Глава 6. Звезды

6.5. Эволюция массивных звезд

6.5.4. Пульсары

В 60-х годах XX века совершенно случайно, при наблюдении с радиотелескопом, который был предназначен для изучения мерцаний космических радиоисточников, Джослин Белл, Энтони Хьюиш и другие сотрудники Кембриджского университета Великобритании обнаружили серии периодических импульсов продолжительностью 0,3 секунды на частоте 81,5 МГц, которые повторялись через удивительно постоянное время, через 1,3373011 секунды. Это было совершенно непохоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных мерцаний. Появилось даже предположение о внеземной цивилизации, посылающей на Землю свои сигналы. Поэтому для этих сигналов ввели обозначение LGM (сокращение от английского little green men «маленькие зеленые человечки»). Предпринимались серьезные попытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалось невозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самые квалифицированные специалисты по шифровальной технике.

1

Рисунок 6.5.4.1. Миллисекундный пульсар PSR 1957+20 в видимом диапазоне. Импульсы прерываются на 50 минут каждые 9 часов, что указывает на то, что пульсар затмевается своей звездой-компаньоном

Через полгода обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника. Стало очевидным, что источники излучения являются естественными небесными телами. Они получили название пульсары.

За открытие и интерпретацию радиоизлучения пульсаров Энтони Хьюишу была присуждена Нобелевская премия по физике.

В настоящее время считается, что пульсары – это нейтронные звезды, образовавшиеся после вспышек сверхновых. Постоянство пульсации объясняется стабильностью вращения нейтронных звезд.

Пульсары было принято обозначать четырехзначным числом. Первые две цифры означают часы, две следующие – минуты прямого восхождения пульсара. Впереди ставятся две буквы латинского алфавита, указывающие на место открытия. Первый пульсар получил обозначение СР 1919 – Кембриджский пульсар. Сейчас радиопульсары обозначают буквами PSR и более точным значением координат: прямое восхождение (часы, минуты) и склонение (знак, градусы и угловые минуты).

Знаменитый пульсар в Крабовидной туманности обозначался раньше NP 0531; теперь он обозначается PSR J0535+2200 (буква J указывает на то, что координаты даны на 2000 год). Его период составляет 0,033 с. Сигналы пульсара идут из облака, образованного остатками Сверхновой 1054 года, отмеченной в китайских и японских летописях.

2

Рисунок 6.5.4.2. В Крабовидной туманности находится пульсар NP 0531

Пульсар отождествляется со звездой 16,5^m, находящейся в центре туманности.

В настоящее время открыто более 1300 пульсаров в радиодиапазоне. Подавляющее их большинство (до 90 %) имеет периоды в пределах от 0,1 до 1 с. Есть пульсары с очень малыми периодами, менее 30 мс, так называемые миллисекундные пульсары.

В конце 1982 года в созвездии Лисички был обнаружен миллисекундный пульсар с периодом 0,00155 с. Вращение с таким поразительно коротким периодом означает, что звезда делает 642 оборота в секунду. Очень короткие периоды пульсаров послужили первым и самым веским аргументом в пользу интерпретации этих объектов как вращающихся нейтронных звезд. Звезда со столь быстрым вращением должна быть исключительно плотной. Действительно, само ее существование возможно лишь при условии, что центробежные силы, связанные с вращением, меньше сил тяготения, связывающих вещество звезды.

Миллисекундные пульсары оказались не самыми молодыми, а самыми старыми. Они происходят из двойных систем, где аккреция раскручивает уже немолодые нейтронные звезды. У этих пульсаров самые слабые магнитные поля.

Сейчас известны не только пульсары, излучающие в радиодиапазоне, – их называют радиопульсарами, – но и рентгеновские пульсары.

Рентгеновские пульсары излучают регулярные импульсы рентгеновских лучей и имеют сильное магнитное поле. Они также представляют собой нейтронные звезды, у которых магнитные поля – вместе с быстрым вращением – и создают эффект пульсаций, хотя эти поля и действуют по-разному в радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.

Рентгеновские пульсары – это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая – яркой звездой-гигантом.

