Астрофизики МГУ изучили «омолаживающийся» пульсар в соседней галактике

Ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова опубликовали в журнале The Astrophysical Journal результаты исследования уникального сверхмедленного пульсара XB091D. Эта нейтронная звезда получила пару лишь миллион лет назад, и с тех пор медленно восстанавливает свое быстрое вращение. Молодой пульсар расположен в одном из древних шаровых звездных скоплений галактики Андромеды, указывая, что в прошлом оно само было карликовой галактикой.

Массивные молодые звезды погибают, взрываясь яркими сверхновыми. При этом их внешние оболочки отбрасываются, а ядро сжимается, превращаясь обычно в компактную и сверхплотную нейтронную звезду. Сильно намагниченные, они быстро вращаются, делая сотни оборотов в секунду, однако теряют энергию вращения и замедляются, испуская узкие потоки частиц. Они создают направленное радиоизлучение, которое периодически может устремляться на Землю, создавая эффект регулярно пульсирующего источника, чаще всего миллисекундного.

«Вернуть молодость» пульсару и снова ускорить его вращение может встреча с обычной звездой. Образовав с ней устойчивую пару, нейтронная звезда начинает перетягивать ее вещество, образуя вокруг себя раскаленный аккреционный диск. Ближе к самой нейтронной звезде диск разрывается магнитным полем звезды, и поток материи падает на нее, образуя «горячее пятно» — температура здесь достигает миллионы градусов, и вещество излучает свет в рентгеновском диапазоне. Вращаясь, нейтронная звезда вспыхивает рентгеновским пульсаром, как маяк, а продолжающее падать на нее вещество придает ей дополнительный импульс, ускоряющий вращение.

За какую-нибудь сотню тысяч лет — по космическим меркам, почти мгновенно — старый пульсар, уже замедлившийся до одного оборота за несколько секунд, может вновь раскрутиться в тысячи раз быстрее. Такой редчайший момент удалось наблюдать команде астрофизиков ГАИШ МГУ совместно с коллегами из Италии и Франции. Изученный ими рентгеновский пульсар XB091D был открыт на самых ранних этапах «омоложения» и оказался самым медленно вращающимся из всех раскручивающихся пульсаров, известных на сегодняшний день. Полный оборот эта нейтронная звезда совершает за 1,2 секунды — в десять раз медленнее предыдущего рекордсмена. По оценкам ученых, «разгон» пульсара начался менее миллиона лет назад.

Работа была проделана на основе наблюдений, которые были собраны космическим телескопом XMM-Newton в 2000–2013 гг. и объединены астрономами МГУ и их коллегами в открытую онлайн-базу данных. Доступ к информации по примерно 50 млрд рентгеновских фотонов уже позволил ученым разных стран обнаружить целый ряд прежде незамеченных интересных объектов. Среди них был и пульсар XB091D, независимое сообщение об открытии которого итальянские астрономы опубликовали несколько месяцев назад. XB091D стал вторым пульсаром, обнаруженным за пределами нашей Галактики и ее ближайших спутников, хотя уже впоследствии с использованием нового онлайн-каталога было обнаружено еще два таких пульсара.

Результаты первого полного анализа двойного рентгеновского источника XB091D представлены в статье, которую научный сотрудник Отдела релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ Иван Золотухин и его соавторы опубликовали в престижном журнале The Astrophysical Journal.

«На датчики космического телескопа от этого пульсара прилетает всего лишь по фотону каждые пять секунд. Поэтому поиски пульсаров среди обширных данных XMM-Newton можно сравнить с поисками иголки в стоге сена, — рассказывает Иван Золотухин. — Фактически, для этого пришлось создать совершенно новые математические инструменты, которые позволили предсказывать и выделять нужный нам периодический сигнал. Теоретически применений у этого метода может найтись много, в том числе и за пределами астрономии».

На основе в общей сложности 38 наблюдений XMM-Newton астрономам удалось подробно охарактеризовать систему XB091D. Это рентгеновский пульсар возрастом около 1 млн лет, компаньоном нейтронной звезды в котором выступает старая звезда умеренных размеров (0,8 массы Солнца). Сама двойная система имеет период вращения 30,5 часов, а нейтронная звезда — 1,2 с. Уже примерно через 50 тысяч лет она ускорится достаточно, чтобы превратиться в обычный миллисекундный пульсар.

Однако необычным оказалось не только время, которое удалось наблюдать астрономам, но и место, в котором локализован XB091D. Тщательно оценив его положение, Иван Золотухин и его коллеги показали, что находится XB091D в соседней галактике Андромеды, в 2,5 млн световых лет от нас, среди звезд чрезвычайно плотного шарового скопления B091D, где в объеме радиусом 45 световых лет «упаковано» более миллиона старых и тусклых звезд. Возраст самого скопления оценивается в целых 12 млрд лет, так что все процессы, связанные со взрывами сверхновых и появлением пульсаров, должны были давно в нем закончиться.

«В нашей Галактике ни в одном из полутора сотен шаровых скоплений не наблюдается таких медленных рентгеновских пульсаров, — объясняет Иван Золотухин. — Это говорит о том, что ядро с чрезвычайно плотным расположением звезд в скоплении B091D намного больше, чем у обычного скопления. А значит, мы имеем дело с более крупным и довольно редким объектом — с плотным остатком небольшой галактики, которую некогда поглотила галактика Андромеды. Плотность звезд здесь где-то в десять миллионов раз выше, чем в окрестностях Солнца, и область эта тянется примерно на 2,5 световых года».

По мнению ученых, именно обширная область сверхвысокой плотности звезд в скоплении B091D позволила нейтронной звезде около миллиона лет назад захватить компаньонку и начать процесс ускорения и «омоложения».

Исследование XB091D было проведено совместно с астрономами Обсерватории Кальяри (Италия), Исследовательского центра астрофизики и планетологии НЦНИ (IRAP CNRS) Франции и Университета Тулузы (Франция). Частичное финансирование обеспечили гранты Российского научного фонда.