ДВЕ МЁРТВЫЕ ЗВЕЗДЫ НА САМОЙ ВЫТЯНУТОЙ ОРБИТЕ ИЗ ВСЕХ ИЗВЕСТНЫХ

Пары нейтронных звёзд — сколлапсировавших ядер, оставшихся от массивных звёзд, — обращаются друг вокруг друга и медленно теряют энергию на гравитационные волны. Первую такую пару нашли в 1974 году (PSR B1913+16), сегодня известно более 30. Некоторые в конце концов сливаются, порождая события вроде GW170817 и GW190425, зарегистрированных LIGO. Сколько таких пар выживает в Млечном Пути и на каких орбитах — базовые вопросы для гравитационно-волновой астрономии и для истории эволюции двойных звёзд.

Рекордная орбита

PSR J0653+0443 — пульсар, то есть нейтронная звезда, чей радиолуч проходит по Земле, как луч маяка. Он совершает один оборот каждые 47,5 миллисекунды. Впервые его обнаружил китайский Пятисотметровый сферический радиотелескоп (FAST) 20 ноября 2022 года; он находится примерно в 1 килопарсеке от нас (около 3000 световых лет), в рукаве Персея нашей Галактики.

Измеряя время прихода его импульсов больше двух лет, Ч. Л. Ян (Z. L. Yang), Ц. Л. Хань (J. L. Han) и коллеги из Национальных астрономических обсерваторий Китая и университетов-партнёров обнаружили, что он обращается вокруг другой нейтронной звезды. Массы: 1,38 солнечной массы у пульсара и 1,44 у компаньона.

Орбита исключительная:

период 79,084 суток — самый длинный среди всех известных двойных нейтронных звёзд;
эксцентриситет — 0 для окружности, близко к 1 для орбиты, вытянутой почти в незамкнутую кривую, — 0,99238692 — самый высокий из когда-либо измеренных для пары звёзд; предыдущий рекорд, для обычной двойной звезды, составлял 0,985;
всего 46 минут, чтобы перейти с одной стороны компаньона на другую, тогда как большую часть 79 суток звёзды проводят вдали друг от друга;
в точке наибольшего сближения — расстояние 0,83 радиуса Солнца, около 580 000 км — меньше собственного радиуса Солнца, — и относительная скорость 1140 километров в секунду, наибольшая среди всех известных двойных нейтронных звёзд.

FAST — неподвижная чаша: он видит лишь полосу неба над собой, и наибольшее сближение не всегда попадает в неё. С 2025 по 2028 год в его поле зрения попадают лишь два прохождения: 19 февраля 2025 года и 21 апреля 2027 года. Команда отслеживала первое в течение двух часов, проводя одно измерение в минуту.

Затмение и качающийся эллипс

Во время этого прохождения радиосигнал пульсара пропал на 85 секунд, когда тот прошёл за магнитным окружением компаньона. Это значит, что мы видим орбиту почти с ребра. Это лишь второе затмение, когда-либо замеченное в двойной нейтронной звезде, после знаменитого двойного пульсара PSR J0737−3039A.

Общая теория относительности заставляет эллипс медленно поворачиваться — это смещение периастра — точка наибольшего сближения на орбите медленно ползёт по кругу, — измеренное здесь как 0,017791 градуса в год, в точности как предсказано. Но это смещение неравномерно: вблизи наибольшего сближения оно ускоряется. На этой почти параболической орбите ориентация орбиты меняется прямо во время прохождения, то приближая пульсар к нам, то удаляя его, и его импульсы приходят то раньше, то позже — на от −2,91 до +2,49 миллисекунды, более чем в десять раз больше, чем в любой другой подобной системе.

Рождённые сильным толчком

Считается, что такие пары возникают из двух массивных звёзд, взрывающихся одна за другой. По мнению авторов, экстремальный эксцентриситет мог возникнуть только из-за сильного «толчка» (kick), который получила вторая нейтронная звезда при коллапсе железного ядра породившей её звезды. Моделирование указывает на толчок более примерно 400 километров в секунду.

Авторы также смоделировали около миллиарда массивных двойных систем. Среди выживших двойных нейтронных звёзд пары с эксцентриситетом выше 0,95 и периодом от 50 до 110 суток составляют менее 0,5%. И всё же эта обнаружилась среди всего 28 известных вне шаровых скоплений, в диске Галактики. По словам авторов, «либо нам очень повезло, либо современная теория эволюции двойных систем и нынешнее понимание сверхновых с коллапсом ядра нуждаются в изменениях».

Всплески гравитационных волн

Поскольку звёзды сближаются лишь раз в 79 дней, они излучают гравитационные волны периодическими всплесками. Пик излучения приходится примерно на 0,357 миллигерца — один цикл каждые 47 минут, столько же длится само сближение. Это слишком слабо для планируемых космических гравитационно-волновых обсерваторий LISA, Taiji и TianQin, но предложенные будущие концепции вроде LISAmax смогли бы зарегистрировать его за десять лет. Пара сольётся примерно через 2,5 миллиарда лет событием, подобным GW170817.