Что такое пульсары и как их использовать
Пульсары
Пульсары — это космические источники радио, оптического, рентгеновского, гамма – излучений. Они (излучения) приходят на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).
Таинственные пульсары были открыты в конце шестидесятых годов прошлого столетия. А точнее — в июне 1967 года. Открытие сделала Джоселин Белл, аспирантка физика Э. Хьюиша. Использованным в ходе работы инструментом был меридианный радиотелескоп. Он установлен в Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета. Именно с помощью этого прибора Белл открыла первый источник импульсного излучения, названный впоследствии пульсаром.
В феврале 1968 года в прессе было опубликовано сообщение об открытии внеземных радиоисточников. Они отличались быстро-переменной высокостабильной частотой неизвестного происхождения. Это событие вызвало сенсацию в научном обществе. Уже к концу 1968 года мировыми обсерваториями были открыты еще некоторые пульсары. Не менее 58 подобных объектов. После внимательного изучения их свойств астрофизики пришли к выводу, что пульсары – это не что иное, как нейтронные звезды. И эти звезды испускают узконаправленный поток радиоизлучения (импульс) через равный промежуток времени. И поскольку они вращаются, иногда этот поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя.
Загадочные пульсары
Пульсары – это одни из самых загадочных объектов Вселенной. И их пристально изучают астрофизики всей планеты. Однако только в наши дни приоткрылась завеса над природой рождения и жизни пульсаров. Наблюдения показали, что их образование происходит после гравитационного коллапса старых звёзд.
Превращение протонов и электронов в нейтроны с образованием нейтрино (нейтронизация), происходит при невообразимо огромных плотностях вещества. Другими словами, обычная звезда, массой примерно в три наших Солнца, сжимается до размеров шара, имеющего диаметр в 10 км. Так образовывается нейтронная звезда, верхние слои которой «утрамбованы» до плотности 104 г/см3, а слои её центра до 1014 г/см3. В этом состоянии нейтронная звезда похожа на атомное ядро невообразимо огромных размеров. И которое имеет температуру в сотню миллионов градусов по Кельвину. Считается, что самое плотное вещество во Вселенной находится именно внутри нейтронных звёзд.
Кроме нейтронов в центральных областях звезды находятся сверхтяжёлые элементарные частицы – гипероны. Они крайне нестабильны в условиях Земли.
Возникающие иногда странные явления — «звёздотрясения», происходящие в коре пульсаров, очень напоминают аналог земных.
После открытия нейтронной звезды некоторое время результаты наблюдения скрывались от общественности. Поскольку была выдвинута версия об искусственном происхождении полученных сигналов. Именно в связи с этой гипотезой первый пульсар получил название LGM-1 (сокр. от Little Green Men – «маленькие зелёные человечки»).
С открытием пульсаров уже не кажется такой уж и бредовой идея, что небо полно алмазных звёзд. Красивое поэтическое сравнение теперь стало явью. Совсем недавно возле пульсара PSR J1719−1438 учёные обнаружили планету, которая представляет собой необъятных размеров алмазный кристалл. Её вес сродни весу Юпитера. А диаметр в пять раз больше диаметра нашей планеты.
Сколько живут пульсары?
Изначально считалось, что самый короткий период пульсара имел значение 0,333 секунды. Однако это оказалось не так! В созвездии Лисичка в 1982 году обсерваторией Аресибо (Пуэрто-Рико) был зафиксирован пульсар с периодом 1, 558 миллисекунды! Он находится на расстоянии больше восьми тысяч световых лет от Земли. Окружённый остатками горячей туманности, этот пульсар образовался после взрыва, произошедшего около 7500 лет назад. Последний миг жизни одной из взорвавшихся старых звёзд стал рождением сверхновой, которая будет существовать ещё 300 миллионов лет.
После открытия первых нейтронных звёзд прошло более сорока лет. Сегодня известно, что они являются источниками регулярных импульсов рентгеновского и радиоизлучения. Но тем не менее остаётся и другой вариант. Возможно, пульсары вполне могут служить небесными радиомаяками, используемыми внеземными цивилизациями из других галактик при их перемещениях в космическом пространстве.
Виды и особенности пульсаров
Как известно, пульсары появляются после вспышек сверхновых звёзд. Можно сказать, это продукт данных вспышек. Но бывают разные виды вспышек и пульсаров.
Первый пульсар открыл в 1967 году Энтони Хьюиш.
Строение и состав пульсаров рассматриваются только теоретически и с помощью математических расчётов. Главным образом состоят они из нейтронов, которые составляют ядро. Причем в центре наблюдается наибольшая плотность, превышающая ядерную в несколько раз.
В их небольшой атмосфере сконцентрировано всё излучение. Покрывает это скопление кора из плотно расположенных электронов и ионов.
Э́нтони Хью́иш — английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1974 года
Миллисекундные пульсары
Также пульсар является вращающейся нейтронной звездой. Поскольку периоды вращения тела короткие, то он должен иметь плотную структуру.
Как оказалось, у разных пульсаров время оборота может быть разное. Таким образом, учёные выделили миллисекундные пульсары. Надо сказать, что это одни из самых старых объектов, которые имеют слабое магнитное поле. Такие объекты характеризуются периодом вращения от одной до десяти миллисекунд.
Пульсар PSR J1748-2446ad
Их происхождение носит теоретический характер. Считается, что ранее это были пульсары с небольшим временем оборота, который со временем увеличился. Поэтому многие называют их раскрученными.
Рентгеновские пульсары
Это тип нейтронных звёзд, которые испускают рентгеновское излучение. Такой источник космического излучения характеризуется переменными импульсами.
