649 (Влияние магнитного поля), страница 3

Итак, данные по замедлению радиопульсаров говорят о том, что характерная величина их магнитного поля ?10^ Гс. Этот вывод оказался в прекрасном согласии с открытием западногерманских астрофизиков под руководством И. Трюмпера (Институт физики и астрофизики им. М. Планка).

?СПЕКТРОСКОПИЯ¦ РЕНТГЕНОВСКИХ ПУЛЬСАРОВ

В 1971 г. были открыты рентгеновские пульсары. Уже первые наблюдения показали, что они принципиально отличаются от радиопульсаров: рентгеновские пульсары не замедляются, а ускоряются! С чем связано столь разительное отличие в их поведении? Чем вообще определяется поведение нейтронной звезды? Оказалось, что радио- и рентгеновские пульсары генетически связаны, все дело лишь в том, что условия, в которых они находятся, совершенно различны: радиопульсары ? это одиночные нейтронные звезды, а рентгеновские пульсары ? нейтронные звезды в двойных системах.

Рентгеновские пульсары светятся из-за того, что на поверхность нейтронной звезды падает (аккрецирует) вещество, захваченное их гравитационным полем. Поставляет им это вещество обычная звезда ? второй компонент двойной системы. Вещество, стекающее с обычной звезды, участвует вместе с ней в орбитальном вращении и, следовательно, обладает вращательным моментом относительно нейтронной звезды. Прежде чем упасть на ее поверхность, вещество через магнитное поле отдает свой момент нейтронной звезде, закручивая ее. Именно поэтому рентгеновские пульсары ускоряются.

Вблизи нейтронной звезды вещество ?вмораживается¦ в силовые линии, стекая на магнитные полюса. На магнитных полюсах при ударе о твердую поверхность нейтронной звезды и возникает рентгеновское излучение пульсара. Температура в этих местах столь велика (ГО^ К), что все атомы полностью ионизованы, и, следовательно, жесткая часть спектра излучения пульсара (более 10 кэВ) не должна содержать никаких линий.

И все-таки линии в рентгеновском спектре могут быть. На это впервые ука-

ные линии, образующиеся в магнитном поле, называют циклотронными.

В 1976 г. группа ученых из Института физики и астрофизики им. М. Планка (ФРГ) обнаружила с помощью рентгеновского детектора, поднятого на воздушном шаре, циклотронную линию: в спектре рентгеновского пульсара Геркулес Х-1 в районе 30? 50 кэВ они нашли спектральную деталь, похожую на линию^ К сожалению, до сих пор не удалось точно установить, какая это линия ? излучения или поглощения. Если поглощения, то энергия линии ? 30 кэВ, если излучения ? 50 кэВ. Но пока это и не столь важно. Важно другое. Мы имеем дело именно с циклотронной линией (а никаких более разумных предположений высказано не было). Отсюда следует, что в районе полюсов нейтронная звезда Геркулес Х-1 имеет поле напряженностью (3? 5)- 10^ Гс. Эту оценку не может сильно изменить небольшая неопределенность, которая возникает из-за гравитационного красного смещения; на поверхности нейтронных звезд оно достигает нескольких десятков процентов.

Поражает совпадение полученной величины с характерной величиной, найденной из совершенно других соображений для радиопульсаров.

НОВЫЕ ВОПРОСЫ

Казалось бы, теперь в руках астрономов имеется надежный метод ? метод ?спектроскопического¦ измерения напряженности магнитного поля. Осталось только найти циклотронные линии у других рентгеновских пульсаров, и проблема решена. Но в том-то и дело, что у большинства рентгеновских пульсаров такие линии вообще отсутствуют, а найденные следы линии у еще двух-трех пульсаров находятся на уровне шума. Напомним, что большинство рентгеновских пульсаров излучает в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких десятков кэВ, с максимумом вблизи 10? 20 кэВ. В этот диапазон могли бы попасть линии, соответствующие напряженности магнитного поля от нескольких единиц на

10" Гс до (7?8) .10^ Гс. Именно такие значения магнитных полей, полученные по наблюдениям радиопульсаров, наиболее ?популярны¦ и у нейтронных звезд. Как же объяснить отсутствие циклотронных линий в спектрах большинства рентгеновских пульсаров?

' Тгитрег ). е1 а1. А^горЬу¦. .1. Ье^., 1978, v. 219, ^. 105.

