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 B( 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:

(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.

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]