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

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. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космических
лучах:

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:

r_E » 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.