Пульсари

Пульсары.

Введение

На протязі століть із єдиним джерелом даних про зірок і Всесвіту для астрономів видимий світло. Спостерігаючи неозброєним оком чи з допомогою телескопів, вони використовували лише дуже малий інтервал хвиль з усього різноманіття електромагнітного випромінювання, испускаемого небесними тілами. Астрономія зазнала змін з середини ХХ століття, коли прогрес фізики та техніки надав їй нові прилади й інструменти, дозволяють вести спостереження найширшому діапазоні хвиль — від метрових радіохвиль до гама-променів, де довжини хвиль становлять мільярдні частки міліметра. Це викликало наростаючий потік астрономічних даних. Фактично, всі найбільші відкриття останніх — результат сучасного розвитку новітніх областей астрономії, що стали зараз всехвильової. Ще початку 1930;х, щойно виникли теоретичні ставлення до нейтронних зірках, очікувалося, що вони мають проявити себе, немов космічні джерела рентгенівського випромінювання. Ці очікування справдилися через 40 років, коли знайшли барстеры і проблему вдалося довести, що й випромінювання народжується лежить на поверхні гарячих нейтронних зірок. Але першими відкритими нейтронними зірками опинилися всі ж ми барстеры, а пульсари, виявили себе — геть несподівано — як джерела коротких імпульсів радіовипромінювання, наступних друг за іншому з разюче суворої периодичностью.

Открытие

Летом 1967 р. в Кембриджському університеті (Англія) ввійшов у лад новий радіотелескоп, спеціально побудований Еге. Хьюишем і його працівниками одній спостережної завдання — вивчення мерехтінь космічних радіоджерел. Це подібно відомому всім мерехтінню зірок виникає через випадкових неоднородностей щільності серед, через яку проходять електромагнітні хвилі дорогою до нам джерела. Новий радіотелескоп дозволяв виробляти спостереження великих ділянок неба, а апаратура в обробці сигналів спромоглася реєструвати рівень радио-потока через щокілька десятих часткою секунди. Ці дві особливості їх інструменту та дозволили кембріджським радиоастрономам відкрити щось зовсім нове — пульсары.

Первые чітко помітні серії періодичних імпульсів помітили 28 листопада 1967 р. аспіранткою кембріджської групи Дж. Белл. Імпульси йшли одна одною з чітко выдерживаемым періодом в 1,34 з. Це було цілком несхоже на звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних мерехтінь. Прийняті сигнали нагадували скоріш перешкоду земного походження. Наприклад, системи запалювання в проїжджаючих повз автомобілях. Але цю й інші прості пояснення невдовзі довелося залишити. Були виключені й сигнали літаків чи космічних апаратів. Потім, коли з’явилися підстави вважати, що імпульси мають космічне походження, виникло припущення щодо позаземної цивілізації, посылающей на Землю свої сигнали. Траплялися серйозні спроби розпізнати будь-якої код в прийнятих імпульсах. Це неможливо було, хоча, як розповідають, до діла було залучено найкваліфікованіші фахівці. До до того ж невдовзі виявили ще три подібних пульсуючих радиоисточника. Ставало очевидним, що джерела випромінювання є природними небесними телами.

Первая публікація кембріджської групи з’явилася лютому 1968 р., і у нею ролі ймовірних кандидатів в ролі джерел пульсуючого випромінювання згадуються нейтронні зірки. Періодичність радіосигналу пов’язують із швидким обертанням нейтронної зірки. Джерело обертається як ліхтар маяка, і це дає переривчастість видимого випромінювання, прихожого до нас окремими імпульсами. Відкриття пульсарів зазначено Нобелівської премією із фізики в 1978 г.

Интерпретация: нейтронні звезды

В астрономії відомо чимало зірок, блиск яких безупинно змінюється, то збільшуючись, то падаючи. Є зірки, їх називають цефеидами (по першої, виявленої в сузір'ї Цефея), із суворо періодичними варіаціями блиску. Посилення і ослаблення яскравості відбувається в різних зірок цього з періодами від днів до року. Але до пульсарів ніколи ще зустрічалися зірки зі настільки коротким періодом, як в першого «кембриджського» пульсара.

