Сергей Попов - Все формулы мира

Теперь надо эту энергию быстро выделить. Для этого необходимо как-то «встряхнуть» магнитосферу. Было предложено много разных идей, в основном связанных с катастрофическими событиями. Можно просто устроить коллапс нейтронной звезды в черную дыру. Например, это происходит в модели так называемых супрамассивных нейтронных звезд. Такие объекты могут образоваться в результате коллапса ядра звезды или слияния нейтронных звезд. Их основное свойство – большая масса, превосходящая критическую, а от схлопывания удерживает чрезвычайно быстрое вращение. По мере замедления этот барьер перестает работать, так как с ростом периода вращения центральная плотность наконец-то дорастает до критической величины, и тогда образуется черная дыра. Или же можно превратить нейтронную звезду в кварковую. Такой процесс тоже приведет к перестройке структуры объекта, а значит – к «встряхиванию» магнитосферы. Важно, что и коллапс, и формирование кваркового ядра (деконфайнмент) происходят быстро. Другой интересный способ – взорвать рядом с нейтронной звездой сверхновую. Ударная волна уж точно сильно «тряханет» магнитосферу, причем из-за высокой скорости сброшенного при взрыве вещества произойдет это быстро. Такое в принципе возможно в тесных двойных системах. В общем, потенциально существует много способов устроить всплеск [127] Здесь важно, что потенциально все идеи могут работать, но, видимо, не для конкретного класса быстрых радиовсплесков. Многие модели неприменимы для этих событий просто потому, что предсказывают слишком низкий темп. Так что можно надеяться, что в будущем нас еще ждут открытия радиотранзиентов, которые объясняются тем или иным из предложенных сценариев. .

Но есть и проблемы. Необходимо предложить механизм излучения, в котором радиовсплески будут очень мощными (на многие порядки мощнее всего, что наблюдалось от нейтронных звезд), нужно придумать, как при этом избежать яркой вспышки в других диапазонах, ну и надо оставить объект целым. Последнее сразу отбрасывает слияния нейтронных звезд и их коллапс в черную дыру. Также отпадает и превращение нейтронной звезды в кварковую, если мы хотим объяснить в рамках единой модели и обычные, и повторные источники (которых сейчас известно уже несколько штук).

Что же остается? Выживают два основных класса моделей: пульсарные и магнитарные. В первом случае излучается энергия вращения нейтронной звезды. Известно, что пульсар в Крабовидной туманности иногда испускает так называемые гигантские импульсы. Это очень короткие радиовсплески очень высокой интенсивности. Сами по себе они не могут объяснить быстрые радиовсплески – светимости не хватит. Но можно проделать такую экстраполяцию: если предположить, что энергия гигантских импульсов тем больше, чем больше полные потери энергии вращения пульсаром, можно добраться до необходимых величин при условии, что мы имеем дело с очень быстро вращающейся звездой.

Выше мы показали, что темп потери вращательной энергии пропорционален квадрату магнитного поля пульсара и четвертой степени частоты его вращения. Период вращения пульсара в Крабе – 33 мс. Предельный период – порядка 1 мс. Значит, нетрудно представить себе пульсар с потерями энергии вращения в миллион раз больше. Если такие объекты давали бы гигантские импульсы в миллион раз мощнее, то это сразу объясняло бы быстрые радиовсплески.

В магнитарных моделях источником энергии является магнитное поле. В нашей Галактике наблюдалось несколько мощных вспышек магнитаров: в 1979, 1998 и 2004 гг. Последнее событие – часто его выделяют и называют гипервспышкой – имело пиковую светимость в рентгеновском и гамма-диапазоне под 10 47эрг/с. Однако важно, что с расстояний в сотни миллионов световых лет такое современными приборами не увидеть. А вот если всего лишь одну миллионную от этой энергии излучить в радиодиапазоне, то опять-таки удастся объяснить быстрые радиовсплески.

Можно объединить эти две модели и говорить о молодых магнитарах, у которых одновременно и период вращения маленький, и магнитное поле очень сильное. Это позволяет не только получить значительное выделение энергии в очень коротком импульсе, но и обеспечить их многократность, что важно для объяснения источников повторяющихся всплесков. К тому же молодая нейтронная звезда в норме окружена плотной оболочкой, сформировавшейся после вспышки сверхновой из сброшенного вещества звезды (а также того, что оболочка успела нагрести во внешней среде), а это помогает объяснить значительное расплывание радиосигнала (те самые задержки всплеска на низких частотах).

Конечно, последнее слово остается за наблюдателями. Загадка космических гамма-всплесков мучила астрофизиков почти 30 лет. Также высказывалось множество разнообразный идей, строились модели… И это продолжалось до тех пор, пока не удалось одновременно зарегистрировать события в гамма-диапазоне (где было невозможно определить координаты вспышки с высокой точностью) и в рентгеновском диапазоне. В результате было не только доказано, что гамма-всплески происходят в далеких-далеких галактиках, но и появилась окончательная ясность в интерпретации: короткие гамма-всплески связаны со слияниями нейтронных звезд, а длинные – с особым типом сверхновых. Наверное, что-то подобное должно произойти и с очередной загадкой. Так что мы продолжаем ждать или регистрации источников быстрых радиовсплесков в других диапазонах, или настолько детальных и точных радиоданных, что полная идентификация станет возможной уже благодаря им.

Говоря о непостижимой эффективности математики, мы неоднократно упоминали о поразительной способности математических методов описывать реальный мир. Численное моделирование позволяет не просто воспроизводить в компьютере отдельные экземпляры или ситуации, но и создавать искусственные галактики и вселенные, конечно во многом упрощенные и идеализированные. Однако даже такое моделирование позволяет эффективно использовать математические методы для детального сопоставления предсказаний и данных наблюдений. В астрофизике одним из успешных и общеизвестных методов подобных исследований является популяционный синтез [128] Подробнее о популяционном синтезе в астрофизике можно прочесть в нашей с Михаилом Прохоровым статье в журнале «Успехи физических наук», 177, 1179 (2007). Этот обзор доступен онлайн на сайте https://ufn.ru/ru/articles/2007/11/b/ . .

Суть метода состоит в воспроизведении свойств одной или нескольких популяций астрономических объектов. Для этого задаются начальные условия (например, параметры объектов при рождении или параметры среды, в которой что-то будет происходить) и законы эволюции. Естественно, и начальные распределения, и законы эволюции обычно задаются в виде аналитических математических выражений (иногда используются и таблицы, но это просто значит, что в конечном счете они были рассчитаны на основе каких-то аналитических соотношений). Вид этих формул и значения коэффициентов, входящих в них, могут быть как обусловлены чисто теоретическими соображениями, так и следовать из данных наблюдений.