NICER НАСА создал первую карту поверхности пульсара J0030

Астрофизики перерисовывают хрестоматийное изображение пульсаров, плотных, вращающихся остатков взорванных звезд, благодаря "Исследователю внутреннего состава нейтронных звезд" (NICER), а также рентгеновскому телескопу на борту Международной космической станции. Используя более точные данные, ученые получили первые точные и надежные измерения - как размера пульсара, так и его массу, а также первую в истории карту горячих точек на его поверхности.

Рассматриваемый пульсар, J0030 + 0451 (сокращенно J0030), находится в изолированной области пространства на расстоянии 1100 световых лет в созвездии Рыбы. Измеряя вес и пропорции пульсара, NICER обнаружил, что формы и местоположения «горячих точек» на поверхности пульсара выглядят гораздо страннее, чем они считали ранее.

"Со своего рабочего места на космической станции NICER революционизирует наше понимание пульсаров", - сказал Пол Герц, директор отдела астрофизики в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. "Пульсары были открыты более 50 лет назад как маяки звезд, которые свернулись в плотные ядра, ведя себя не так, как все, что мы видим на Земле. С NICER мы можем исследовать природу этих плотных остатков способами, которые до сих пор казались невозможными».

Серия статей, в которых анализируются наблюдения NICER относительно J0030, опубликована в тематическом выпуске The Astrophysical Journal Letters и теперь доступна в Интернете.

Когда массивная звезда умирает, у нее заканчивается топливо, она коллапсирует под действием собственного веса и взрывается как сверхновая. Эти звездные смерти могут привести к нейтронной звезде, которая имеют массу больше массы нашего Солнца, а диаметром около 21 км. Пульсары, которые относятся к классу нейтронных звезд, вращаются до сотни раз в секунду и с каждым вращением направляют к нам пучки энергии. J0030 вращается со скоростью 205 раз в секунду.

В течение десятилетий ученые пытались выяснить, как именно работают пульсары. В простейшей модели пульсар обладает мощным магнитным полем, очень похожим на бытовой стержневой магнит. Поле настолько сильное, что отрывает частицы от поверхности пульсара и ускоряет их. Некоторые частицы следуют за магнитным полем и ударяются о противоположную сторону, нагревая поверхность и создавая горячие точки на магнитных полюсах. Весь пульсар слабо светится в рентгеновских лучах, но горячие точки становятся ярче. Когда объект вращается, эти пятна появляются и исчезают, как лучи, создавая чрезвычайно регулярные изменения яркости рентгеновского излучения объекта. Но новые исследования NICER J0030 показывают, что пульсары не так просты, как кажется с первого взгляда.

Используя наблюдения NICER с июля 2017 года по декабрь 2018 года, две группы ученых нанесли на карту «горячие точки» J0030, используя независимые методы, и сходились в аналогичных результатах о его массе и размерах. Команда во главе с Томасом Райли, докторантом в области вычислительной астрофизики и его научным руководителем Анной Уоттс, профессором астрофизики в Амстердамском университете, определили, что пульсар в 1,3 раза больше массы Солнца и 25,4 км в ширину. Коул Миллер, профессор астрономии в Университете штата Мэриленд (UMD), который возглавлял вторую команду обнаружил, что J0030 примерно в 1,4 раза больше массы Солнца и немного больше, примерно 26 километров в ширину.

«Когда мы впервые начали работать с J0030, наше понимание того, как сделать модель пульсара, было неполным, и оно все еще существует», - сказал Райли. «Но благодаря подробным данным NICER, инструментам с открытым исходным кодом, высокопроизводительным компьютерам и отличной командной у нас теперь есть структура для разработки более реалистичных моделей этих объектов».

Пульсар настолько плотен, что его гравитация искажает близкое к нему пространство-время - «ткань» вселенной, описанную общей теорией относительности Эйнштейна, - почти так же, как шар для боулинга на батуте растягивает поверхность. Пространство-время настолько искажено, что свет со стороны пульсара, обращенного от нас, «искривляется» и перенаправляется на нас. Это заставляет звезду выглядеть больше, чем она есть. Эффект также означает, что горячие точки могут никогда полностью не исчезать, поскольку они вращаются к дальней стороне звезды. NICER измеряет приход каждой вспышки рентгеновского излучения от пульсара с точностью до ста наносекунд, с точностью, примерно в 20 раз превышающей доступную ранее, поэтому ученые могут воспользоваться этим эффектом впервые.

«Беспрецедентные рентгеновские измерения NICER позволили нам сделать самые точные и надежные расчеты размера пульсара на сегодняшний день с неопределенностью менее 10%», - сказал Миллер. «Вся команда NICER внесла важный вклад в фундаментальную физику, которую невозможно исследовать в наземных лабораториях».