Читать книгу "Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов"

Взрыв сверхновой и скорость

Общие черты механизма были осознаны довольно давно, задолго до 1990-х годов, когда проблема стала еще более насущной. Одним из первых вопрос о разгоне радиопульсаров рассмотрел Иосиф Шкловский в 1970 году, и ключевым словом было «асимметрия» (хотя Леонид Озерной обсуждал асимметрию взрыва еще раньше – в 1964 году, но в приложении к излучению гравитационных волн, а не к скорости нейтронной звезды). Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой. При этом выделяется огромное количество энергии. За доли секунды высвечивается (в основном в виде потока нейтрино) столько энергии, сколько Солнце излучает за всю свою жизнь. Наличие огромного количества энергии хорошо для решения нашей задачи, ведь мы как раз хотим сообщить компактному объекту дополнительную кинетическую энергию. Поясним примером.

Если в вашем распоряжении есть большой бюджет, то даже его маленький кусочек, незаметный на фоне общей суммы, будет выглядеть внушительно. Так у всех больших американских космических миссий в течение долгого времени где-то около 1 % бюджета шел на популяризацию (сейчас, правда, финансирование популяризации в NASA осуществляется централизованно), что позволяло обеспечить весь мир красивыми астрономическими картинками и видео. Если миссия стоит $1 миллиард, то 1 % – это целых $10 миллионов. А $10 миллионов каждой миссии – немалая сумма для популяризации науки. Так и при взрыве сверхновой. Если есть очень много энергии и ее можно выделить несимметрично (хотя бы на 1 % вправо больше, чем влево), то тогда объект, который образуется, испытает асимметричное воздействие. И, соответственно, по закону сохранения импульса, новорожденный компактный объект полетит в ту или иную сторону, в зависимости от того, как устроена асимметрия. Так можно было бы получать скорости в несколько тысяч километров в секунду.

Вопрос в том, как устроить асимметрию? Здесь окончательного ответа до сих пор нет. Споры до сих пор продолжаются, отчасти потому, что нам не хватает наблюдательных данных, отчасти из-за того, что физика взрыва сверхновых очень сложная.

Основных механизмов генерации асимметрии два. Во-первых, взрыв просто может быть достаточно несимметричным, и возникнет такая ситуация. Есть свежеобразовавшийся компактный объект, а рядом, в выброшенном веществе, имеется область с повышенной плотностью. Она притянет к себе нейтронную звезду и будет ее разгонять. То есть если распределение вещества вокруг компактного объекта после взрыва сильно несимметрично, то возникают условия для разгона.

Вторая идея связана с нейтрино (ее впервые детально обсуждал Николай Чугай в 1984 году), поскольку именно они уносят основную энергию при взрыве сверхновой. Нейтрино в огромном количестве рождаются в коллапсирующем ядре звезды. Например, нейтрино возникают при образовании нейтронов в результате захвата электронов протонами в ядрах элементов при высоких плотностях (так называемая нейтронизации вещества). Если все сразу не ушло под горизонт черной дыры, то в какой-то момент, когда вещество прозрачно для нейтрино, они устремятся наружу. Задача теперь состоит в том, чтобы сделать несимметричным поток нейтрино. И здесь опять-таки есть несколько идей.

Во-первых, вы можете сделать распределение плотности вещества неоднородным. Тогда где-то вещество будет для нейтрино более прозрачным, а где-то менее прозрачным. Соответственно, туда, где прозрачно, нейтрино полетит больше. В этом направлении как бы будет работать реактивный двигатель. Значит, по закону сохранения импульса, нейтронная звезда начнет двигаться в противоположном направлении.

Другая идея связана с сильными магнитными полями. Нейтрино «чувствуют» магнитное поле, оно будет направлять их движение. В симметричной ситуации (например, в случае дипольного магнитного поля) возникнет две идентичные нейтринные струи. Но если магнитное поле в молодой нейтронной звезде (которая еще только образуется, и в ней все бурлит, все изменяется) будет немного несимметрично, то реактивный двигатель будет работать несимметрично. В одну сторону будет «дуть» меньше, в другую больше, и нейтронная звезда сможет разгоняться.

Если при рождении компактного объекта происходит временное усиление магнитных полей до очень высоких величин (такую модель называют магнито-ротационным взрывом, ее придумали и разрабатывают Геннадий Бисноватый-Коган и его коллеги), то здесь также симметрия может быть нарушена. А значит, возможно ускорение компактного объекта.

Похожая штука может работать и с черными дырами, если они образуются не сразу, а в два этапа. Если вещество не сразу ушло под горизонт, а вначале возникло тело вроде молодой нейтронной звезды (так называемая протонейтронная звезда), тогда, пока существует этот объект, наружу могут вылетать нейтрино, могут возникать струи вещества, могут происходить всякие бурные процессы. И все это может быть асимметричным. Таким образом новорожденный компактный объект может успеть разогнаться. А потом, когда образуется черная дыра, она «запомнит» скорость.

Для черных дыр скорости могут быть немного меньше, чем у нейтронных звезд, просто потому, что они более тяжелые. Если типичная масса нейтронной звезды – это полторы массы Солнца, то типичная масса черной дыры – примерно 5–10 масс Солнца, т. е. в несколько раз больше, значит, скорости будут в несколько раз меньше. Примерно это и наблюдается.

Нейтронных звезд мы знаем довольно много. Это в основном радиопульсары (их проще открывать), которых известно около 2000. Для многих из них скорости достаточно хорошо измеряются. А вот черных дыр мы знаем мало. Есть всего несколько кандидатов в одиночные черные дыры, открытых с помощью микролинзирования. Их точная скорость не определена, приблизительно это 100 км/с.

Зато есть двойные системы с черными дырами. Их известно около полусотни. Можно измерить скорости таких систем. В некоторых случаях мы видим, что вся двойная летит с большой скоростью, что нетипично для них. То есть, что-то ее разогнало. Это связывают с дополнительной скоростью, которую получают черные дыры в таких системах. Ее можно оценить. Снова получается величина в среднем в несколько раз меньше, чем у нейтронных звезд. Так что кажется, что гипотеза работает: «стратегия ускорения» нейтронных звезд и черных дыр одна и та же, но первые легче разогнать.

В случае нейтронных звезд дополнительную информацию о механизме разгона дает взаимная ориентация оси вращения и направления движения. Наблюдения показывают, что угол между этими векторами распределен не случайно. Есть тенденция к их примерной (но не точной!) соосности. Это может говорить о том, что время работы механизма не слишком мало и не слишком велико по сравнению с периодом вращения новорожденной нейтронной звезды. Ведь если бы «двигатель» долго работал на вращающейся звезде, то произошло бы усреднение переданного импульса относительно оси вращения, т. е. скорость стала бы направленной вдоль этой оси. А если бы разгон происходил почти мгновенно, то два вектора могли бы быть совсем не скоррелированными. Некоторые модели разгона предсказывали, что угол будет очень близок к 0 или к 90 градусам. Теперь эти сценарии можно отбросить.

Гравитационная ракета

В случае черных дыр есть еще один очень экзотический механизм разгона. Массивные звезды любят образовываться парами. Соответственно, есть такие пары, где обе звезды очень массивны. После взрывов они обе порождают черные дыры. И в довольно редких случаях система не распадается. То есть система пережила первый взрыв сверхновой, пережила второй, и у нас образовалась двойная черная дыра.