К удивлению, это тесная двойная система, состоящая из обычной звезды и нейтронной.
Радиопульсары
Они составляют большую группу. Это космические объекты, с периодически повторяющимися импульсами. Зафиксировать их можно, например, с помощью радиотелескопа.
Радиопульсар PSR B1913+16 (двойной пульсар)
Оптические пульсары
Помимо всего прочего, установлено, что существуют оптические пульсары. Их излучение можно обнаружить в оптическом диапазоне электромагнитного спектра.
Пульсар Vela
Гамма-пульсары
На самом деле, это самые мощные источники гамма-излучения во Вселенной. Как известно, гамма- это электромагнитное излучение, которое имеет малую длину волн. К тому же, это определённый поток фотонов, обладающий высокой энергией.
Магнетары
По данным учёных, в космосе существуют нейтронные звёзды, с невероятно сильным магнитным полем. Такие объекты возникают при условии достаточной массы звезды перед взрывом. Они получили название магнетары.
Сначала астрономы только предполагали их наличие, но в 1998 году получили доказательство своих теорий. Удалось зафиксировать мощную вспышку рентгеновского и гамма-излучения от одного из объектов в созвездии Орла.
На данный момент это малоизученные космические тела. Поэтому они являются одними из загадочных объектов Вселенной, и разумеется, интересными.
Представление магнетара
Важно, что наблюдать пульсар можно, если он находится под определённым углом вращения.
К сожалению, учёные так и не пришли к выводу, почему умершая звезда становится источником излучения, и что заставляет некоторые её части стремительно вращаться. Но не исключено, что мы докопаемся до истины.
Пульсары
Наверное, не каждому будет знаком знаменитый сигнал «Wow!», обнаруженный на телескопе «Большое Ухо» в рамках проекта SETI, по поиску сигналов внеземного разума. Десятилетия люди пытались объяснить его природу и повторно зарегистрировать. Была даже версия что это инопланетные цивилизации. На сегодняшний день существуют версии объяснения происхождения сигнала и без всякого внеземного разума. Вокруг сигнала «Wow!», было много шумихи в СМИ, о нём многие знают. Притом что сам сигнал напрямую не привёл к каким-то фундаментальным открытием. Но, с другой стороны показания на бумажной ленте, на которой чернилами фиксировались наблюдения телескопа, и небольшая аномалия привела к очень важному открытию в истории астрофизики и к Нобелевской премии. Благодаря этому были открыты пульсары.
Как был открыт первый пульсар
В середине 60-х годов XX века в Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджа строился новый радиотелескоп для наблюдения за контактными радиоисточниками. Телескоп использовал свежие изобретённый метод мерцаний. Если кратко метод основан на том, что точечные радиоисточники, как бы мерцают для наблюдателя на Земле, когда сигнал проходит сквозь солнечный ветер в межпланетном пространстве и сильнее мерцает из-за солнечного ветра, именно компактные объекты.
Телескоп был спроектирован Энтони Хьюишем, по площади занимал пару десятков тысяч квадратных метров, что как два с половиной футбольных поля. Джоселин Белл Бернелл аспирантка Хьюиш и ещё несколько человек своими руками вбили тысячу столбов в Землю. Протянули между ними около 200 километров кабеля и установили 2048 одно волновых симметричных вибратора. Такие вибраторы могут быть как самостоятельными антеннами, так и работать, как часть антенны.
Простая и дешёвая даже по тем временам конструкция, но в результате получился достаточно высокочувствительный радиотелескоп. Система могла просканировать значительный участок всего неба раз в четыре дня. Когда телескоп сканировал небо, данные выводились на бумажные рулоны с тремя дорожками. Каждый день наблюдений накапливал 30 метров бумаги с данными, и их анализировала вручную сама Джоселин Белл.
На начальном этапе было специально принято решение, что данные визуально осматривают именно человек, не компьютер, пока не станет ясно понимание поведения телескопа. Ведь человек мог распознать сигналы разного характера. После анализа сотен метров бумажных рулонов с данными, Джоселин Белл легко научилась распознавать, как и космические точечные мерцающие радиоисточники, так и помехи земного происхождения.
В 1967 году через несколько недель после начала работы телескопа, Джоселин Белл обнаружила в данных странный сигнал, который повторялся через промежутки, и он был непохож скажем на квазар или на помехи с Земли. Давайте посмотрим на него поближе. Записи понятный не в оригинальном качестве, но кое-что можно разглядеть.
Вот нужный нам сигнал, а вот помехи. Даже при таком качестве мы видим одно из отличий. Справа расстояние между пиками больше, и мы даже можем видеть между ними пустое пространство. Однако слева мы не видим таких пробелов, это говорит о том, что частота сигнала выше. При такой скорости движения бумаги, перо просто как бы закрасила участок. И чтобы рассмотреть неизвестный сигнал в лучших деталях и добиться большего разрешения, нужно было просто быстрее двигать бумагу под пером. Правда, тогда рулон заканчивался за 20 минут и его нужно было постоянно менять. Преодолев некоторые трудности, всё же удалось записать сигнал с более быстрым движением бумаги, и они увидели следующее.
Это оказались серии импульсов, интенсивность самих импульсов могла меняться, но удивительно что они шли через совершенно равные промежутки в 1,3 секунды. В звуковой форме это звучало бы так.
