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]