Термоядерные взрывы нейтронных звезд показывают скорость их струй
Определено, что скорость, с которой нейтронная звезда может запускать мощные струи (джеты) в космос, составляет около одной трети скорости света. Исследование опубликовано в журнале Nature. Чтобы (в течение трех дней) наблюдать за джетами на радиоволнах учёные использовали компактную решетку австралийского телескопа CSIRO и телескоп Интеграл Европейского космического агентства для наблюдения за рентгеновскими лучами системы. Обнаружено, что струи становились ярче после каждого импульса рентгеновских лучей. Эта закономерность повторилась десять раз в одной системе нейтронных звезд, а затем еще раз во второй системе. Измеренная скорость струи оказалась близка к «скорости убегания» нейтронной звезды (примерно половину скорости света).
Одновременные рентгеновские и многодиапазонные радиокривые блеска 4U1728.
Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07133-5
Как быстро нейтронная звезда может запускать мощные струи в космос? Ответ, как выяснилось, составляет около одной трети скорости света, как только что выяснила наша команда в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature.
Энергичные космические лучи, известные как джеты, наблюдаются по всей нашей Вселенной. Они запускаются, когда материал — в основном пыль и газ — падает на любой плотный центральный объект, такой как нейтронная звезда (чрезвычайно плотный остаток некогда массивной звезды) или черная дыра.
Струи уносят часть гравитационной энергии, выделяемой падающим газом, перерабатывая ее обратно в окружающую среду в гораздо больших масштабах.
Самые мощные джеты во Вселенной исходят из самых больших черных дыр в центрах галактик. Выходная энергия этих джетов может повлиять на эволюцию всей галактики или даже скопления галактик. Это делает реактивные самолеты важным, но интригующим компонентом нашей Вселенной.
Хотя реактивные самолеты широко распространены, мы до сих пор до конца не понимаем, как они запускаются. Измерение струй нейтронной звезды теперь дало нам ценную информацию.
Струи из звездных трупов
Джеты из черных дыр, как правило, яркие и хорошо изучены. Однако струи нейтронных звезд обычно намного слабее, и о них известно гораздо меньше.
Это представляет собой проблему, поскольку мы можем многому научиться, сравнивая струи, запускаемые разными небесными объектами. Нейтронные звезды — это чрезвычайно плотные звездные трупы — космические золы размером с город, но содержащие массу звезды. Мы можем думать о них как об огромных атомных ядрах, каждое около 20 километров в поперечнике.
В отличие от черных дыр, нейтронные звезды имеют и твердую поверхность, и магнитное поле, а падающий на них газ выделяет меньше гравитационной энергии. Все эти свойства будут влиять на то, как запускаются их струи, что делает исследования струй нейтронных звезд особенно ценными.
Одним из ключевых ключей к пониманию того, как запускаются самолеты, является их скорость. Если мы сможем определить, как скорость струи меняется в зависимости от массы или вращения нейтронной звезды, это станет мощной проверкой теоретических предсказаний. Но чрезвычайно сложно измерить скорость струи достаточно точно для такого испытания.
Космическая камера контроля скорости
Когда мы измеряем скорость на Земле, мы рассчитываем время движения объекта между двумя точками. Это может быть 100-метровый спринтер, бегущий по трассе, или двухточечная камера контроля скорости, отслеживающая автомобиль.
Наша команда под руководством Томаса Рассела из Итальянского национального института астрофизики в Палермо провела новый эксперимент, чтобы сделать это для струй нейтронных звезд.
Что делало это измерение таким трудным в прошлом, так это то, что струи представляют собой устойчивые потоки. Это означает, что для нашего таймера не существует единой начальной точки. Но нам удалось идентифицировать кратковременный сигнал на длинах волн рентгеновского излучения, который мы могли бы использовать в качестве «стартового пистолета».
Будучи настолько плотными, нейтронные звезды могут «украсть» материю у ближайшей звезды-компаньона, обращающейся по орбите. Хотя часть этого газа выбрасывается наружу в виде струй, большая часть в конечном итоге падает на нейтронную звезду. По мере накопления материала он становится горячее и плотнее.
Когда накопится достаточно материала, произойдет термоядерный взрыв. Происходит неконтролируемая реакция ядерного синтеза, которая быстро распространяется и охватывает всю звезду. Слияние длится от нескольких секунд до минут, вызывая кратковременную вспышку рентгеновского излучения.
На шаг ближе к разгадке тайны
Мы думали, что этот термоядерный взрыв разрушит струи нейтронной звезды. Итак, мы использовали компактную решетку австралийского телескопа CSIRO, чтобы в течение трех дней наблюдать за джетами на радиоволнах, чтобы попытаться уловить разрушение. В то же время мы использовали телескоп Интеграл Европейского космического агентства для наблюдения за рентгеновскими лучами системы.
К нашему удивлению, мы обнаружили, что струи становились ярче после каждого импульса рентгеновских лучей. Вместо того, чтобы разрушить струи, термоядерные взрывы, казалось, активировали их. И эта закономерность повторилась десять раз в одной системе нейтронных звезд, а затем еще раз во второй системе.
Ядерные взрывы нейтронной звезды питают ее струи.
Фото: Даниэль Фуцелаар и Натали Дегенаар, Институт Антона Паннекука, Амстердамский университет, CC BY-SA.
Мы можем объяснить этот удивительный результат, если рентгеновский импульс заставляет газ, кружащийся вокруг нейтронной звезды, быстрее падать внутрь. Это, в свою очередь, дает больше энергии и материала для направления в струи.
Однако самое главное — мы можем использовать рентгеновский всплеск для определения времени запуска реактивных самолетов. Мы рассчитали, сколько времени им потребовалось, чтобы выйти наружу и стать видимыми на двух разных длинах радиоволн. Эти стартовые и финишные точки предоставили нам нашу космическую камеру контроля скорости.
Интересно, что измеренная нами скорость струи оказалась близка к «скорости убегания» нейтронной звезды. На Земле эта скорость убегания составляет 11,2 километра в секунду — именно столько нужно ракетам, чтобы вырваться из-под земной гравитации. Для нейтронной звезды это значение составляет примерно половину скорости света.
Наша работа представила новую технику измерения скорости струи нейтронных звезд. Нашими следующими шагами будет наблюдение за тем, как меняется скорость струи нейтронных звезд с разными массами и скоростями вращения. Это позволит нам напрямую протестировать теоретические модели, что сделает нас на шаг ближе к выяснению того, как запускаются такие мощные космические струи.