Ничего подобного раньше находить не доводилось. Энтони Хьюиш, Джоселин Белл с помощью других учёных пытались разобраться в природе этих сигналов. Они выглядели так, будто они искусственного происхождения. Вариант, что это дефект самого оборудование отмели, пронаблюдав сигнал на других телескопах. Были версии, что это сигнал Земли, отражённые от Луны, спутник или аномальный эффект от металлического здания неподалёку, но это тоже исключили, ведь сигнал двигался вместе со звёздами, а значит не был земного происхождения.
Дальнейшие измерения показали, что сигнал исходит из-за пределов Солнечной системы, но находится внутри нашей галактики. Итак, ритмичный, повторяющийся с высокой точностью, через равные промежутки времени, сигнал будто кем-то созданный. Да ещё и исходящие из-за пределов Солнечной системы. Конечно, у учёных возникла мысль, что это может быть сигнал от внеземной цивилизации. Первые сигналы даже помечали аббревиатурой LGM-1 (Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Если бы сигнал исходил от планеты и по мере её движения по орбите, можно было бы зарегистрировать доплеровское смещение, однако она не была обнаружена. Было обнаружено лишь смещение, которое зависит от движения Земли по орбите вокруг Солнца. Кроме того, были найдены и другие сигналы с очень похожим периодом. Так что посчитали маловероятным, что это инопланетяне посылают именно нам одинаковые сигналы из разных участков галактики, а жаль.
Несколько месяцев находка держалось в секрете, пока искали других кандидатов. Ведь одного-единственного сигнала для публикации было недостаточно. И, в конце концов, в 1968 году в журнале «Nature» было опубликовано статья, в которой миру рассказали об обнаружении быстро пульсирующих радиосигналах. Там учёные предположили, что источниками сигналов могут быть либо белые карлики или нейтронные звёзды. Статья произвела фурор. Кстати, в ней самой ещё не употребляется название пульсар.
В 1974 году Энтони Хьюиш и Мартину Райлу за это открытие вручили Нобелевскую премию в области физики. Именно эти наблюдения пульсаров стали первыми доказательствами существования нейтронных звёзд. И, кстати, тот самый первый пульсар сейчас называют PSR B1919+21. Уже здесь он был помечен как 1919 по прямому восхождению. Пульсары стали открывать десятками, потом сотнями и постепенно мы пришли к современному пониманию того, чем являются пульсары.
Как образовывается
Наверняка вы видели такие изображения, см. ниже.
Это то, что впервые наблюдала на радиотелескопе Джоселин Белл и то, что мы сегодня называем пульсарами. Это такой тип, быстро вращающихся нейтронных звёзд с сильным магнитным полем.
Звёзды в течение большей части своей жизни на главной последовательности находится в гидростатическом равновесии, то есть силы гравитации звёзды, которые пытаются её сжать, уравновешенные направленным наружу давлением, которое возникает в процессах выработки энергии в результате ядерных реакций в центре звезды. Пока этот баланс поддерживается, звезда находится в стабильном состоянии на протяжении достаточно долгого срока. Хотя она и плавно нагревается, и становится ярче, по мере того как внутри звёзды расходуются топлива и повышается плотность.
Как долго звезда находится в этом балансе в основном зависит от её массы. Интуитивно может показаться, что, если звезда массивнее, значит, у неё больше топлива и, значит, она должна существовать дольше. Однако на деле всё наоборот. Больше масса, значит, выше давление, выше давление выше температура в центре, при которой протекает ядерные реакции, а, следовательно, скорость который поглощается топлива выше.
Как уже писалось, о сроках жизни нашего Солнца на главной последовательности 10 миллиардов лет, и сейчас мы примерно в середине. Менее массивные красные карлики могут перерабатывать водород в гелий десятки и даже сотни миллиардов лет. А вот звезда лишь в полтора раза массивнее нашего Солнца может прожить уже в 3 раза меньше. А срок жизни очень массивных звёзд вообще измеряется считаны миллионами. Когда же наше Солнце израсходует водород, расширится до красного гиганта, сбросит оболочку и в центре останется компактное ядро, белый карлик из углерода и кислорода.
Когда у недостаточно массивных, чтобы образовалась чёрная дыра, но более массивных, чем Солнце звёзд, примерно от 10 солнечных масс, заканчивается топливо, начинают производиться всё более тяжёлые элементы. Пока дело не доходит до железа, а затем происходит вспышка сверхновой, а ядро коллапсирует и в центре остаётся нейтронная звезда.
Ещё встречается вариант формирования нейтронной звезды, когда в двойной системе белый карлик поглощает материю звезды компаньона. Преодолевает предел Чандрасекара, вспыхивают сверхновые и становятся нейтронной звездой.
Масса нейтронных звёзд могут варьироваться от 1 до 3 масс Солнца, хотя верхний предел может оставаться под вопросом. Например, одна из наиболее массивных известных на сегодняшний день нейтронных звёзд пульсар PSR J2215+5135 с массой 2,3 солнечных, находится он к тому же в двойной системе. И при такой массе сопоставимой солнечной и даже больше, размер нейтронных звёзд лишь 10-20 километров в поперечнике. Представьте себе плотность, масса звезды в области пространства диаметром с город. Это одни из самых плотных известных объектов во Вселенной. Часто приводит пример, что масса кусочка нейтронной звезды размером с кусок сахара равна миллиарду тонн. Как понятно из названия состоят они в основном из нейтронов с небольшой примесью других частиц.
Что такое пульсар
Ну и давайте вернёмся к пульсарам, как я уже сказал пульсары — это тип нейтронных звёзд. Однако я не сказал, что среди известных нейтронных звёзд большинство — это пульсары. Итак, пульсар быстро вращается и у него очень мощное магнитное поле. Вдоль магнитных полюсов мы видим два потока ускоренных частиц и излучения. Часто ось вращения нейтронной звезды и ось магнитного поля не совпадает, как, например, у Земли и у некоторых других планет. Собственно, с этим и связано и название пульсар.