Вслед його в короткий термін було відкрито кілька десятків пульсарів, і періоди декого з тих були ще коротше. Так, період пульсара, виявленого 1968;го р. у центрі Крабовидної туманності, становив 0,033 з. Зараз відомі близько чотири сотні пульсарів. Переважна їх большинство—до 90%— має періоди в межах від 0.3 до 3 з, отже типовим періодом пульсарів вважатимуться період 1 з. Але особливо цікаві пульсары-рекордсмены, період котрих значно менша типового. Рекорд пульсара Крабовидної туманності протримався майже півтора десятиліття. Наприкінці 1982 р. в сузір'ї Лисички виявили пульсар з періодом 0,155 з, т. е. 1,55 мс. Обертання з такою разюче коротким періодом означає 642 об/с. Дуже короткі періоди пульсарів послужили перших вражень і найвагомішим аргументом на користь інтерпретації цих об'єктів як обертових нейтронних зірок. Зірка з такою швидким обертанням має бути винятково щільною. Справді, саме її існування можливе лише за умови, що відцентрові сили, пов’язані з обертанням, менше сил тяжіння, що пов’язують речовина зірки. Відцентрові сили що неспроможні розірвати зірку, якщо відцентрове прискорення на екваторі менше прискорення сили тяжести Если взяти період пульсара Крабовидної туманності P=0,033 з, то відповідна йому частота обертання Q=2p /Р, становить приблизно 200 рад/с. Тож знайдемо нижню межу його щільності.

Это дуже значна щільність, що у мільйони раз. вища, ніж білих карликів самих щільних з які спостерігалися доти зірок. Оцінка щільності по періоду «миллисекундного» пульсара, P=0,155 з, Q=4000 рад/с, призводить до. ще більшого значению:

Столь компактними, стиснутими про таку високого рівня можуть лише нейтронні зірки: їх щільність справді близька до ядерної. Такий висновок підтверджується всієї п’ятнадцятирічної історією вивчення пульсарів .Але який походження швидкого обертання нейтронних звезд-пульсаров? Воно безсумнівно викликано сильним на стиснення зірки у її перетворення з «звичайній» зірки в нейтронну. Зірки завжди мають обертанням з тим чи іншого швидкістю чи періодом: Сонце, наприклад, обертається навколо своєї осі з періодом близько місяця. Коли зірка стискається, її обертання убыстряется. З ним відбувається те, що з танцюристом на льоду: притискаючи себе руки, танцюрист прискорює своє обертання. Тут спрацьовує одна з основних законів механіки — закон збереження моменту імпульсу (чи моменту кількості руху). З неї слід, що з зміні розмірів обертового тіла змінюється і його обертання; однак незмінним твір (що й є - з точністю до несуттєвого числового множника — момент імпульсу). У цій книжці Q — частота обертання тіла, Mйого маса, Rрозмір тіла у бік, перпендикулярному осі обертання, який у разі сферичної зірки збігається. з її радіусом. За незмінної масі постійний твір, і, отже, із зменшенням розміру тіла частота його обертання зростає по закону:(1.3).

Нейтронная зірка утворюється шляхом стискування центральній області, ядра зірки, яка вичерпала запаси палива. Ядро встигає ще попередньо стиснутися до розмірів білого карлика,.

Дальнейшее стиснення до розміру нейтронної зірки, означає зменшення радіуса у тисячу разів. Відповідно, у мільйон раз повинна зрости частота обертання й у стільки ж поменшати його період. Замість, скажімо місяці зірка робить тепер один оборот навколо своєї осі за три секунди. Більше швидке вихідне обертання зіпсований і ще більше короткі періоди. Зараз відомий лише пульсари, випромінюючі в радіодіапазоні, — їх називають радиопульсарами, а й рентгенівські пульсари, випромінюючі регулярні імпульси рентгенівських променів. Вони також виявилися нейтронними зірками; у тому фізиці багато такого, що ріднить його з барстерами. Але й радіопульсари, і рентгенівські пульсари від барстеров щодо одного принциповому відношенні: вони мають дуже сильними магнітними полями. Саме магнітні поля — разом із швидким обертанням — і аналітиків створюють ефект пульсацій, хоч і діють ці поля по-різному в радиопульсарах і пульсарах рентгеновских.

