Что такое пульсары кратко
Пульсары и нейтронные звезды
Объекты глубокого космоса > Пульсары и нейтронные звезды
Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную. Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций. Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных черных дыр. Впервые обнаружены в 1967 году.
Что такое пульсар?
В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)
Если высматривать на небе пульсар, то кажется обычной мерцающей звездой, следующей по определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами.
Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.
Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.
Число найденных пульсаров
Диаметр пульсаров во Вселенной достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.
Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.
Почему пульсары вращаются?
Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.
Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).
Художественная интерпретация связи между пульсаром и его спутником
Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.
Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.
Здесь отображены линии магнитного поля, вращающиеся вокруг пульсара. Фиолетовое свечение – гамма-лучи
Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.
А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.
Поиск пульсаров
Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.
В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.
Небесная карта, отображающая гамма-пульсары, найденные телескопом GLAST
Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.
Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.
Использование пульсаров
Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».
Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.
Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.
Снимок пульсара PSR B0531+21, сделанный рентгеновской обсерваторией Чандра. В центре вы видите белый пульсар и струи выбрасывающегося материала
Кладбища пульсаров
Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.
Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.
Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.
Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.
Нейтронные звезды появляются после смерти гигантов в виде сверхновых
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.
Внутреннее строение пульсара
Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Когда нейтронная звезда выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, картина выглядит еще более впечатляющей. Если вторая звезда уступала по массивности Солнцу, то тянет массу компаньона в «лепесток Роша». Это шарообразное облако материла, совершающее обороты вокруг нейтронной звезды. Если же спутник был больше солнечной массы в 10 раз, то передача массы также настраивается, но не такая устойчивая. Материал течет вдоль магнитных полюсов, нагревается и создаются рентгеновские пульсации.
К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.
Типы нейтронных звезд
У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.
Когда рентгеновские пульсары отбирают материал у более массивных соседей, то он контактирует с магнитным полем и создает мощные лучи, наблюдаемые в радио, рентгеновском, гамма и оптическом спектре. Так как источник располагается в компаньоне, то их именуют пульсарами с аккрецией.
Строение магнитного поля нейтронной звезды
Вращающиеся пульсары в небе подчиняются вращению звезд, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с магнитным полем пульсара над полюсами. Так как вещество внутри магнитосферы пульсара ускоряется, это заставляет его вырабатывать гамма-лучи. Отдача энергии замедляет вращение.
Магнитные поля магнетар в 1000 раз сильнее, чем у нейтронных звезд. Из-за чего заставляют вращаться звезду намного дольше.
Пульсары
Пульсар в представлении художника
Пульсаром астрономы называют источник импульсного радиоизлучения. Это означает, что телескопами улавливаются периодичные всплески (импульсы) радиоизлучения.
История открытия
В 1960-х годах группа ученых под руководством английского физика Энтони Хьюиша собственными руками создала радиотелескоп, с целью наблюдения компактных источников радиоизлучения. К числу научных сотрудников относилась и 23-хлетняя аспирантка Джоселин Белл, которая собирала материал для своей диссертации. Ее задача состояла в пересмотре всех самописцев телескопа – обработке данных наблюдения, и выявлении сигналов от компактных источников. Вскоре, спустя два месяца работы, Джоселин Белл обнаружила некие сигналы, которые нельзя было отнести ни к помехам, ни к известным компактным источникам. Аспирант предположила, что найденный сигнал порождается точечным источником – звездой. Однако период излучения импульсов этим источником был чуть более секунды. Столь частые вспышки не характерны для переменных звезд и не могут быть вызваны процессами, протекающими в них. Вместе с Энтони Хьюишом аспирант продолжила изучение странного излучения, в результате чего гипотеза о земном его происхождении была отброшена.
Были привлечены и другие ученые. Так как был обнаружен только один такой источник, начали возникать предположения, что периодичный источник является следствием деятельности внеземной разумной цивилизации. По этой причине первый радиопульсар получил название Little Green Men («Маленькие зеленые люди») – сокращенно LGM-1. Вскоре Джоселин было обнаружено еще три источника со столь малой периодичностью в совсем иных областях неба. Тогда стало ясно, что данный источник – это новый класс астрономических объектов.
Фото Джоселин Белл 1967 года и 2011 года
Как оказалось, позже – подобные периодические радиосигналы улавливались астрономами и ранее, но принимались за помехи, вызванные человеческой деятельностью.
Кандидаты в пульсары
Характер получаемых импульсов предполагал, что излучение приходит на Землю с участка пространства, относительно небольшого по объему. Также высокая стабильность пульсара свидетельствует о том, что источник излучения представляет собой жесткую систему, а не скопление газа или плазмы. Периодичное же излучение может быть объяснено тремя способами: колебаниями самого объекта-источника, либо его собственным или орбитальным вращением.
Под орбитальным вращением источника периодичного излучения подразумевается взаимное вращение двух объектов, однако такая система со столь низким периодом излучала бы мощные гравитационные волны, которые бы замедляли вращение объектов и приводили бы к их столкновению всего в течение одного года. Кроме того, сближение вызывало бы уменьшение периода излучения, в то время как у пульсаров он несколько растет со временем. Собственные пульсации такого объекта также приводили бы к уменьшению периода. Остается вариант с собственным вращением объекта.
Кандидатами на роль пульсаров стали такие компактные объекты как черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики. Так как были открыты пульсары с периодами около 30 миллисекунд, гипотеза о том, что пульсарами могут быть белые карлики – была отброшена. Дело в том, что белые карлики не могли бы иметь такой малый период вращения, так как были бы разрушены в результате центробежной силы, иными словами – просто разлетелись бы. Черные дыры и вовсе не могут излучать самостоятельно. Тогда единственным кандидатом на роль источника периодичного радиоизлучения остается нейтронная звезда, которая имеет высокую скорость вращения.
