В центре этой необычной туманности скрывается пульсар, то есть нейтронная звезда, вращающаяся со скоростью семь оборотов в секунду и создающая сильнейшие магнитные поля. Это один из самых мощных электромагнитных генераторов в галактике (яркое белое пятнышко).
И сама туманность, и пульсар — всё это остатки гигантского взрыва сверхновой. Интенсивные магнитные поля пульсара порождают мощный поток заряженных частиц — электронов и ионов. Эти частицы, сталкиваясь с плазмой туманности, закручиваются в сложные вихри, придающие облаку его причудливую форму.
Снимок сделан в рентгеновских лучах телескопом Чандра, лучи самой низкой энергии — красные, среднего диапазона — от желтоватых до зеленоватых, самые энергичные — синие.
На расстоянии около 18 000 световых лет от Земли, в направлении созвездия Стрельца, находится удивительный космический объект, который фактом своего существования бросает вызов нашему пониманию предельных скоростей во Вселенной
Этот объект, получивший скучное название PSR J1748-2446ad, представляет собой самый быстрый известный пульсар* во Вселенной. Обладая диаметром примерно 32 километра и массой около двух масс Солнца, пульсар PSR J1748-2446ad совершает полный оборот вокруг своей оси за 1,396 миллисекунды (716 оборотов в секунду!).
При такой невероятной скорости вращения PSR J1748-2446ad балансирует на грани разрушения. Если бы он вращался на 20% быстрее, то центробежная сила разорвала бы его на части.
*Что такое пульсар? Представьте себе сверхплотную нейтронную звезду – бывшую массивную звезду, сжатую до размеров города. Теперь представьте, что она бешено вращается, а ее магнитное поле, в миллиарды раз более мощное, чем земное, направлено не вдоль оси вращения, а под углом к ней. Из магнитных полюсов звезды бьют узкие лучи излучения – словно два космических прожектора на противоположных концах.
Подобно фигуристу, который ускоряет вращение, прижимая руки к телу, пульсар получает свою головокружительную скорость в результате сжатия. Когда массивная звезда коллапсирует в нейтронную звезду, она сохраняет большую часть своей массы, но сжимается до крошечного — относительно исходного — размера. При этом сохраняется и момент импульса звезды. В результате такого экстремального сжатия огромной массы она начинает вращаться с колоссальной скоростью.
Космический маяк
Каждый оборот пульсара отмечается вспышкой радиоизлучения, которую можно зафиксировать с Земли. Эти регулярные импульсы делают пульсары невероятно точными космическими часами. Астрономы используют их как инструменты для поиска гравитационных волн, проверки фундаментальных теорий гравитации и изучения структуры межзвездной среды. А космические агентства даже разрабатывают системы навигации для космических кораблей, основанные на сигналах от пульсаров – своеобразные космические GPS.
PSR J1748-2446ad был открыт в 2004 году командой астрономов, использовавших радиотелескоп Грин-Бэнк в США, и он до сих пор удерживает титул самого быстрого известного пульсара во Вселенной.
Новое композитное изображение. Данные в видимом диапазоне от телескопа Хаббл (красные и синие участки), рентгеновские данные от обсерватории Чандра (яркие участки в центре) и рассеянное рентгеновское излучение от инструмента IXPE (фиолетовые).
Астрономы объяснили один из высокоэнергетических источников обзора 2FHL. Вероятно, это плерион с очень большой энергией фотонов — крайне перспективный объект для дальнейших наблюдений.
Крабовидная туманность — остаток сверхновой и плерион
Пульсары — быстровращающиеся нейтронные звезды. Порой от них исходит быстрый «пульсарный ветер» из электронов и протонов. Столкнувшись с остатками сверхновой, этот «ветер» формирует расширяющийся «пузырь» плазмы — пульсарную туманность, или плерион. Яркий пример — знаменитая Крабовидная туманность, комбинация остатка сверхновой и плериона.
Плерионы интересуют ученых как «лаборатории» для изучения экстремальных условий высокой плотности и силы магнитного поля, а также релятивистского ветра и ударных волн от его взаимодействия с веществом в межзвездном пространстве. Это одни из самых ярких источников высокоэнергетического излучения на небе.
Астрономы очень заинтересованы в поиске таких объектов, и по данным, собранным космической гамма-обсерваторией Fermi, они составили каталог 2FHL из 360 источников с энергиями приходящих от них частиц от 50 гигаэлектронвольт до двух тераэлектронвольт. Среди них есть 12 высокоэнергетических источников в плоскости нашей Галактики, которые не удалось ассоциировать с конкретными объектами. И вот у ученых получилось объяснить один из них — 2FHL J1745.1-3035, второй по гамма-яркости среди этих 12 источников.