Мы видим пульсацию или периодическое излучение, когда луч пульсара поворачивается к нам.
Это часто сравнивают с тем, как луч света от маяка виден на корабле. Но, возможно, такое расположение нейтронной звезды, при котором луч не будет направлен на Землю и тогда мы не увидим пульсара, ну или, по крайней мере, радиопульсара. Первые пульсары были обнаружены в радиодиапазоне, однако они излучают и в других, например, в рентгеновском или даже гамма-диапазоне. Радиоизлучения пульсара более узко направлено, а вот, например, гамма шире. На этой ниже картинке показана ситуация, при которой радиопотоки не попадают на Землю, а вот гамма-излучения можно зафиксировать.
Почему у пульсара такие свойства
Откуда у пульсаров такая скорость вращения и такое магнитное поле. Что касается скорости, здесь всё объясняется законом сохранение момента импульса. Этот же эффект мы видим, когда фигурист сводит руки и его вращение ускоряется. До коллапса звезда и так вращалась, однако, когда значительная часть массы звезды уменьшилась в огромное количество раз в объёме, и за сохранение момента импульса, как и фигурист, она начала вращаться гораздо быстрее. Магнитные линии же при коллапсе переносятся, но становится ближе и на много порядков увеличивается интенсивность. Притом что пульсар размером всего с город, магнитные поля в триллионы раз мощнее нашей планеты. Период обращения одного обнаруженного пульсара как мы помним 1,3 секунды, что может показаться достаточно быстрым. Представьте себе 10-20 километровый шар совершает полный оборот за секунду с небольшим. А как это далеко от рекордсменов по скорости. Давайте приведём несколько примеров, а заодно их послушаем. Кстати, звуки, которые вы сейчас услышите напрямую соотноситься с данными наблюдений этих конкретных пульсаров.
Период пульсара PSR B0329+54 примерно 0,7 секунды, то есть за секунду он успевает сделать одну целую четыре десятых вращения. Давайте послушаем его.
А это известный пульсар в парусах, он совершает 11 оборотов в секунду.
Пульсар в центре Крабовидной туманности 30 оборотов в секунду, вот его звук.
Следующий уже миллисекунды пульсар PSR J0437−4715, мы уже не слышим отдельных импульсов, а скорее один тон ведь он вращается со скоростью сто семьдесят четыре раза в секунду.
И последний пример первый открытый миллисекундный пульсар PSR B1937+21 он совершает 642 оборота в секунду, он вращается с невообразимой скоростью в четверть скорости света, давайте его послушаем.
По периоду вращения он на втором месте среди всех известных пульсаров быстрее только пульсар PSR J1748−2446ad, который совершает 707 оборотов в секунду.
Предположительно существует предел периода обращения, он может составлять полторы тысячи оборотов в секунду, превысив его нейтронная звезда уже может разрушиться.
Но можно ли увидеть пульсар не с помощью радио или рентгеновского диапазона, а в видимом свете.
Да и их называют оптическими пульсарами, правда, их известно очень мало, от европейской южной обсерватории их всего 9. Это при том что всего известно более 2000 пульсаров. В этом списке оптических пульсаров есть и те, о которых мы уже говорили. Например, пульсар в центре знаменитый Крабовидной туманности. Вот снимок телескопа Хаббл пульсара.
Эта звезда в центральном круге, ну и, конечно, хочется увидеть это не виде статичных картинок, а в движение. Это замедленная анимация.
Как вы помните пульсар Крабовидной туманности делает 30 оборотов в секунду, а это потрясающая анимация из 24 наблюдений Хаббла в окружении пульсара в видимом диапазоне. Мы видим струи и кольца вокруг пульсара в динамике.
По оценкам учёных в нашей галактике может быть около миллиарда нейтронных звёзд. Однако, как уже сказано, что пока было обнаружено лишь более 2000 пульсаров и большинство нейтронных звёзд это и есть пульсары. Почему же мы так мало их находим. Во-первых, это их возраст. Хоть периодичность пульсаров и настолько предсказуемо, что их можно использовать как высокоточные часы, они не будут так вращаться и излучать вечно. Возраст большинства нейтронных звёзд составляет миллиарды лет. У них было достаточно времени, чтобы замедлить вращение и остыть настолько, чтобы стать невидимыми или почти невидимыми на разных длинах волн.
Тот же пульсар Крабовидной туманности молодой ему около тысячи лет, и мы можем рассматривать его в разных диапазонах. Но даже у молодых пульсаров узкие радиопотоки, как уже говорилось, они могут быть просто не направлены на нас, поэтому учёные используют и гаммы обсерватории вроде «Fermi» или «Чандра» для обнаружения таких пульсаров, что могут быть не видны в радиодиапазоне.
А ещё есть пульсары в различных двойных системах. И, конечно, про магнетары, ещё одни экстремальные представители и без того экстремальных нейтронных звёзд, но об этом в других статьях.
Ну вот и всё, надеюсь, вам было понятно и интересно. Напоследок, вверху предлагаю вам послушать «Музыку пульсаров», это очень красиво и увлекательно. Удачи вам, любите космос.
