Почему «спокойный» пульсар после многих лет молчания внезапно трижды ускорил вращение

Пульсары считаются одними из самых точных природных часов во Вселенной. Некоторые из них вращаются настолько стабильно, что время прихода их радиоимпульсов можно предсказывать с исключительной точностью. Но иногда эти космические часы неожиданно начинают спешить: частота вращения нейтронной звезды внезапно увеличивается. Такое событие астрономы называют глитчем, или сбоем вращения. Теперь три подобных события обнаружили у PSR J1637−4642 – молодого пульсара, который долгое время казался совершенно спокойным.

Открытие стало результатом анализа 15,5 года наблюдений, полученных с февраля 2009-го по октябрь 2024 года радиотелескопом Мурриянг, более известным как Паркс, в Австралии. Исследователи под руководством Чжаои Вана из Сямэньского университета нашли в данных сразу три глитча. Работа появилась на сервере препринтов arXiv и была принята к публикации в Astrophysical Journal Letters.

PSR J1637−4642 по человеческим меркам невероятно древний объект, но среди нейтронных звезд считается молодым: его характерный возраст оценивается примерно в 41 тысячу лет. Один оборот он совершает примерно за 154 миллисекунды, то есть вращается около 6,5 раза в секунду. При этом долгое отсутствие известных сбоев выглядело несколько необычно, поскольку именно молодые пульсары часто демонстрируют сложные изменения вращения.

Нейтронная звезда представляет собой остаток ядра массивной звезды после взрыва сверхновой. При диаметре порядка нескольких десятков километров она может содержать массу, сопоставимую с массой Солнца. Вещество внутри сжато до состояний, которые невозможно воспроизвести в обычных земных условиях. Поэтому наблюдение за вращением пульсара становится одним из немногих способов заглянуть в физику его недр.

Первый обнаруженный глитч PSR J1637−4642 произошел примерно в 2018 году и оказался самым крупным. Частота вращения увеличилась примерно на 17,54 микрогерца. В относительных величинах изменение составило около 2,7 миллионной доли. На первый взгляд это почти ничто, но для объекта, чье вращение отслеживается по исключительно регулярным радиоимпульсам, скачок огромен.

Примерно через три года произошел второй сбой – гораздо слабее первого. Частота увеличилась приблизительно на 14 наногерц. Еще через 2,7 года последовал третий глитч с изменением примерно на 179 наногерц. Таким образом, звезда, которую более десяти лет можно было считать спокойной, оказалась системой, способной демонстрировать события совершенно разного масштаба.

Что способно заставить целую нейтронную звезду внезапно вращаться быстрее? Наиболее распространенное объяснение связано с необычным устройством ее внутренней части. Под твердой корой нейтроны могут находиться в сверхтекучем состоянии – особой квантовой фазе вещества, способной двигаться практически без обычного внутреннего трения.

По мере того как пульсар теряет энергию, его внешняя кора постепенно замедляет вращение. Но сверхтекучая компонента внутри может вести себя иначе. Между ней и корой возникает разница угловых скоростей, словно две вложенные друг в друга вращающиеся системы постепенно рассинхронизируются. В определенный момент часть накопленного углового момента может резко передаться коре. Для наблюдателя это и выглядит как внезапное ускорение пульсара.

Особенно много информации дал крупнейший глитч. После скачка звезда не просто продолжила вращаться с новой постоянной скоростью. Часть изменения постепенно исчезала – система словно приходила в себя после внутренней перестройки. Характерное время такой релаксации исследователи оценили примерно в 102 дня.

Моделирование позволило сделать еще один интересный вывод. Около 1,9% момента инерции нейтронной звезды в рассматриваемой модели оказалось связано со сверхтекучей компонентой внутренней коры, участвующей в процессе. Для астрофизиков глитч поэтому является не просто нарушением точности космических часов. Это своего рода эксперимент, который сама нейтронная звезда проводит над собственными недрами.

Есть наглядная аналогия. Представим вращающийся сосуд, внутри которого находится жидкость, способная некоторое время сохранять собственный режим движения. Если внешняя оболочка постепенно тормозится, между ней и внутренней средой накапливается рассогласование. Когда связь между ними резко усиливается, часть вращательного движения передается оболочке, и та неожиданно ускоряется. В нейтронной звезде этот процесс происходит в экстремальной плотности и связан с квантовой физикой сверхтекучего вещества.

Однако механизм глитчей пока нельзя считать окончательно установленным. Сверхтекучие нейтроны являются ведущим объяснением, но детали передачи углового момента, структура коры и состояние вещества глубже внутри звезды продолжают обсуждаться. Именно поэтому обнаружение каждого нового глитча дает дополнительные ограничения для теоретических моделей.

PSR J1637−4642 особенно интересен своим длительным периодом кажущегося спокойствия. Отсутствие глитчей на протяжении многих лет вовсе не означало, что внутри звезды ничего не происходило. Возможно, напряжение и разница вращения между компонентами постепенно накапливались, пока система не достигла состояния, при котором произошла резкая перестройка.

Это делает длительные наблюдения принципиально важными. Если бы астрономы следили за пульсаром только несколько лет, PSR J1637−4642 так и остался бы в каталоге относительно спокойных объектов. Пятнадцатилетняя история показала совершенно другую картину. Иногда, чтобы обнаружить физику, происходящую в глубине нейтронной звезды, нужен не более мощный телескоп, а просто достаточно долгое терпение.