Группа астрономов под руководством Стефано Марчези из Болонского университета (Италия) сопоставила архивные и новые данные в рентгеновском диапазоне от обсерватории «Чандра», телескопа XMM-Newton и первого космического телескопа жесткого рентгеновского диапазона (7-80 килоэлектронвольт) NuSTAR. Так им удалось собрать наблюдения более чем за 20 лет.
Проанализировав данные, ученые пришли к выводу, что этот компактный рентгеновский источник — скорее всего, плерион. При энергии выше 50 гигаэлектронвольт у него очень жесткий гамма-спектр с фотонным индексом Г = 1,2. Жесткое излучение — излучение с большой энергией квантов, в данном случае фотонов.
Если открытие подтвердится, объект станет самым жестким известным плерионом в гамма-диапазоне и одним из самых жестких в рентгеновском диапазоне. Результаты научной работы выложены на сайте препринтов arXiv.
В общем, 2FHL J1745.1—3035 — очень редкий источник с впечатляющими параметрами, что делает его перспективным объектом для дальнейших наблюдений. В том числе с помощью Массива черенковских телескопов (CTA).
В расчетах и данных наблюдений за черными дырами есть заметный разрыв: обнаруженные астрономами черные дыры значительно массивнее теоретической нижней границы масс подобных тел. И вот ученые нашли систему из пульсара и объекта-компаньона, который как раз попадает в этот «провал масс».
Астрономы ищут системы из массивных объектов — нейтронных звезд, белых карликов и черных дыр, — чтобы протестировать теории гравитации. Лучшее место для поиска таких объектов — шаровые звездные скопления.
Плотность звезд в центре подобных скоплений достаточно высокая, поэтому тела там чаще встречаются и взаимодействуют. В частности, нейтронные звезды подхватывают маломассивные звезды главной последовательности и «высасывают» их материю, накапливая массу. Так появляются маломассивные рентгеновские двойные звезды, одним из объектов которых становится миллисекундный пульсар, быстровращающаяся нейтронная звезда. Именно на таких системах ученые тестируют теории гравитации.
Во время поиска подобных объектов в шаровых звездных скоплениях с помощью радиотелескопа MeerKAT (Южная Африка) астрономы обнаружили в NGC 1851 в созвездии Голубь 13 миллисекундных пульсаров, в том числе в составе трех массивных двойных звезд. Компаньон одной из них — PSR J0514-4002E — заинтересовал ученых своей массой.
Если бы компаньон был звездой главной последовательности, его было бы видно в оптическом диапазоне. Но в наблюдениях «Хаббла» подходящий объект найти не удалось. Получается, он должен быть очень компактным. Проанализировав «тиканье» пульсара и рассчитав его движение, авторы исследования пришли к выводу, что масса компаньона — от 2,09 до 2,71 солнечной массы.
Это больше, чем у крупнейших пульсаров, чью массу удалось точно измерить: PSR J0740+6620 (2,08 солнечной массы) и PSR J0348+0432 (2,01 солнечной массы). И меньше самых маленьких черных дыр (около пяти солнечных масс), обнаруженных в составе двойных систем. То есть этот объект находится в «провале масс» черных дыр — разрыве между данными наблюдений и теоретической минимальной массой черной дыры (2,2 солнечной массы), образовавшейся при коллапсе нейтронной звезды.
По словам ученых, судя по положению в плотном шаровом скоплении, эксцентричности орбиты, быстрому вращению пульсара и большой массе компаньона, система PSR J0514-4002E — продукт «вторичной встречи». Авторы статьи предположили, что пульсар раскрутился, поглотив материю своего первого «соседа», а уже потом встретился с нынешним массивным компаньоном.
Новый компаньон, судя по массе, мог образоваться в слиянии двойной нейтронной звезды или нейтронной звезды и черной дыры. Через анализ гравитационных волн астрономам известно несколько таких событий, и масса компаньона совпадает с оценкой масс участников тех слияний (GW190814, GW191917 и GW200210).
К сожалению, по косвенным данным вроде вращения пульсара и траектории его орбиты (тут не хватает точности измерений) невозможно точно определить, является ли компаньон самой массивной нейтронной звездой из известных или самой маленькой черной дырой из «провала масс».
Если удастся подтвердить, что этот объект состоит из радиопульсара и черной дыры, PSR J0514-4002E станет первой подобной системой за всю историю наблюдений. И это будет праздник для астрофизиков, потому что такая пара позволит по-новому протестировать Общую теорию относительности.