Мы розповімо спочатку про рентгенівських пульсарах, механізм випромінювання яких стало понад більш-менш ясний, та був про радиопульсарах, які вивчені поки набагато меншою мірою, хоча які й відкриті раніше рентгенівських пульсарів і барстеров.

Рентгеновские пульсары

Рентгеновские пульсари — це тісні подвійні системи, у яких одне з зірок є нейтронної, іншу — яскравою звездой-гигантом. Відомо близько двох десятків цих об'єктів. Перші дві рентгенівських пульсара — в сузір'ї Геркулеса й у сузір'їв Центавра — відкриті 1972 р. (протягом трьох років до виявлення барстеров) з допомогою американського дослідницького супутниця «Ухуру»). Пульсар в Геркулесі посилає імпульси з періодом 1,24 з. Це період обертання нейтронної зірки. У системі є іще одна період — нейтронна зірка, і її компаньйон роблять звернення довкола їхнього загального центру ваги з періодом 1,7 дня. Орбітальний період було визначено у цьому випадку тому (випадковому) обставині, що «звичайна» зірка при своєму орбітальному русі регулярно виявляється на промені зору, яка з'єднує б нас і нейтронну зірку, і тому вона заступає на час рентгенівський джерело. Це можна, очевидно, тоді, коли площину зоряних орбіт становить лише невеликий кут з променем зору. Рентгенівське випромінювання припиняється приблизно на 6 годин, і знову з’являється, й дуже кожні 1,7 дня.

(Между іншим, спостереження рентгенівських затемнень для барстеров допоследнего часу не вдавалося. І це були дивно: якщо орбіти подвійних систем орієнтовані в просторі хаотично, потрібно очікувати, що з більш як як три десятки барстеров по крайнього заходу кілька мають площині орбітального руху, приблизно паралельні променю зору (як в пульсара в Геркулесі), щоб звичайна зірка могла періодично закривати ми нейтронну зірку. Тільки 1982 р., т. е. через 7 багатьох років після відкриття барстеров, один приклад затменного барстера був, нарешті, обнаружен.)Длительные спостереження дозволив встановити іще однатретій — період рентгенівського пульсара в Геркулесі: цей період становить 35 днів, у тому числі II днів джерело світить, а 24 дня немає. Причина цього явища поки що залишається невідомої. Пульсар в сузір'ї Центавра має період пульсацій 4,8 з. Період орбітального руху дорівнює 2,087 дня—он теж знайдено по рентгенівським затьмаренням. Довгоперіодичних змін, подібних 35-дневному періоду пульсара в сузір'ї Геркулеса від цього пульсара немає. Компаньйоном нейтронної зірки в подвійний системі цього пульсара є яскрава видима звезда-гигант з безліччю 10−20 Сонць. Найчастіше компаньйоном нейтронної зірки в рентгенівських пульсарах є яскрава блакитна звезда-гигант. Цим вони відрізняються барстеров, які містять слабкі зірки-карлики. Але як й у барстерах, у тих системах можливо перетікання речовини від звичної зірки до нейтронної зірці, та його випромінювання теж виникає завдяки нагріванню поверхні нейтронної зірки потоком аккрецируемого речовини. Це той ж фізичний механізм випромінювання, що у разі фонового (не вспышечного) випромінювання барстера. В окремих з рентгенівських пульсарів речовина перетікає до нейтронної зірці як струменя (як і барстерах). Здебільшого випадків звезда-гигант втрачає речовина як зоряного вітру — вихідного від неї поверхні в різні боки потоку плазми, іонізованого газу. (Явище такого роду простежується і в Сонця, хоча сонячний вітер та слабші від — Сонце не гігант, а карлик.) Частина плазми зоряного вітру потрапляє у околиці нейтронної зірки, до зони переважання її тяжіння, що й захоплюється нею.