Пульсары
Реферат на тему: «Пульсары»
На протяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономов видимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощью телескопов, они использовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразия электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. Астрономия преобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики и техники предоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные доли миллиметра. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных. Фактически все крупнейшие открытия последних лет – результат современного развития новейших областей астрономии, которая стала сейчас всеволновой. Еще с начала 30-х годов, как только возникли теоретические представления о нейтронных звездах, ожидалось, что они должны проявить себя как космические источники рентгеновского излучения. Эти ожидания оправдались через 40 лет, когда были обнаружены барстеры и удалось доказать, что их излучение рождается на поверхности горячих нейтронных звезд. Но первыми открытыми нейтронными звездами оказались все же не барстеры, а пульсары, проявившие себя — совершенно неожиданно — как источники коротких импульсов радиоизлучения, следующих друг за другом с поразительно строгой периодичностью.
Летом 1967 г. в Кембриджском университете (Англия) вошел в строй новый радиотелескоп, специально построенный Э. Хьюишем и его сотрудниками для одной наблюдательной задачи — изучения мерцаний космических радиоисточников. Это явление подобно известному всем мерцанию звезд возникает из-за случайных неоднородностей плотности в среде, сквозь которую проходят электромагнитные волны по пути к нам от источника. Новый радиотелескоп позволял производить наблюдения больших участков неба, а аппаратура для обработки сигналов была способна регистрировать уровень радио-потока через каждые несколько десятых долей секунды. Эти две особенности их инструмента и позволили кембриджским радиоастрономам открыть нечто совершенно новое — пульсары.
Первые отчетливо различимые серии периодических импульсов были замечены 28 ноября 1967 г. аспиранткой кембриджской группы Дж. Белл. Импульсы следовали один за другим с четко выдерживаемым периодом в 1,34 с. Это было совершенно непохоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных мерцаний. Принимаемые сигналы напоминали скорее помеху земного происхождения. Например, системы зажигания в проезжающих мимо автомобилях. Но это и другие простые объяснения вскоре пришлось оставить. Были исключены и сигналы самолетов или космических аппаратов. Затем, когда появились основания полагать, что импульсы имеют космическое происхождение, возникло предположение о внеземной цивилизации, посылающей на Землю свои сигналы. Предпринимались серьезные попытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалось невозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самые квалифицированные специалисты. К тому же вскоре обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника. Становилось очевидным, что источники излучения являются естественными небесными телами.
Первая публикация кембриджской группы появилась в феврале 1968 г., и уже в ней в качестве вероятных кандидатов на роль источников пульсирующего излучения упоминаются нейтронные звезды. Периодичность радиосигнала связывается с быстрым вращением нейтронной звезды. Источник вращается как фонарь маяка, и это создает прерывистость видимого излучения, приходящего к нам отдельными импульсами. Открытие пульсаров отмечено Нобелевской премией по физике в 1978 г.
Интерпретация: нейтронные звезды
В астрономии известно немало звезд, блеск которых непрерывно меняется, то возрастая, то падая. Имеются звезды, их называют цефеидами (по первой из них, обнаруженной в созвездии Цефея), со строго периодическими вариациями блеска. Усиление и ослабление яркости происходит у разных звезд этого класса с периодами от нескольких дней до года. Но до пульсаров никогда еще не встречались звезды со столь коротким периодом, как у первого «кембриджского» пульсара.
Вслед за ним в очень короткое время было открыто несколько десятков пульсаров, и периоды некоторых из них были еще короче. Так, период пульсара, обнаруженного в 1968 г. в центре Крабовидной туманности, составлял 0,033 с. Сейчас известно около четырех сотен пульсаров. Подавляющее их большинство—до 90%— имеет периоды в пределах от 0.3 до 3 с, так что типичным периодом пульсаров можно считать период в 1 с. Но особенно интересны пульсары-рекордсмены, период которых меньше типичного. Рекорд пульсара Крабовидной туманности продержался почти полтора десятилетия. В конце 1982 г. в созвездии Лисички был обнаружен пульсар с периодом 0,00155 с, т. е. 1,55 мс. Вращение с таким поразительно коротким периодом означает 642 об/с. Очень короткие периоды пульсаров послужили первым и самым веским аргументом в пользу интерпретации этих объектов как вращающихся нейтронных звезд. Звезда со столь быстрым вращением должна быть исключительно плотной. Действительно, само ее существование возможно лишь при условии, что центробежные силы, связанные с вращением, меньше сил тяготения, связывающих вещество звезды.
Нейтронная звезда образуется путем сжатия центральной области, ядра звезды, исчерпавшей запасы ядерного топлива. Ядро успевает еще предварительно сжаться до размеров белого карлика, дальнейшее сжатие до размера нейтронной звезды, означает уменьшение радиуса в тысячу раз. Соответственно в миллион раз должна возрасти частота вращения и во столько же раз должен уменьшиться его период. Вместо, скажем месяца звезда совершает теперь один оборот вокруг своей оси всего за три секунды. Более быстрое исходное вращение дает и еще более короткие периоды. Сейчас известны не только пульсары, излучающие в радиодиапазоне, — их называют радиопульсарами, но и рентгеновские пульсары, излучающие регулярные импульсы рентгеновских лучей. Они тоже оказались нейтронными звездами; в их физике много такого, что роднит их с барстерами. Но и радиопульсары, и рентгеновские пульсары отличаются от барстеров в одном принципиальном отношении: они обладают очень сильными магнитными полями. Именно магнитные поля — вместе с быстрым вращением — и создают эффект пульсаций, хотя и действуют эти поля по-разному в радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.
Мы расскажем сначала о рентгеновских пульсарах, механизм излучения которых более или менее ясен, а затем о радиопульсарах, которые изучены пока в гораздо меньшей степени, хотя они и открыты раньше рентгеновских пульсаров и барстеров.
