, то свалились бы на Землю, если бы ступили в другую – упали бы на Луну. У этой точки есть имя – внутренняя точка Лагранжа. Конечно, она находится намного ближе к Луне, ведь масса Луны почти в 80 раз меньше массы Земли.

Теперь вернемся к рентгеновским двойным системам, состоящим из аккрецирующей нейтронной звезды и значительно большей звезды-донора. Когда две звезды находятся очень близко друг к другу, внутренняя точка Лагранжа может лежать ниже поверхности звезды-донора. Если это так, то некоторая материя звезды-донора будет испытывать на себе гравитационную силу, направленную к нейтронной звезде, превышающую силы гравитации, направленную к центру звезды-донора. Следовательно, материя – горячий газ-водород – будет перетекать со звезды-донора на нейтронную звезду. Поскольку эти звезды вращаются вокруг общего центра масс, материя не может упасть прямо на нейтронную звезду. Прежде чем достичь ее поверхности, она падает на орбиту вокруг нейтронной звезды, создавая вращающийся диск горячего газа, или аккреционный диск. Часть этого газа на внутреннем кольце диска в конечном счете находит свой путь далее вниз, к поверхности нейтронной звезды.

Тут в дело вступает интересная часть физики, с которой вы знакомы в несколько ином контексте. Поскольку газ очень горячий, он ионизирован и состоит из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Но из-за того что у нейтронных звезд очень сильные магнитные поля, эти заряженные частицы вынуждены держаться линии магнитного поля звезды, в результате чего большая часть этой плазмы попадает на магнитные полюса нейтронной звезды (как в полярном сиянии на Земле). Эти магнитные полюса (где материя буквально обрушивается на нейтронную звезду) становятся горячими точками с температурой в миллионы градусов Кельвина, излучающими рентгеновские лучи. А учитывая, что магнитные полюса, как правило, не совпадают с полюсами оси вращения (см. главу 12), мы на Земле получим высокоэнергетический поток рентгеновского излучения, только когда это горячее пятно повернуто в нашу сторону. И так как нейтронная звезда вращается, нам она кажется пульсирующей.

Каждая двойная рентгеновская система имеет аккреционный диск, вращающийся по орбите вокруг аккретора, будь то нейтронная звезда, белый карлик или, как в случае с Cyg Х-1, черная дыра. Аккреционные диски – одни из самых необычных объектов во Вселенной, и почти никто, кроме профессиональных астрономов, о них никогда не слышал.

Аккреционные диски есть вокруг всех черных дыр рентгеновских двойных звезд. Аккреционные диски, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр, есть в центре многих галактик, хотя, как выясняется, такого диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, судя по всему, нет.

Исследование аккреционных дисков сегодня стало отдельной областью астрофизики. Вы можете увидеть их удивительные образы, введя в поисковую строку фразу «Xray binaries». Существует множество аккреционных дисков, о которых мы не знаем. Одна из самых сложных проблем науки заключается в том, что она до сих пор до конца не понимает, как материя в них находит свой путь к компактным объектам. Другой пока еще нерешенной проблемой является отсутствие понимания природы нестабильности в аккреционных дисках, приводящей к изменчивости в потоке этой материи на компактный объект и изменчивости рентгеновской светимости. Знание радиопотоков, присутствующих в некоторых рентгеновских двойных, также пока оставляет желать лучшего.