Однако при наближенні до нейтронної зірки заряджені частки плазми починають відчувати вплив чергового силовим полем магнітного поля нейтронної звезды-пульсара. Магнітне полі здатне перебудувати аккреционный потік, зробити його несферически-симметричным, а спрямованим. Як ми побачимо, від цього і виникає ефект пульсацій випромінювання, ефект маяка. Є всі підстави вважати, що нейтронні зірки рентгенівських пульсарів мають повністю магнітним полем, сягаючим значень магнітної індукції раз більше від середнього магнітного поля Сонця. Але такі поля природно виходять внаслідок сильного стискування при перетворення звичайній зірки в нейтронну. Відповідно до загальним співвідношенням електродинаміки магнітна індукція У поля, силові лінії. якого пронизують цю масу речовини, посилюється при зменшенні геометричних розмірів R цієї массы.

Это співвідношення випливає з закону збереження магнітного потоку. Слід звернути увагу, що магнітна індукція наростає при стискуванні тіла точно як і, як та її частота вращения.

При зменшенні радіуса зірки від значення, рівного, наприклад, радіусу Сонця, до радіуса нейтронної зірки, магнітне полі посилюється на 10 порядків. Магнітне полі з індукцією що з полем Сонця, вважається більш-менш типовим для звичайних зірок; в деяких «магнітних» зірок виявлено поля була в кілька тисяч разів великі, тож цілком можна очікувати, що певна (не надто мала) частка нейтронних зірок справді має мати повністю, магнітним полем. До такого висновку прийшов радянський астрофізик М. З. Кардашев ще 1964 р.

По своєї структурі, т. е. по геометрії силових ліній, магнітне полі пульсара схоже, як очікувалося, на магнітне полі Землі чи Сонця: в нього є полюси, з яких різні боки розходяться силові лінії. Таке полі називають дипольным.

Вещество, аккрецируемое нейтронної зіркою, — це зоряний вітер, воно ионизовано, і тому взаємодіє при своєму русі з її магнітним полем. Відомо, що рух заряджених частинок впоперек силових ліній поля утруднено, а рух вздовж силових ліній відбувається безперешкодно. Через це аккрецируемое речовина рухається поблизу нейтронної зірки практично по силовим лініях її магнітного поля. Магнітне полі нейтронної зірки хіба що створює воронки біля її магнітних полюсів, і над ними іде аккреционный потік. На таку можливість вказали ще 1970 р. радянські астрофізики Р. З. Бисноватый-Коганта. А. М. Фрідман. Завдяки цьому нагрівання поверхні нейтронної зірки виявляється нерівномірним: у полюсів температура значно вище, ніж решти поверхні. Гарячі плями у полюсів мають, за розрахунками, площа — близько одного квадратного кілометра; які й створюють переважно випромінювання зірки — адже світність дуже вразлива щодо температурі — вона пропорційна температурі от у четвертій степени.

Как і в Землі, магнітна вісь нейтронної зірки нахилена до її осі обертання. Через це виникає ефект маяка: яскраве пляма то видно, то ми не видно спостерігачеві. Випромінення швидко обертовою нейтронної зірки представляється спостерігачеві переривчастим, пульсуючим. Цей ефекту передвіщений теоретично радянським астрофізиком У. Ф. Шварцманом кілька років до відкриття рентгенівських пульсарів. Насправді випромінювання гарячого плями відбувається, звісно, безупинно, але це не рівномірно за напрямами, не изотропно, і рентгенівські промені від цього не спрямовані постійно на нас пучок обертається у просторі навколо осі обертання нейтронної зірки, пробігаючи по Землі одного разу за период.