Рентгеновские пульсары — это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая — яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этих объектов. Первые два рентгеновских пульсара — в созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра — открыты в 1972 г. (за три года до обнаружения барстеров) с помощью американского исследовательского спутница «Ухуру»). Пульсар в Геркулесе посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период — нейтронная звезда и ее компаньон совершают обращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальный период был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству, что «обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня.
Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные частицы плазмы начинают испытывать воздействие еще одного силового поля магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно перестроить аккреционный поток, сделать его несферически-симметричным, а направленным. Как мы сейчас увидим, из-за этого и возникает эффект пульсаций излучения, эффект маяка. Есть все основания полагать, что нейтронные звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значений магнитной индукции, что больше среднего магнитного поля Солнца. Но такие поля естественно получаются в результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную.
Магнитное поле с индукцией сравнимое с полем Солнца, считается более или менее типичным для обычных звезд; у некоторых «магнитных» звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можно ожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезд действительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такому заключению пришел советский астрофизик Н. С. Кардашев еще в 1964 г.
По своей структуре, т. е. по геометрии силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным.
Вещество, аккрецируемое нейтронной звездой, — это звездный ветер, оно ионизовано, и поэтому взаимодействует при своем движении с ее магнитным полем. Известно, что движение заряженных частиц поперек силовых линий поля затруднено, а движение вдоль силовых линий происходит беспрепятственно. По этой причине аккрецируемое вещество движется вблизи нейтронной звезды практически по силовым линиям ее магнитного поля. Магнитное поле нейтронной звезды как бы создает воронки у ее магнитных полюсов, и в них направляется аккреционный поток. На такую возможность указали еще в 1970 г. советские астрофизики Г. С. Бисноватый-Коганта. А. М. Фридман. Благодаря этому нагрев поверхности нейтронной звезды оказывается неравномерным: у полюсов температура значительно выше, чем на всей остальной поверхности. Горячие пятна у полюсов имеют, согласно расчетам, площадь около одного квадратного километра; они и создают главным образом излучение звезды — ведь светимость очень чувствительна к температуре — она пропорциональна температуре в четвертой степени.
Как и у Земли, магнитная ось нейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает эффект маяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдателю. Излучение быстро вращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым, пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. На самом деле излучение горячего пятна происходит, конечно, непрерывно, но оно не равномерно по направлениям, не изотропно, и рентгеновские лучи от него не направлены все время на нас, их пучок вращается в пространстве вокруг оси вращения нейтронной звезды, пробегая по Земле один раз за период.
От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярных пульсаций. Почему же барстеры не пульсируют, а пульсары не вспыхивают? Все дело, вероятно, в том, что магнитное поле нейтронных звезд в барстерах заметно слабее, чем в пульсарах, и потому оно не влияет сколько-нибудь заметно на динамику аккреции, допуская более или менее равномерный прогрев всей поверхности нейтронной звезды. Ее вращение, которое может быть столь же быстрым, как и у пульсаров, не сказывается на рентгеновском потоке так как этот поток изотропен. С другой стороны, предполагают, что поле магнитной индукцией
Известно, что самые молодые и яркие звезды Галактики находятся в ее диске, вблизи галактической плоскости. Естественно поэтому ожидать, что и рентгеновские пульсары с их яркими звездами-гигантами располагаются преимущественно у галактической плоскости. Их общее распределение по небесной сфере должно отличаться от распределения барстеров, старых объектов, которые — как и все старые звезды Галактики — концентрируются не к ее плоскости, а к галактическому центру. Наблюдения подтверждают эти соображения: рентгеновские пульсары действительно находятся в диске Галактики, в сравнительно узком слое по обе стороны галактической плоскости. Такое же распределение на небе обнаруживают и пульсары, излучающие радиоимпульсы, — радиопульсары.
Распределение радиопульсаров на небесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат нашей Галактике: они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей, экватором галактической координатной сетки. Объекты, которые никак не связаны о галактикой, никогда не показали бы никакой, преимущественной ориентации такого рода. Распределение по направлениям говорит в этом случае о реальном пространственном расположении источников: такая картина может возникнуть лишь тогда, когда источники находятся в диске Галактики. Некоторые из них лежат заметно выше или ниже экватора; но они тоже расположены в диске, около плоскости Галактики, только ближе к нам, чем большинство остальных пульсаров. Ведь вместе с Солнцем мы находимся почти точно в галактической плоскости, и потому направление от нас на близкие объекты внутри хотя бы и узкого слоя может быть, вообще говоря, любым. Близких пульсаров сравнительно мало и они не затемняют общую картину. Если радиопульсары располагаются вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать, что и сами они являются молодыми. Об одном из них, пульсаре Крабовидной туманности, определенно известно, что он существует всего около тысячи лет — это остаток вспышки сверхновой 1054 года; его возраст значительно меньше времени жизни ярких звезд-гигантов, — 10 миллионов лет, не говоря уже о звездах-карликах, средний возраст которых еще в 1000 раз больше. Строгая периодичность следования импульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость — все это сближает радиопульсары с рентгеновскими пульсарами. Но во многих других отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары — это одиночные, а не двойные звезды. Известно всего три радиопульсара, имеющих звезду-компаньона. У всех остальных, а их более трехсот пятидесяти, никаких признаков двойственности не замечается. Отсюда немедленно следует, что физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии — это во всяком случае не аккреция. Другой важнейший факт: спектр излучения радиопульсаров очень далек от какого-либо подобия универсальному чернотельному спектру, который характерен для излучения нагретых тел. Это означает, что излучение радиопульсаров никак не связано с нагревом нейтронной звезды, с температурой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Излучение электромагнитных волн, не связанное с нагревом тела, называют нетепловым. Такое излучение не редкость в астрофизике, физике и технике. Вот простой пример. Антенна радиостанции или телецентра — это проводник определенного размера и формы. В нем имеются свободные электроны, которые под действием специального генератора совершают согласованные движения вдоль проводника туда и обратно с заданной частотой. Так как электроны колеблются «в унисон», то и излучают они согласованно: все излучаемые в пространство электромагнитные волны имеют одинаковую частоту — частоту колебаний электронов. Так что спектр излучения антенны содержит только одну частоту или длину волны. Сведения о спектре излучения радиопульсаров удалось получить прежде всего благодаря наблюдениям самого яркого из них — пульсара Крабовидной туманности. Замечательно, что его излучение регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн — от радиоволн до гамма-лучей. Больше всего энергии он испускает именно в области гамма-лучей (так что пульсар вполне заслуживает названия гамма-пульсара); принимаемый гамма-поток в рентгеновской области в 5—10 раз меньше. В области видимого света он еще в десять раз меньше.