Физика радиопульсаров
Быстрое вращение нейтронной звезды вызывает потерю некоторой части своего звездного вещества. То есть быстро вращаясь, нейтронная звезда испускает элементарные частицы, образующие плазму.
Схема радиопульсара. Сфера в центре — нейтронная звезда, кривые представляют магнитные силовые линии, конусы вдоль магнитной оси — радиолучи, зелёная линия — ось вращения
Далее, если ось вращения звезды не совпадает с осью магнитного поля, то упомянутое электромагнитное излучение также вращается вокруг оси вращения звезды, вместе с самой нейтронной звездой.
Таким образом астрономы имеют дело с так называемым «маяком», излучение которого периодически направлено в сторону наблюдателя с Земли.
Обозначения
В названии пульсаров зашифрована информация о них. Обозначение PSR XYYYYZZZ несет в себе следующую информацию:
Так открытый в 1967-м году первый пульсар сегодня имеет название PSR B1919+21, первый двойной пульсар (система пульсар-звезда) — PSR B1913+16, а первый дважды двойной (два пульсара) — PSR J0737−3039.
Основные характеристики
Кроме координат, пульсары различают по их характеристикам:
Распределение пульсаров по периодам
К 2011-му году количество открытых радиопульсаров перешло черту в 1970 объектов. Согласно теоретическим подсчетам в галактике Млечный Путь может находится порядка 240 000 радиопульсаров.
Пульсар – что это?
Пульсар – это разновидность нейтронной звезды, остаток от массивной звезды. Пульсар отличается от обычных нейтронных звезд тем, что он являются мощным источником радио, оптического, рентгеновского и гамма излучений и вращаются с огромной скоростью. Астрономы обнаруживают их по радиоимпульсам, которые они излучают с регулярными интервалами.
Образование Пульсара
Образование пульсара очень похоже на создание нейтронной звезды. Когда массивная звезда с массой в 4-8 раз больше массы нашего Солнца умирает, она взрывается как сверхновая. Внешние слои уносятся в космос, а внутреннее ядро сжимается под воздействием собственной гравитации. Гравитационное давление настолько сильно, что оно преодолевает связи, которые разделяют атомы.
Электроны и протоны под действием силы тяжести, образуют нейтроны. Гравитация на поверхности нейтронной звезды составляет примерно 2х10 11 силы тяжести на Земле. Так, самые массивные звезды взрываются как сверхновые и могут сжаться в черные дыры. Если они менее массивны, как наше Солнце, они выбрасывают свои внешние слои и затем медленно остывают, превращаясь в белые карлики.
Но для звезд, масса которых в 1,4-3,2 раза превышает массу Солнца, все еще могут стать сверхновыми, но им просто не хватит массы, чтобы создать черную дыру. Эти объекты средней массы заканчивают свою жизнь как нейтронные звезды, а некоторые из них могут стать пульсарами или магнетарами. Когда эти звезды коллапсируют, они сохраняют свой угловой момент.
История обнаружения пульсаров
Первый пульсар был открыт в 1967 году и он удивил научное сообщество регулярными радиоизлучениями, которые он передавал. Они обнаружили таинственное радиоизлучение, исходящее из неподвижной точки в небе, которое достигало максимума каждые 1,33 секунды. Эти излучения были настолько регулярными, что некоторые астрономы думали, что это может быть свидетельством связи с разумной цивилизацией.
Хотя астрономы были уверены, что он имеет естественное происхождение, они назвали его LGM-1 (сокр. от англ. Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Последующие открытия помогли астрономам обнаружить истинную природу этих странных объектов. Ученые предположили, что это быстро вращающиеся нейтронные звезды. Это было подтверждено открытием пульсара с очень коротким периодом вращения (33 миллисекунды) в Крабовидной туманности. До сих пор было найдено более 2000 пульсаров и самый быстрый обнаруженный излучает 716 импульсов в секунду.
Позднее пульсары были обнаружены в бинарных системах, что помогло подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна. А в 1982 году был найден пульсар с периодом вращения всего 1,6 микросекунд. На самом деле, первые когда – либо открытые экзопланеты были обнаружены на орбите пульсара, конечно, это было бы не очень пригодное для жизни место.
Интересные факты
Когда пульсар формируется, он имеет наибольшую энергию и самую быструю скорость вращения. По мере того как он выпускает электромагнитную энергию, он постепенно замедляется. В течение 10-100 миллионов лет он замедляется до такой степени, что его лучи отключаются и пульсар становится тихим.
Когда они активны, они вращаются с такой сверхъестественной регулярностью, что астрономы используют их в качестве таймеров. На самом деле, говорят, что некоторые типы пульсаров соперничают с атомными часами в их точности в поддержании времени.
Пульсары также помогают нам искать гравитационные волны, исследовать межзвездную среду и даже находить на орбите внеземные планеты. Фактически, первые экзопланеты были открыты вокруг пульсара в 1992 году, когда астрономы Александр Вольщан и Дейл Фрейл объявили об открытии системы с несколькими планетами вокруг PSR B1257+12 – миллисекундного пульсара, который, как известно, имеет две экзопланеты.
Было даже высказано предположение, что космические аппараты могут использовать их в качестве маяков для навигации вокруг Солнечной системы. На космическом корабле НАСА Вояджер 1 есть карты, которые показывают направление движения Солнца до 14 пульсаров в нашем регионе. Если бы инопланетяне хотели найти нашу родную планету, они не могли бы попросить более точную карту.
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.