Астрофизик КФУ рассказал, как удалось раскрыть одну из тайн нейтронных звезд

Недавно международная группа ученых пролила свет на природу пограничных слоев в аккрецирующих нейтронных звездах.
Уже несколько лет сотрудники трех университетов: Казанского федерального, Университета Тюбингена (Германия) и Университета Турку (Финляндия) успешно исследуют излучение барстеров — вспыхивающих галактических рентгеновских источников с интервалом повторения вспышек от нескольких десятков часов до нескольких дней. Так, в 2016-м, измерив, как меняются параметры излучения вспышек барстеров (тесных двойных систем, состоящих из красного карлика и нейтронной заезды) и сравнив их с рассчитанными, ученые смогли определить массы и радиусы исследуемых нейтронных звезд.
Недавно, работая совместно с астрофизиками из Европейского космического агентства, они сумели достичь новых научных результатов.
«Мы впервые получили наблюдательные подтверждения существования слоя растекания на поверхности нейтронной звезды во время термоядерной вспышки, подтвердив тем самым модель слоя растекания Иногамова-Сюняева», – сообщил старший научный сотрудник НИЛ «Рентгеновская астрономия» САЕ «Астровызов» КФУ, научный сотрудник Института астрономии и астрофизики Университета г. Тюбингена (Германия) Валерий Сулейманов.
Мы попросили известного ученого объяснить суть исследований. Вот что он нам рассказал.
В нашей Галактике существует около ста миллиардов звезд, и примерно половина из них – двойные, они представляют собой пару звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Среди этого невообразимого количества двойных звезд есть несколько десятков совсем экзотических, в которых одна из компонент является нейтронной звездой, а вторая – обычной звездой наподобие нашего Солнца. Простая звезда находится настолько близко к нейтронной, что ее внешние слои, обращенные к «соседке», оказываются в сфере притяжения последней. Поэтому вещество нормальной звезды непрерывно перетекает на нейтронную, происходит, как говорят астрофизики, аккреция вещества на нейтронную звезду. Скорость аккреции – около одной миллиардной массы Солнца в год.
Звезды в таких тесных двойных системах обращаются друг вокруг друга очень быстро, период обращения составляет всего несколько часов. Из-за этого выпасть прямо на нейтронную звезду вещество не может и образует вокруг нее аккреционный диск.
Вещество в диске вращается по почти круговым орбитам и медленно, по очень туго закрученной спирали, дрейфует к нейтронной звезде. Попутно оно разогревается до нескольких миллионов градусов и вращается все быстрее по мере продвижения к нейтронной звезде. В результате такая двойная система наблюдается как рентгеновский источник излучения.
Валерий Сулейманов отметил, что разработанная в 1973 году астрофизиками Н.И. Шакурой и Р.А. Сюняевым теория дисковой аккреции на черные дыры (за нее ученые в 2017-м получили Госпремию Российской Федерации) вполне применима и к нейтронным звездам, за исключением границы между нейтронной звездой и диском, так называемого пограничного слоя.
У поверхности нейтронной звезды вещество диска вращается с первой космической скоростью, которая составляет фантастическую величину – почти половину от скорости света. Для того, чтобы оказаться на поверхности нейтронной звезды, аккрецируемое вещество должно как-то замедлиться и выделить избыточную кинетическую энергию в виде тепла. Как это в точности происходит, неизвестно. Согласно одной из возможных моделей, вещество растекается по поверхности нейтронной звезды от экватора к полюсам, продолжая вращаться почти с такой же скоростью, опять же, по туго закрученной спирали. И в процессе растекания оно постепенно замедляется и разогревается от трения о поверхность звезды, таким образом теряя кинетическую энергию в виде рентгеновского излучения. Эта модель была предложена российскими астрофизиками Н.А. Иногамовым и Р.А. Сюняевым в 1999 году, но до настоящего времени не была подтверждена.
«Мы решили проверить правильность модели растекания, используя термоядерные вспышки на поверхности нейтронных звезд, – сказал В.Сулейманов. – Когда на поверхности нейтронной звезды скапливается достаточно много свежевыпавшего вещества, богатого водородом и гелием, в нем начинаются термоядерные реакции, приводящие к термоядерному взрыву. Именно такие двойные системы называют рентгеновскими барстерами».
По словам астрофизика, рентгеновская яркость нейтронной звезды во время вспышки на несколько десятков секунд сильно возрастает, но аккреция на нее продолжается, и слой растекания продолжает существовать. Более того, поддерживаемый давлением излучения термоядерного взрыва слой растекания распространяется по поверхности нейтронной звезды гораздо ближе к полюсам, чем в спокойном состоянии. В итоге излучение барстера должно состоять из двух частей: из излучения горячей нейтронной звезды, приходящего из ее приполюсных районов, куда не добрался слой растекания, и излучения слоя растекания.
«Мы показали, что излучение ряда термоядерных вспышек в системе 4U 1608-52, зарегистрированных космической рентгеновской обсерваторией RXTE, действительно является двухкомпонентным, и слой растекания дает главный вклад во время максимума блеска барстера. Его значение уменьшается по мере падения яркости и сходит на нет в конце вспышки, в соответствии с нашими ожиданиями», – обобщил Сулейманов научные результаты, изложенные в недавно опубликованной статье «Variable spreading layer in 4U 1608–52 during thermonuclear X-ray bursts in the soft state».