Рентгеновский пульсар в Геркулесе открыт в 1972 году с помощью исследовательского спутника «Ухуру». Он посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период. Нейтронная и «обычная» звезда совершают обращение вокруг их общего центра масс с периодом 1,7 дня. «Обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня.

Длительные наблюдения позволили установить еще один – третий – период рентгеновского пульсара в Геркулесе: этот период составляет 35 дней, из которых 11 дней источник светит, а 24 дня нет. Причина этого явления остается пока неизвестной.

У некоторых из рентгеновских пульсаров вещество перетекает к нейтронной звезде струей, как в барстерах (регулярно вспыхивающих рентгеновских источниках). Звезда-гигант теряет вещество в виде звездного ветра, аналогичного солнечному ветру, только во много раз сильному. Часть плазмы звездного ветра попадает в окрестности нейтронной звезды, где и захватывается ею. Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные частицы плазмы начинают испытывать воздействие магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно перестроить аккреционный поток и сделать его сферически несимметричным, направленным. Из-за этого и возникает эффект пульсаций излучения, эффект маяка.

Нейтронные звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значений 10⁸–10⁹ Тл, что в 10¹¹–10¹² раз больше среднего магнитного поля Солнца.

Рентгеновские пульсары располагаются преимущественно в диске Галактики, где могли недавно появиться голубые гиганты.

Если взять период пульсара Крабовидной туманности T = 0,033 с, то соответствующая ему частота вращения , составит приблизительно 200 рад/с. Из неравенства для ускорений , следует неравенство для средней плотности звезды : .

На этом основании найдем нижний предел его плотности, который равен ρ > 6∙10¹⁴ кг/м³. Это очень значительная плотность, которая в миллионы раз превышает плотность белых карликов.

Оценка плотности миллисекундного пульсара с периодом T = 0,00155 с приводит к еще большему значению: ρ > 2∙10¹⁷ кг/м³.

Эта плотность приближается к плотности вещества внутри атомных ядер, равной ρ > 2∙10¹⁸ кг/м³. Столь компактными, сжатыми до такой высокой степени могут быть лишь нейтронные звезды: их плотность действительно близка к ядерной.

Модель 6.8. Пульсары

Как и у Земли, магнитная ось нейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает эффект маяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдателю. Излучение быстро вращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым, пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. На самом деле излучение горячего пятна происходит, конечно, непрерывно, но оно не равномерно по направлениям, не изотропно, и рентгеновские лучи от него не направлены все время на нас, их пучок вращается в пространстве вокруг оси вращения нейтронной звезды, пробегая по Земле один раз за период.

Излучение пульсаров носит нетепловой характер, никак не связано с нагревом нейтронной звезды, с температурой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Это следует из анализа спектра излучения пульсаров.

Пульсар в Крабовидной туманности – остаток вспышки сверхновой 1054 года. Его излучение регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн – от радиоволн до гамма-лучей. Больше всего энергии он испускает в области гамма-лучей – 10³⁷ эрг/с. В рентгеновском диапазоне пульсар излучает около 10³⁶ эрг/с. В оптическом диапазоне его мощность примерно в 200 раз меньше, а в радиодиапазоне еще в сотни раз меньше. Принимаемый гамма-поток в рентгеновской области в 5–10 раз меньше. Можно проверить, что ни при какой температуре излучение нагретого тела не может обладать таким распределением энергии по областям спектра.

Нейтронная звезда обладает значительным магнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды. Система силовых линий магнитного поля вращается с огромной угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная звезда. На поверхности нейтронной звезды нейтроны могут распадаться на протоны и электроны. Сильное магнитное поле подхватывает заряженные частицы и разгоняет их до околосветовых скоростей. Частицы высоких энергий, отрываемые от поверхности нейтронной звезды и ускоряемые сильным электрическим полем, создают поток, исходящий от нейтронной звезды и похожий на солнечный или звездный ветер. Магнитное поле увлекает этот поток во вращение вместе о нейтронной звездой. Так вокруг нее возникает расширяющаяся и вращающаяся магнитосфера. Движущиеся электроны генерируют электромагнитные волны, которые излучаются узким быстровращающимся пучком. Излучение имеет тормозной характер.