От рентгенівських пульсарів будь-коли спостерігали спалахів, подібних вибухів барстеров. З іншого боку, від барстеров будь-коли спостерігали регулярних пульсацій. Чому ті ж барстеры не пульсують, а пульсари не спалахують? Усі справа, мабуть, у цьому, що магнітне полі нейтронних зірок в барстерах помітно слабше, ніж у пульсарах, і тому він впливає скільки-небудь помітно на динаміку акреції, допускаючи більш-менш рівномірне прогрів всієї поверхні нейтронної зірки. Її обертання, що може бути так само швидким, як і в пульсарів, позначається на рентгенівському потоці тому що цей потік изотропен. З іншого боку, припускають, що полі магнітної індукцією здатне, а саме — хоча, щоправда, і зовсім зрозуміло поки, як саме, — придушувати термоядерні вибухи в приполярних зонах нейтронних зірок. Різниця у потужному магнітному полі пов’язано, мабуть, з відмінностями віку барстеров і пульсарів. Про віці подвійний системи можна судити з звичайній звезде-компаньону. Нейтронні зірки в рентгенівських пульсарах мають компаньйонами яскраві звезды-гиганты; в барстерах ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі за блиском зірки малих мас. Вік яскравих гігантів вбирається у кілька десятків мільйонів років, тоді як вік слабких звезд-карликов може налічувати мільярди: перші набагато швидше витрачають своє ядерного палива, ніж другі. Звідси випливає, що барстеры — це старі системи, у яких магнітне полі встигло згодом у якійсь мірі ослабнути, а пульсари — відносно молоді системи та тому магнітні поля була в них. сильніше. Можливо, барстеры колись минулому пульсували, а, пульсарам ще попереду спалахувати у майбутньому.

Известно, що наймолодші та яскраві зірки Галактики перебувають у її диску, поблизу галактичної площині. Природно тому очікувати, як і рентгенівські пульсари зі своїми яскравими звездами-гигантами розташовуються переважно в галактичної площині. Їх загальне розподіл по небесної сфері має відрізнятиметься від розподілу барстеров, старих об'єктів, які - як і всі старі зірки Галактики — концентруються немає її площині, а до галактичному центру. Спостереження підтверджують вищезазначені міркування: рентгенівські пульсари справді перебувають у диску Галактики, в порівняно вузькому шарі на обидва боку галактичної площині. Така ж розподіл на небі виявляють і пульсари, випромінюючі радіоімпульси, — радиопульсары.