Можно предположить, что либо условия возникновения циклотронных линий столь специфичны, что им удовлетворяет лишь одна нейтронная звезда ? Геркулес Х-1, либо большинство рентгеновских пульсаров имеют магнитные поля, напряженности которых значительно отличаются от величины 10^ Гс, например 10'¦ Гс или 10'^ Гс. Первое предположение полностью исключить нельзя. Пожалуй, оно имеет лишь одно слабое место: ведь пульсар Геркулес Х-1 ничем не выделен среди остальных пульсаров. Второе объяснение также весьма рискованно. Пусть, например, рентгеновские пульсары имеют небольшие поля (10'" Гс). Тогда непонятно, почему среди радиопульсаров так мало звезд с полем 10'" Гс. Имеется и другое, как мне кажется, ?убийственное¦ для этой гипотезы возражение. Дело в том, что большинство рентгеновских пульсаров входит в состав массивных двойных систем, время жизни которых очень мало с астрономической точки зрения: 10^?10^ млн лет. Нейтронная звезда, обладающая полем 10'¦ Гс, за это время просто не успевает замедлить свое вращение до периодов в сотни секунд (а именно такие периоды характерны для рентгеновских пульсаров).

Кажется, что так же легко можно ?расправиться¦ и с предположением об аномально сильных магнитных полях у рентгеновских пульсаров (10'"* Гс). Ведь такие значения полностью противоречат наблюдениям радиопульсаров ? среди них нет ни одного со столь гигантским полем.

Но это возражение, как впервые заметил советский астрофизик Н. И. Шакура^ совершенно необоснованно. Дело в том, что мы и не должны видеть радиопульсары с такими большими полями. Время жизни радиопульсара обратно пропорционально скорости его замедления, т. е. обратно пропорционально квадрату поля пульсара. Например, радиопульсар с полем 10 Гс ?живет¦ в 10 тыс. раз меньше, чем пульсар с полем 10'^ Гс! Вероятность увидеть такой пульсар среди известных 300?400 радиопульсаров менее 3 %. Таким образом, при наблюдении радиопульсаров из их числа выпадают нейтронные звезды с очень большими полями. В астрономии это называется эффектом селекции.

МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ПУЛЬСАРОВ

Светимость рентгеновского пульсара определяется количеством вещества, падающего на поверхность нейтронной звезды в единицу времени (т. е. темпом ак-креции), и никоим образом не зависит' от скорости ее вращения. Важно только, чтобы нейтронная звезда вращалась не слишком быстро, иначе магнитное поле будет препятствовать аккреции. Скорость замедления вращения пропорциональна магнитному полю звезды, поэтому чем больше поле звезды, тем больше вероятность застать ее на стадии рентгеновского пульсара. Следовательно, для рентгеновских пульсаров характерна селекция совершенно обратного свойства ? среди них нейтронные звезды с большими полями должны встречаться чаще!

В настоящее время накоплен огромный наблюдательный материал о различных характеристиках рентгеновских пульсаров: их светимости, спектрах, массах, периодах, изменениях периодов и т. д. Какую наблюдательную величину лучше всего использовать для определения магнитного поля? Наиболее чувствительными к магнитному полю оказались период вращения рентгеновского пульсара, а также скорость изменения этого периода.

Рентгеновские пульсары, в отличие от радиопульсаров, могут как ускоряться, так и замедляться. Магнитосфера рентгеновского пульсара устроена так, что со стороны аккрецирующего вещества одновременно приложены ускоряющие и замедляющие моменты сил". По-видимому, вокруг большинства рентгеновских пульсаров имеются аккреционные диски. Это связано с тем, что, стекая с обычной звезды, вещество обладает настолько большим вращательным моментом, что не может упасть не нейтронную звезду, а образует вокруг нее аккреционный диск. Отдельные элементы вещества двигаются в диске по сильно закрученной спирали, постепенно приближаясь к нейтронной звезде. Однако на некотором расстоянии (около нескольких тысяч километров) магнитное поле нейтронной звезды возрастает настолько, что разрушает диск^. Вещество, проникая в маг-

' 1-1рипоу V. М.? А8<горЬу5. апс1 5расе 5с1., 1982. v. 82, р. 343.

^ Липунов В, М. Магнитосфера рентгеновских пульсаров.? Природа, 1980, ¦ 10, с, 52,

Аккреция вещества в двойной системе с образованием диска вокруг нейтронной звезды. Внизу? зависимость величины ускорения (Р ) и замедления вращения (Рд) рентгеновского пульсара от его параметров ? периода Р и светимости ^ (в единицах 10" ¦рг/с). Точки ? наблюдательные данные для ряда рентгеновских пульсаров, полученные с борта космических аппаратов. Линии ? теоретические кривые для различных величин напряженности магнитного поля (указаны цифрами, в гауссах) на поверхности нейтронной звезды. Радиус нейтронной звезды принимается равным 10 км. Запрещенная область находится выше прямой, соответствующей максимально возможному ускорению нейтронной звезды. На нижнем графике экспериментальные точки помечены стрелками, чтобы показать неопределенность в экспериментальных данных. Пунктирные линии соответствуют выключенному состоянию пульсара, когда радиус диска становится больше радиуса коротации (см. предыдущий рис.).