Можно проверить, что ни при какой температуре излучение нагретого тела не может обладать таким распределением энергии по областям спектра.
Интересно, что уже и одних только данных о светимости пульсаров в радиодиапазоне — без каких-либо сведений об излучении на более коротких длинах волн достаточно, чтобы убедиться в нетепловом, нечернотельном характере их излучения.
Во всех известных случаях радиопульсары увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, их вращение замедляется со временем. Что-то тормозит вращение нейтронной звезды, на что-то тратится ее энергия вращения. Так не служит ли вращение источником, питающим излучение пульсара?
Чтобы это проверить, нужно сделать прежде всего энергетическую оценку. Если пульсар действительно излучает за счет вращения, то кинетическая энергия вращения должна обеспечивать наблюдаемую мощность излучения, его светимость.
Для пульсара Крабовидной туманности, период которого составляет одну тридцатую секунды, оценку нужно сделать отдельно. У него и характерное время увеличения периода не миллион лет; как показывают наблюдения, оно сравнимо с его возрастом, т. е. близко к тысяче лет. В этом случае мощность Ж окажется в миллион раз больше, чем по соотношению (1.5); она превышает на несколько порядков полную светимость этого пульсара во всех диапазонах волн.
Можно, таким образом, сказать, что предположение о вращении как источнике энергии пульсара выдерживает первую проверку: кинетическая энергия вращения нейтронной звезды достаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого излучение черпает свою энергию. При этом на излучение тратится только небольшая доля общего расхода энергии.
Каким же образом энергия вращения превращается в энергию электромагнитных волн? Согласно идее, выдвинутой итальянским астрофизиком Ф. Пачини и английским теоретиком Т. Голдом, решающая роль в этом должна принадлежать магнитному полю нейтронной звезды. Как мы уже говорили, нейтронная звезда может обладать очень значительным магнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды, как и у рентгеновского пульсара Система силовых линий магнитного поля вращается с той угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная звезда. Вне светового цилиндра магнитное поле вращающегося наклонного диполя уже не может оставаться тем же, что и внутри его. На световом цилиндре происходит превращение дипольного магнитного поля в электромагнитные волны, которые распространяются вовне, унося с собой определенную энергию. Эта энергия черпается из энергии вращения нейтронной звезды. Такого рода магнитно-дипольное излучение давно изучено в электродинамике. Известно, что частота излученных волн равна частоте вращения магнитного диполя, длина волны равна радиусу светового цилиндра. Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитным полем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращения преобразуется в энергию излучения. Но магнитно-дипольные волны — это отнюдь не то излучение, которое наблюдают у пульсаров: его частота слишком мала, а длина волны слишком велика — десятки и сотни километров. Магнитно-дипольные волны должны претерпеть какие-то очень существенные превращения, прежде, чем возникнет наблюдаемое излучение пульсаров. Эти превращения происходят, по-видимому, в магнитосфере пульсара — в окружающем нейтронную звезду вращающемся облаке заряженных частиц.
Возможность и даже необходимость существования такого облака доказали американские астрофизики-теоретики П. Голдрайх и В. Джулиан. Они изучили электромагнитные явления, происходящие не на световом цилиндре, где рождается магнитно-дипольное излучение, а вблизи самой поверхности нейтронной звезды. Здесь намагниченная нейтронная звезда способна «работать» подобно динамомашине: ее вращение вызывает появление сильных электрических полей, а с ними и токов, т. е. направленных движений заряженных частиц.
