Краткий рассказ о пульсарах

Краткий рассказ о пульсарах

Введение

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, в том числе и открытие пульсаров.

Открытие

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. 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. 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 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. Сейчас известно
около четырех сотен пульсаров. Очень короткие периоды пульсаров послужили
первым и самым веским аргументом в пользу интерпретации этих объектов как
вращающихся нейтронных звезд.

Происхождение быстрого вращения нейтронных звезд-пульсаров
несомненно вызвано сильным сжатием звезды при ее превращении из «обычной»
звезды в нейтронную. Когда звезда сжимается, ее вращение убыстряется. Здесь
действует один из основных законов механики — закон сохранения момента
импульса. Из него следует, что при изменении размеров вращающегося тела,
изменяется и скорость его вращения. 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. Но и радиопульсары, и
рентгеновские пульсары отличаются от барстеров в одном принципиальном
отношении: они обладают очень сильными магнитными полями, которые вместе с
быстрым вращением и создают эффект пульсаций, хотя и действуют эти поля
по-разному в радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.

Рентгеновские пульсары

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. Пульсар в Геркулесе посылает
импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. Между
прочим, наблюдение рентгеновских затмений для барстеров до последнего времени
не удавалось. Пульсар в созвездии Центавра имеет период пульсаций 4,8 с. В
большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских пульсарах
является яркая голубая звезда-гигант. Этим они отличаются от барстеров, которые
содержат слабые звезды-карлики. Есть все основания полагать, что нейтронные
звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем,
достигающим значений магнитной индукции BÎ 108 – 109 Тл, что в 1011- 1012 раз
больше среднего магнитного поля Солнца. Но такие поля естественно получаются в
результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную.

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.

От рентгеновских пульсаров никогда не
наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров
никогда не наблюдали регулярных пульсаций. Магнитное поле нейтронных звезд в
барстерах заметно слабее, чем в пульсарах. Различие в магнитном поле связано,
вероятно, с различием возраста барстеров и пульсаров. Следовательно, барстеры —
это старые системы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то
степени ослабнуть, а пульсары — это относительно молодые системы и потому
магнитные поля в них сильнее.

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. Если радиопульсары располагаются
вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно
полагать, что и сами они являются молодыми. 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. Физика радиопульсаров должна быть совсем
иной, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен
быть источник их энергии. Излучение пульсара Крабовидной туманности
регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн — от радиоволн до гамма-лучей.
Больше всего энергии он испускает именно в области гамма-лучей:

E » 10-11
Вт / м2



Но большинство радиопульсаров
регистрируются благодаря излучению в радиодиапазоне. Расстояние до Крабовидной
туманности: d = 6*1019 м, следовательно, можно найти светимость
пульсара:

Источник энергии

Периодичность импульсов радиопульсара
выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе.
Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров
приблизительно миллион лет.

Вращение замедляется со временем, следовательно, тратится энергия
вращения. Кинетическую энергию вращения звезды можно получить по формуле:

где М — масса звезды, V — характерная скорость вращения. При типичном
периоде 1 с и радиусе нейтронной звезды 10000 м:

E = 3*1039 Дж.

Таков запас энергии вращения. Кинетическая энергия вращения нейтронной
звезды достаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого
излучение черпает свою энергию.

Магнитно-дипольное излучение

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. Магнитно-дипольное излучение давно изучено в
электродинамике. Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитным
полем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращения
преобразуется в энергию излучения.

Магнитосфера

Магнитосфера – вращающееся облако
заряженных частиц, окружающее нейтронную звезду. Возможность и даже необходимость
существования такого облака доказали американские астрофизики-теоретики П.
Голдрайх и В. Джулиан. 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.

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. С течением
времени пульсар теряет свою энергию вращения и магнитную энергию, так что
постепенно и частота вращения, и магнитное поле нейтронной звезды убывают. 
Радиопульсары — это одиночные нейтронные звезды, а не члены тесных двойных
систем. И тем не менее свечение, хотя и довольно слабое, все же может
возникать:

L = 1024 Вт

E = 1020 эВ » 10 Дж

Средняя концентрация частиц космических лучей в межзвездном
пространстве нашей Галактики оценивается величиной:

n » 10-4
м3

Средняя энергия частицы:

E » 10-9
Дж
» 1010 эВ

Плотность энергии космических лучей, т. е. энергия частиц в единице
объема:

rE » 10-13 Дж / м3

Основной же вопрос физики космических
лучей с самого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор
еще не решен. Открытие пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах
высокой энергии в Крабовидной туманности — все это указывает на пульсары как на
эффективный источник космических лучей.

Заключение

За открытие пульсаров Энтони Хьюишу в
1974 году была присуждена  Нобелевская премия по физике.  Открытие
действительно было выдающемся,  и лишь название оказалось не точным. Пульсары
вовсе не пульсируют.  Это название дали им тогда,  когда еще полагали, что это
звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширяются и сжимаются. Теперь
мы знаем, что пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды.  Однако название
прижилось.