ля вращаются быстрее вещества и, следовательно, ?зацепляясь¦ за него, тормозят вращение нейтронной звезды.

Точно рассчитать ускоряющие и замедляющие моменты сил очень трудно. Для этого нужно решать трехмерную маг-нитогидродинамическую задачу, что пока не под силу даже самым быстродействующим ЭВМ. Однако качественно ясно, что замедление вращения нейтронной звезды должно сильнейшим образом зависеть от величины ее магнитного поля, точнее, от ее магнитного дипольного момента. Это свойство присутствует в приближенной аналитической теории, построенной автором^, и именно оно^ позволяет оценить магнитное поле рентгеновского пульсара. Прежде всего нужно было проверить эту теорию для пульсара Геркулес Х-1, у которого напряженность магнитного поля известна. Правда, для этого необходимо было задать радиус нейтронной звезды. Для Геркулеса Х-1, по данным изменения периода, магнитный дипольный момент равен (3? 5) • 10^ Гс • см^. Чтобы привести это значение в согласие с данными группы Трюмпера (т. е. с величиной магнитного поля (3? 5) • 10^ Гс), необходимо предположить, что радиус нейтронной звезды Геркулес Х-1 ра*ен 6?7 км; это не противоречит теоретическим расчетам строения нейтронных звезд. Таким образом, аналитическая модель ?крутящих моментов¦ дает правильный результат для Геркулеса Х-1. А как обстоят дела с другими пульсарами?

Нужно подчеркнуть, что большинство рентгеновских пульсаров имеет большие периоды, более 100 с. Так вот, для них при радиусе звезды 10 км получается •оценка магнитного поля около нескольких единиц на 10'^ Гс. Это так называемые сверхкритические поля. При таком поле энергия электрона, вращающегося вокруг силовой линии, значительно превышает его энергию покоя 511 кэВ, поэтому движение электрона описывается уже не просто квантовой, а квантово-релятивистской теорией^. На возможность существования таких полей у нейтронных звезд впервые указал в 1975 г. Н. И. Шакура. Но тогда эта идея была встречена астрофизиками

' Липунов В. М,? Астрой, ж., 1982, т. 60, с. 888.

Квантово-релятивистские эффекты в столь сильных поля¦ исследуются в МГУ под руководством И. М. Тернова. Подробнее об этом см;Тернов И.М,,Халилов В.Р, Электроны в сверхсильном магнитном поле.? Природа, 1983, ¦ 5, с. 90.

?в штыки¦. И на это были свои объективные и субъективные причины.

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Конечно, не существуют фундаментальные физические законы, запрещающие нейтронной звезде иметь поле напряженностью 10^ Гс. Бытует, правда, заблуждение, будто такие поля не могут существовать долго, поскольку в них должно идти интенсивное рождение частиц, подобно тому как это происходит в электрическом поле с напряженностью больше 4. 10'^ ед. С05Е. Но это совершенно неверно. Само по себе магнитное поле не рождает частицы, поскольку оно не способно совершать работу.

Однако отсутствие запрещающих фундаментальных законов ? еще не доказательство существования таких полей. Имеется ряд объективных трудностей. Главная из них ? проблема генерации магнитных полей. Если просто сжимать звезду типа Солнца с нормальным, уже ?вмороженным полем, то никогда не удастся получить магнитное поле величиной 10'^ Гс. Что можно ответить на такое возражение? Те же оценки (см. начало статьи) показывают, что не так-то просто получить и поля гораздо меньшей величины, около 10^ Гс, а уж существование таких полей у нейтронных звезд доказано наблюдениями. Так что новых проблем не возникало, просто старая проблема (хотя ее молчаливо обходили) резко обострилась. Чтобы решить ее, нужно либо предположить существование внутри звезд магнитных полей, напряженность которых в сотни и тысячи раз больше тех, которые мы регистрируем на поверхности; либо магнитные поля дополнительно генерируются при коллапсе (или после него) в нейтронной звезде.

Казалось бы, нет никаких ?либо-ли-бо¦ ? чего мудрить. Ведь астрономам давно известны так называемые Ар-звезды, у которых напряженность магнитного поля равна нескольким десяткам тысяч гаусс. При сжатии такой звезды в нейтронную звезду легко получить поле напряженностью 10'^ Гс! Астрономам также известны белые карлики с полем около 10" Гс, которые при сжатии в нейтронную звезду дадут напряженность поля не меньше.

