Открытие углеродной атмосферы у Cas A.

У нейтронной звезды, остатка сверхновой Cassiopeia A, с помощью рентгеновской обсерватории НАСА Chandra обнаружен тонкий слой углеродной атмосферы.

Изображение Cas A, полученное Chandra в 1999 году, выявило ранее невидимый точечный источник рентгеновского излучения в центре объекта. Предполагалось, что объект является нейтронной звездой, типичным остатком взорвавшейся звезды, но его свойства не были до сих пор ясны. Вопреки ожиданиям, этот объект не показывал каких-либо вариаций рентгеновского или радиоизлучения и вообще каких-либо признаков активности радиопульсара.

Применяя модель нейтронной звезды с углеродной атмосферой к данному объекту, ученые нашли, что область, излучающая рентген, должна равномерно покрывать нейтронную звезду. Это вполне объясняет отсутствие рентгеновских пульсаций, поскольку так же как лампочка, святящаяся изотропно - такая нейтронная звезда вряд ли будет демонстрировать изменения блеска при вращении.

Ранее учеными использовалась модель нейтронной звезды с водородной атмосферой, которая дает существенно меньшую область излучения, соответствующую горячей точке на типичной нейтронной звезде. Именно эта точка вызывает рентгеновские пульсации при вращении звезды. Если пытаться интерпретировать данные в модели водородной атмосферы без пульсаций, то получается, что звезда должна иметь слишком малые размеры, которые могут быть например, только у экзотического объекта - звезды, состоящей из кварковой материи.


Рисунок 1. Изображение остатка сверхновой Кассиопея А, полученное с помощью рентгеновской обсерватории Chandra (Изображение NASA / CXC).


Рисунок 2. Наложение изображения остатка сверхновой Кассиопея А, полученное с помощью рентгеновской обсерватории Chandra, и художественное изображение нейтронной звезды в центре остатка (Изображение: Chandra: NASA/CXC/Southampton/W.Ho; Иллюстрация: NASA/CXC/M.Weiss).

Свойства этой углеродной атмосферы замечательны. В отличие от большинства астрономических объектов, нейтронные звезды очень малы, чтобы понимать их природу на простом, бытовом человеческом уровне. Так, например, нейтронные звезды обычно имеют диаметр около 20 км. Соответственно атмосфера нейтронной звезды имеет еще меньшие размеры. Исследователи подсчитали, что в этом случае углеродная атмосфера имеет толщину всего лишь в 10 см, плотность как у алмаза, а давление более чем в десять раз превышает давление в центре Земли. Как и в случае атмосферы Земли, протяженность атмосферы нейтронной звезды пропорциональна ее температуре и обратно пропорциональна силе тяжести на поверхности звезды. Температура атмосферы по оценкам составляет почти два миллиона градусов. А сила тяжести на поверхности звезды в 100 миллиардов раз сильнее, чем на Земле, поэтому и атмосфера ее невероятно тонкая.

Для людей, которые привыкли иметь дело в космосе с космическими размерам объектов, возможность изучать там что-то такое маленькое является удивительным. И поэтому еще более удивительно понимание того, что такая тонкая полоска атмосферы, буквально вуаль над поверхностью звезды, может сыграть ключевую роль в коренном пересмотре взглядов на природу этих объектов.


Рисунок 3. Художественное представление нейтронной звезды в Cas A. Показана очень тонкая углеродная атмосфера. Атмосфера Земли изображена в том же масштабе, что и нейтронная звезда(Изображение: NASA / CXC / M.Weiss).

В земной системе отсчета оценка возраста нейтронной звезды Кассиопея А составляет всего несколько сотен лет, что примерно в десять раз меньше, чем у других нейтронных звезд, у которых были обнаружены поверхностные эмиссии. Поэтому нейтронная звезда Cas A открывает уникальные возможности заглянуть в самое начало жизни остывающей нейтронной звезды. Углерод получается в результате синтеза элементов, образовавшихся после взрыва сверхновой и ядерных реакций на горячей поверхности нейтронной звезды: происходит превращение легких элементов водорода и гелия в углерод.

Наличие рентгеновского излучения, а также отсутствие признаков пульсара свидетельствуют о том, что магнитное поле на поверхности этой нейтронной звезды относительно слабое. При изучении слабых рентгеновских пульсаций некоторых молодых нейтронных звезд предполагалось существование аналогичных слабых магнитных полей. Правда, неизвестно, имеют ли эти нейтронные звезды слабые магнитные поля на протяжении всей своей жизни и поэтому уже никогда не станут радио-пульсарами, или же некие процессы внутри звезд могут привести к развитию более сильного магнитного поля по мере их старения.

Остаток сверхновой Кассиопея А всегда был загадкой. Хотя взрыв, в результате которого образовалась эта сверхновая звезда, является очевидным мощным событием, видимая яркость вспышки, которая произошли примерно 330 лет назад, гораздо меньше, чем у обычных сверхновых. И в самом деле, если обозреть исторические хроники в пределах 17 века, то упоминаний об этом событии не находится (правда, надо упомянуть данные о звезде, которую наблюдал Флэмстид в 1680 году, но с большой осторожностью). Еще одна загадка состояла в том, что же породил взрыв, который привел к появлению Cas А - нейтронную звезду, черную дыру или вообще ничего не оставил. Но 10 лет назад в центре Cas А был обнаружен яркий объект до этого не наблюдавшийся. Теперь, новые наблюдения с помощью обсерватории Chandra показали, что этот объект является нейтронной звездой. При этом имеющий углеродную атмосферу. Это первый случай, когда обнаружена атмосфера вокруг такого малого и плотного объекта.

Существует только два вида звезд, имеющих такие малые размеры - это нейтронные звезды и черные дыры. Черная дыра должна быть исключена из рассмотрения, потому что в этом случае мы не можем увидеть свет от нее, а детектируемое рентгеновское излучение происходит из-за аккреции вещества, падающего на черную дыру. При этом излучение должно быть сильно переменным, так как излучает каждый раз новое вещество с новыми свойствами, а в исследуемом объекте мы ничего подобного не наблюдаем.

Но самый необычная особенность этой нейтронной звезды - ее углеродная атмосфера. Нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов (отсюда и название), но кроме этого они имеют тонкий слой нормального вещества на своей поверхности, в том числе тонкие, в пределах 10 см, очень горячие атмосферы. Ранее известные нейтронные звезды все имеют водородные атмосферы, что естественно ожидать: из-за гравитационного влияния происходит стратификация вещества в звезде: более легкие элементы всплывают наверх, и в атмосфере мы видим самые легкие элементы, такие как водород.

Но все не так в Cas А. Было предложено несколько моделей с различными атмосферами. И только углеродная атмосфера смогла объяснить наблюдаемые данные.

Но как же тогда объяснить отсутствие более легких элементов - водорода и гелия на этой нейтронной звезде? Здесь надо вспомнить о молодости этого объекта - мы видим его в нежном возрасте всего лишь в 330 лет, сравнения - другие нейтронные звезды насчитывают тысячелетия. Во время взрыва сверхновой, которая создала эту нейтронную звезду, звезда была нагрета до высоких температур, до миллиарда градусов. Это сейчас она охладилась до нескольких миллионов градусов, но и этого достаточно протекания ядерного синтеза на поверхности нейтронной звезды, когда происходит горение водорода и гелия и превращение их в углерод.

Таким образом, с помощью этого открытия исследователи получают доступ к полному жизненному циклу сверхновых звезд.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.



Похожие статьи: