вращение звёзд

Оркестр играет, хотя дирижёра никто не видит. Музыканты — заряженные частицы в магнитосфере пульсара, а партитура — электрические и магнитные поля, рождённые вращением сверхплотной звезды. Но в этой партитуре есть правки, внесённые невидимой рукой: аксионной гривой, облаком гипотетических частиц, которое окутывает нейтронную звезду.

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

Миллион орбит — одна и та же партитура. Девять гало тёмной материи — девять оркестров без дирижёра. Все музыканты играют по одним нотам, но в каждом зале музыка звучит иначе: где-то стройно, где-то с рассинхронизацией. Так и спутниковые галактики, падая в гало хозяина, движутся по орбитам, которые зависят не только от массы, но и от формы невидимой сцены.

Это как рекорд в беге на короткую дистанцию: чтобы побить его, нужна идеальная разбежка. Но у субмиллисекундных пульсаров разбежка слишком коротка. Самый быстрый известный пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду — быстрее кухонного блендера. Если бы он был размером с Землю, точка на его экваторе двигалась бы со скоростью около 0,24 скорости света.

Звёзды похожи на волчки: рождаются быстрыми, а со временем замедляются. Этот процесс — как песочные часы: чем медленнее вращается звезда, тем она старше. Астрономы используют эту закономерность, чтобы определять возраст звёзд, но для этого нужны эталонные группы звёзд с известным возрастом.

Стелларатор — термоядерный реактор, напоминающий хитроумно скрученный магнитный кокон. Его задача — удержать раскалённую плазму, чтобы ядра водорода сливались и давали энергию. Но трёхмерная форма кокона создаёт щели: некоторые частицы вылетают наружу, особенно самые быстрые ионы, которые несут главный жар.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Солнечная корона — внешняя, разреженная и чрезвычайно горячая атмосфера Солнца — живёт своей бурной жизнью. Магнитные поля здесь подчиняются движениям плотной поверхности — фотосферы, но иногда сами переписывают магнитный рисунок.

В самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

Двести восемьдесят девять дней — именно столько длится один оборот белого карлика WD 1532+129. Это не просто рекорд: на его поверхности, у магнитных полюсов, проступают шрамы из железа и других металлов — немые свидетельства планет, которые он поглотил.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

Маяк в открытом море не только вращается — его лампа сама по себе то тускнеет, то разгорается. Примерно так ведут себя магнитные белые карлики, сверхплотные остатки звёзд вроде нашего Солнца. Их мощные магнитные поля способны превращать свет в аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить скрытую массу Вселенной.

Винтовая лестница, по которой катятся шарики. Одни закручены вправо, другие влево. Ступеньки устроены так, что правозакрученные проскакивают быстрее, а левые застревают. Примерно то же самое происходит внутри спиральных молекул — например, в двойной спирали ДНК. Электроны, пролетая сквозь неё, делятся на два сорта по направлению своего внутреннего вращения (спина).

В центре многих галактик вращаются космические волчки невероятной мощи — сверхмассивные чёрные дыры. Их природу первым описал Шварцшильд сразу после того, как Эйнштейн подарил миру общую теорию относительности. Спин — такой же фундаментальный параметр, как масса, но куда более неуловимый.

Астрофизики десятилетиями выстраивали стройную картину: галактика, подобно гигантской карусели, вращается в едином ритме, и расположенная в её центре сверхмассивная чёрная дыра наследует этот танец.

В центре плотного звёздного скопления царит настоящая кузница: здесь звёзды, словно раскалённые заготовки, сталкиваются и сливаются под действием гравитации, и эти слияния — не катастрофа, а возможность. Каждый удар звёздного молота передаёт будущей чёрной дыре вращение.

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

В основе варп-двигателя лежит идея Эйнштейна о том, что массивные тела искривляют пространство-время — ту самую сцену, на которой разворачиваются все космические события. Представьте себе пузырь такого искривлённого пространства-времени. Внутри него корабль парит без перегрузок — как пассажир в салоне самолёта, не чувствующий встречного ветра.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно на небе. Её тень ложится на светящийся фон из падающего вещества и хранит отпечаток самой геометрии пространства. Если гравитация устроена хоть немного иначе, чем мы привыкли думать, тень это выдаст. В новой работе физики проследили за лучами света в окрестностях вращающейся чёрной дыры в так называемой гравитации Расталла.

Когда две сверхплотные звезды кружатся в тесном танце, пространство вокруг них дрожит. Эту дрожь — гравитационные волны — ловят гигантские детекторы на Земле. Но расшифровать сигнал непросто: нужно понять, с чем именно мы столкнулись — с парой чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Нейтронная звезда — это огрызок взорвавшегося гиганта, сжатый до размеров города. Чайная ложка её вещества весит миллиард тонн. Внутри такой звезды частицы упакованы так плотно, что начинают проявляться квантовые эффекты. Один из них — собственное вращение частиц, или спин.

В центрах галактик, где сверхмассивные чёрные дыры дремлют в окружении звёздных роёв, иногда вспыхивают огни чудовищной силы — приливные разрушения. Но некоторые из этих событий ведут себя необычно: повторяются снова и снова, и каждое новое возгорание тусклее предыдущего.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Нейтронная звезда — это шар размером с город, но с массой, как у целого Солнца. Магнитное поле там способно разорвать атомы на расстоянии в тысячи километров.

Два стремительных потока заряженных частиц сталкиваются — и магнитные силовые линии начинают рваться и пересоединяться. Этот процесс питает вспышки на Солнце и полярные сияния. Обычно считалось, что все частицы ведут себя одинаково, как пули из одного ружья. Но у каждой частицы есть крошечный волчок — собственное вращение, или спин.

Юла, которая вращается и при этом слегка покачивается, — примерно так, по мнению астрономов, ведёт себя нейтронная звезда в двойной системе Геркулес X-1. Полный оборот вокруг своей оси она делает за секунду, но её ось медленно описывает конус с периодом в 35 дней.

Карусель кружит всех лошадок в одну сторону, но одна упрямо скачет навстречу остальным. Именно так ведёт себя планета TOI-1710 b вокруг своей звезды. С помощью инструментов HARPS-N и GIANO-B астрономы измерили её наклон — 149 градусов. Это почти разворот на 180, то есть планета летит по орбите «задом наперёд» относительно вращения светила. Такое обратное движение называют ретроградным.

Нейтронная звезда — это стремительно вращающийся объект массой с Солнце, сжатый до размеров города, возникающий в результате взрыва сверхновой. Обычно её вращение постепенно замедляется, но иногда, без видимых причин, происходит внезапное ускорение — глитч.

Звёзды на окраинах галактик вращаются неожиданно быстро. Согласно ньютоновской механике, чем дальше от центра, тем медленнее должно быть движение — как в хороводе, где крайние участники идут тише. Но в реальности звёздные окраины несутся почти с той же скоростью, что и ядро, напоминая огромную карусель: на ней внешние лошадки проносятся быстрее, чтобы не отстать от внутренних.

Нейтронная звезда — это сжатое ядро погибшего светила, объект размером с город, но с чудовищной плотностью. Некоторые из таких звёзд становятся пульсарами — космическими маяками, испускающими строго периодические импульсы излучения. Их магнитное поле в миллиарды раз сильнее земного; у магнитных полюсов оно вырывается наружу бурным фонтаном плазмы.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

Звезда 31 Орла — это пожилая звезда, которая раздулась и стала субгигантом. Когда-то она была похожа на Солнце, но теперь остыла и увеличилась в размерах. Вращается она очень медленно — один оборот занимает много дней.

Крутящаяся на столе монетка — знакомое всем зрелище. Сначала она быстро вращается, потом кренится, и её стук становится всё чаще. В последние секунды она будто зависает: вращение замедляется, но монетка никак не хочет окончательно лечь. Этот финальный момент — настоящая загадка для физиков.

Звезда GJ 504 — почти двойник нашего Солнца по возрасту — демонстрирует необычайно резвое вращение: полный оборот она совершает всего за 3,4 земных дня, при этом активно излучая в рентгеновском диапазоне. Для сравнения: типичные звёзды-ровесницы Солнца вращаются куда медленнее, словно утратив былую энергию.

В 2019 году детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния далёких объектов. Один из них был чёрной дырой в 23 массы Солнца. Второй весил всего 2,5 солнечных массы — и это странно. Обычно нейтронные звёзды не бывают тяжелее двух масс Солнца: при большей массе они сжимаются в чёрную дыру.

Молодая звезда RY Tau похожа на капризный волчок. Вокруг нее крутится плоский диск из газа и пыли — остатки того облака, из которого звезда родилась. Часть вещества из диска звезда притягивает к себе, как пылесос, а часть выбрасывает обратно узким конусом ветра, как фонтан. Астрономы 11 лет, с 2013 по 2024 год, каждую ясную ночь записывали спектр звезды и ее яркость.

Молодая звезда напоминает многослойный волчок: её внешние слои вращаются медленнее, а внутренние — быстрее. Это явление называют дифференциальным вращением. Магнитное поле здесь — как прочные нити, связывающие эти слои. Когда скорости разные, нити начинают скручиваться и натягиваться всё сильнее.

Солнце вращается не как единое целое: его экватор делает оборот быстрее, чем полюса. Эта разница в скорости вращения создаёт слои, которые движутся с разной скоростью — как течения в океане на разных глубинах. Учёные давно подозревали, что именно эти течения отвечают за магнитное поле Солнца, но не могли точно сказать, где именно оно рождается.

Короткие гамма-всплески — это колоссальные взрывы, за доли секунды выбрасывающие энергию, сопоставимую с той, что наше Солнце излучит за миллиарды лет. Традиционно их источником считают чёрную дыру с аккреционным диском из раскалённой плазмы, образующуюся при слиянии двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков массивных светил.