Но дело в том, что рентгеновские пульсары, у которых найдены сверхкритические поля, входят в состав массивных двойных систем. Другими словами, их спутниками являются массивные О?'В-звезды (с массами более 15?20 М,д). Так вот, совре-

менная теория эволюции двойных звезд отвергает возможность существования в массивных системах таких маломассивных звезд, как Ар-звезды или белые карлики. Но о магнитных полях внутри О?В-звезд ничего не известно.

Вообще, генерация магнитного поля ? это целая проблема даже для обычных звезд. Для нейтронных звезд проблема еще менее разработана, и пока нет надежных результатов.

Мне кажется, субъективные причины, по которым многим астрофизикам не очень нравится идея сверхкритических полей, чисто психологического характера. До сих пор все работы по расчету спектров излучения плазмы в магнитном поле проводились лишь для докритических полей. Сверхкритическое поле значительно усложняет задачу, возникают ?новая¦ физика и новые проблемы.

Зато сверхкритическое поле позволяет объяснить отсутствие циклотронных линий в спектрах большинства рентгенов-

ских пульсаров. При поле 10 Гс эти линии ?уходят¦ в область энергий, больших 0,1 МэВ, где пульсар почти ничего не излучает,

Имеются и другие ?за¦ и ?против¦. Кратко характеризуя ситуацию, сложившуюся сейчас в той области астрофизики, которая занимается изучением магнитных полей нейтронных звезд, можно сказать так: несомненно, существуют нейтронные звезды, обладающие полями 10'^ Гс, и уже это ? рекорд. Появились очень веские аргументы в пользу того, что существуют нейтронные звезды со сверхкритическими полями, вплоть до 10 Гс, а возможно, и больше. Как это доказать? Единственный путь ? исследовать особенности поведения плазмы и ее излучения в столь сильных полях и найти эти особенности у наблюдаемых нейтронных звезд. Если это удастся сделать, мы обязаны будем взглянуть на проблему эволюции и генерации магнитных полей в астрофизике совершенно по-новому.

\

Астрофизика

?Спиральность¦ нейтрино и магнитные поля нейтронных звезд

Известно, что образование нейтронных звезд (коллапс) сопровождается огромным, до 10 эрг, выделением энергии. Астрофизиков давно волнует вопрос, насколько симметрично выбрасывается вся энергия. Ведь достаточно небольшой анизотропии, и образующаяся нейтронная звезда может получить огромный импульс отдачи. Например, если в одну сторону излучится на 0,01 % больше энергии, чем в другую, нейтронная звезда приобретет скорость в несколько сотен километров в секунду. Интересно, что именно такая скорость движения наблюдается у некоторых радиопульсаров.

Оригинальный механизм, приводящий к анизотропии, предложен Н. Н. Чугаем (Астрономический совет АН СССР).

Как показывают расчеты, почти всю энергию, излучаемую в процессе коллапса, уносят нейтрино, образующиеся при слиянии протонов и электронов и при захвате позитронов свободными нейтронами: Р+е ?*- п-(-у, п+е^-*-р-1- 7. В условиях коллапса спин-орбитальной связью можно пренебречь, поэтому полный спин частиц, вступающих в реакцию, должен быть равен спину образующихся частиц. Предположим, реакции проходят в магнитном поле столь сильном, что спины всех электронов и позитронов параллельны направлению этого поля. Предположим также, что протоны и нейтроны не поляризованы (это условие выполняется, поскольку магнитный момент нуклонов значительно меньше, чем у электронов).Тогда при всевозможных направлениях спина нуклонов до и после реакции спины образующихся нейтрино в большинстве случаев ориентированы по полю (у антинейтрино ? против поля). Но нейтрино ?спиральны¦; их спин всегда направлен по направлению движения (у антинейтрино ? наоборот). Это означает, что большая часть нейтрино и антинейтрино вылетает по направлению поля. По закону сохранения импульса, звезда должна получить сильнейший импульс отдачи. В реальных условиях только часть электронов и позитронов полностью поляризованы.

По оценкам Чугая, скорость, приобретаемая нейтронной звездой, равна у=30(В/10' •1-е) (М/М^)-• (К/10" см)-' км/с, где В '•? напряженность магнитного поля, М и К? масса и радиус нейтронной звезды.Таким образом, чтобы объяснить наблюдаемые скорости радиопульсаров (100 км/с), нужно предположить существование магнитных полей, примерно равных 3- 10'" Гс