Это действительно огромная энергия, на много порядков превышающая даже энергии покоя электрона и протона. Гигантская энергия частиц соответствует их скоростям движения, приближающимся к скорости света, а фактически совпадающим с ней. Частицы высоких энергий, отрываемые от поверхности нейтронной звезды и ускоряемые сильным электрическим полем, создают поток, исходящий от нейтронной звезды и похожий на солнечный или звездный ветер. Магнитное поле увлекает этот поток во вращение вместе о нейтронной звездой. Так вокруг нее возникает расширяющаяся и вращающаяся магнитосфера. Рождение и ускорение частиц, образующих магнитосферу, требует значительной энергии, которая черпается из кинетической энергии вращения нейтронной звезды. Теоретический анализ, проделанный П. Голдрайхом и В.; Джулианом, показывает, что на это тратится приблизительно столько же энергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение. При этом и само магнитно-дипольное излучение пополняет запас энергии магнитосферы, оно практически не выходит наружу и поглощается магнитосферой, передавая свою энергию ее частицам. Нет сомнения, что именно в магнитосфере нейтронной звезды и разыгрываются многообразные физические процессы, определяющие все наблюдаемые проявления пульсара. Полной и исчерпывающей теории этих процессов пока нет; теория радиопульсаров находится в процессе развития, и даже на главные вопросы она еще не может дать законченного и убедительного ответа. Нас, прежде всего интересует, как возникает направленность в излучении пульсара, создающая этот естественный радиомаяк. Сейчас можно изложить лишь самые предварительные соображения, не претендующие на строгую доказательность, но содержащие, тем не менее, ряд важных идей. Вероятно, нужно исходить из того, что частицы высокой энергии, заполняющие магнитосферу пульсара, способны излучать электромагнитные волны очень высокой частоты, или, на квантовом языке, фотоны очень высокой энергии. Один из физических механизмов излучения связан с движением частиц в сильных магнитных полях. Частицы следуют главным образом вдоль магнитных силовых линий, а так как силовые линии изогнуты, движение частиц не может быть прямолинейным и равномерным. Отклонение же от прямолинейного и равномерного движения означает ускорение (или торможение) частицы и, следовательно, сопровождается излучением электромагнитных волн. Согласно расчетам электромагнитные волны такого происхождения принадлежат к гамма-диапазону. В свою очередь гамма-фотоны способны рождать (в присутствии сильного магнитного поля) пары электронов и позитронов. Электроны и позитроны также излучают электромагнитные волны при своем движений в магнитном поле, а эти новые волны способны рождать новые пары частиц и т.д. Такой каскад процессов развивается главным образом вблизи магнитных полюсов нейтронной звезды, где сходятся магнитные силовые линии и поле особенно велико. Здесь формируются, как можно полагать, направленные потоки согласованно движущихся частиц, которые — как в антенне — излучают согласованно и направленно, создавая луч пульсара. Магнитная ось звезды не совпадают с ее осью вращения, и потому этот луч вращается подобно лучу маяка. Но как в действительности это происходит, еще предстоит выяснить.
Основная доля энергии вращения, теряемой нейтронной звездой, преобразуется не в наблюдаемое излучение пульсара, а в энергию частиц, ускоряемых в магнитосфере нейтронной звезды. Радиопульсары являются, таким образом, мощным источником частиц высоких энергий. Электроны высоких энергий, рождаемые пульсаром Крабовидной туманности, непосредственно проявляют себя в свечении туманности. Об этом речь впереди, а здесь стоит сказать несколько слов об эволюции и дальнейшей судьбе радиопульсаров. С течением времени пульсар теряет свою энергию вращения и магнитную энергию, так что постепенно и частота вращения, и магнитное поле нейтронной звезды убывают. Из-за этого уменьшается электрическое поле у поверхности звезды, снижается эффективность отрыва частиц и их ускорения. Рано или поздно частицы высоких энергий перестанут рождаться, и радиоизлучение пульсара прекратится. Если бы радиопульсар составлял пару вместе с обычной звездой, он мог бы тогда превратиться в барстер, излучение которого питается аккреционным потоком, увлекаемым с поверхности звезды-компаньона. Но (за очень редким исключением, как говорилось) радиопульсары — это одиночные нейтронные звезды, а не члены тесных двойных систем. И тем не менее свечение, хотя и довольно слабое, все же может возникать. По мнению советского астрофизика А. И. Цыгана оно может быть обязано аккреции нейтрального межзвездного газа, сквозь который движется потухший радиопульсар. Поиски таких бывших пульсаров, а ныне гамма-звезд — одна из интересных задач гамма-астрономии.
Пульсары и космические лучи.
Еще в 1934г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали на возможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическими лучами — частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космического пространства.
Космические лучи были открыты более 60 лет назад и с тех пор служат предметом тщательного изучения. Интерес к ним связан, прежде всего, с возможностью использовать их для исследования взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях, недостижимых в лабораторных ускорительных устройствах. Частицы высоких энергии, приходящие к Земле из межпланетного и межзвездного пространства, порождают в земной атмосфере новые, вторичные частицы, тоже обладающие немалыми энергиями. Но более всего интересны, очевидно, исходные, первичные частицы. Они представляют собою главным образом протоны; среди них имеются в небольшом числе и атомные ядра таких элементов, как гелий, литий, бериллий, углерод, кислород и т. д., вплоть до урана.
Электронов в космических лучах не более 1-2 %. Поток космических лучей изотропен — он приходят к Земле равномерно со всех сторон (кроме, конечно, частиц, испускаемых Солнцем).
Космические лучи, распространяясь в межзвездных магнитных полях, способны создавать синхротронное излучение. Общее радиоизлучение Галактики известно с конца 40-х годов.
Однако радиомощность Галактики несравненно больше. Объяснение общего радиоизлучения Галактики как синхротронного излучения электронов космических лучей предложено В. Л„ Гинзбургом в 1950—1951 гг. Основной вопрос физики космических лучей с самого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор еще не решен. Обсуждается целый ряд интересных возможностей: ускорение частиц в межзвездных магнитных полях (как это предполагал еще в 40-е годы Э. Ферми), в оболочках, сбрасываемых при вспышках сверхновых (эта идея развивается сейчас многими авторами), в ядре Галактики или даже вне ее — в квазарах. Открытие пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах высокой энергии в Крабовидной туманности, получаемые из анализа ее синхротронного излучения,—все это указывает на пульсары как на эффективный источник космических лучей. Давняя идея В. Бааде и Ф. Цвикки о Единстве происхождения нейтронных звезд и космических лучей приобретает сейчас новые основания.