Радиопульсары

Распределение радиопульсаров на небесної сфері дозволяє укласти передусім, що це джерела належать нашої Галактиці: вони вочевидь концентруються до її площині яка є, екватором галактичної координатної сітки. Об'єкти, які пов’язані про галактикою, будь-коли вони показали б ніякої, переважної орієнтації що така. Розподіл за напрямами каже у разі про реальному просторовому розташуванні джерел: така картина може виникнути буде лише тоді, коли джерела перебувають у диску Галактики. Деякі їх лежать помітно вище або нижчий від екватора; але вони теж перебувають у диску, близько площині Галактики, лише ближче до нас, ніж більшість інших пульсарів. Адже разом із Сонцем ми майже напевно в галактичної площині, і тому напрям ми на близькі об'єкти всередині хоча ще й вузького прошарку то, можливо, власне кажучи, будь-яким. Близьких пульсарів порівняно замало, й де вони затемнюють загальне полотно. Якщо радіопульсари розташовуються поблизу галактичної площині, серед найбільш молодих зірок Галактики, то розумно думати, що й самі є молодими. Про одному їх, пульсаре Крабовидної туманності, точно відомо, що він існує лише близько тисячі років — це залишок спалахи наднової 1054 року; його вік значно менше життя яскравих звезд-гигантов, — 10 мільйонів років, а про звездах-карликах, середній вік яких ще 1000 разів більше. Сувора періодичність прямування імпульсів, розташування в площині Галактики і молодість — усе це зближує радіопульсари з рентгенівськими пульсарами. Але в багатьох інші стосунки вони суттєво різняться друг від друга. Не в тому, що навколо лише випускають радіохвилі, інші рентгенівські промені. Найважливіше те, що радіопульсари — це одиночні, а чи не подвійні зірки. Відомо всього три радиопульсара, мають звезду-компаньона. У решти, які понад триста п’ятдесяти, ніяких ознак двоїстості не помічається. Звідси негайно слід, що фізика радиопульсаров мусить бути зовсім інший, ніж в барстеров чи рентгенівських пульсарів. Принципово іншим може бути джерело їх енергії — це у разі не акреція. Інший найважливіший факт: спектр випромінювання радиопульсаров далекий від будь-якого подоби универсальному чернотельному спектру, притаманним для випромінювання нагрітих тіл. Це означає, що випромінювання радиопульсаров неможливо пов’язані з нагріванням нейтронної зірки, з температурою, з тепловими процесами їхньому поверхні. Випромінення електромагнітних хвиль, не що з нагріванням тіла, називають нетепловым. Таке випромінювання непоодинокі в астрофізиці, фізики й техніці. Ось простий приклад. Антена радіостанції чи телецентру — це провідник певного розміру та форми. У ньому є вільні електрони, що під дією спеціального генератора роблять узгоджені руху вздовж провідника туди, й назад із заданої частотою. Оскільки електрони коливаються «в унісон», те й випромінюють вони узгоджено: все випромінювані у просторі електромагнітні хвилі мають однакову частоту — частоту коливань електронів. Отож спектр випромінювання антени містить тільки один частоту чи довжину хвилі. Відомості про спектрі випромінювання радиопульсаров удалося одержати передусім завдяки спостереженням найяскравішого їх — пульсара Крабовидної туманності. Чудово, що його випромінювання реєструється переважають у всіх діапазонах електромагнітних хвиль — від радіохвиль до гама-променів. Найбільше енергії він випускає саме у області гама-променів (отже пульсар цілком заслуговує назви гамма-пульсара); який приймає гамма-поток в рентгенівської області у 5—10 разів менша. У сфері видимого світла він у 10 разів менше. Слабше всього потік в радиодиапазоне:

Можно перевірити, що при який температурі випромінювання нагрітого тіла неспроможна мати таким розподілом енергії областями спектра.

Кроме пульсара Крабовидної туманності, «миллисекундного» пульсара в сузір'ї Лисички і ще одного пульсара в сузір'ї Вітрил, й інші радіопульсари реєструються тільки завдяки випромінюванню в радіодіапазоні. Ймовірно, що вони випромінюють й у інших галузях спектра — в видимому світлі, в рентгенівських і гамма-лучах, подібно пульсару Крабовидної .туманності (хоча, мабуть, і ні інтенсивно, як і); але де вони перебувають далі ми, а чутливість існуючих радіотелескопів вище чутливості оптичних, рентгенівських і гамма-телескопов.

Интересно, що вже й самих лише даних про світності пульсарів в радіодіапазоні — без будь-яких відомостей про випромінюванні більш коротких довжинах хвиль досить, щоб у нетепловом, нечернотельном характері їх випромінювання. Відстань до Крабовидної туманності відомо:, тому з допомогою даних про потоці випромінювання можна знайти світність пульсара. Повна Світність переважають у всіх діапазонах виходить множенням повного потоку на площа, сфери радіуса d:

(В ролі потоку f взятий фактично потік в гамма-диапазоне.) Світність цього пульсара приблизно тисячу разів більше світності Сонця усім довжинах хвиль. Тут, проте потрібно зробити одне зауваження. Наша оцінка була цілком справедлива, якби пульсар випромінював однаково за всіма напрямами. Насправді справі його випромінювання не изотропно, воно має певної спрямованістю. Ми не знаємо, що таке промінь цього «маяка»: яка її завширшки як вісь пульсара орієнтована щодо Землі. Тому врахувати спрямованість випромінювання точно б не вдається; Насправді ж світність то, можливо, взагалі кажучи, і більше, і від; ніж.

Неопределенность навряд чи катастрофічно велика; отже значення світності перебуває, мабуть, между.

Источник энергии

Периодичность імпульсів радиопульсара витримується з дивовижною точністю. Це були найбільш точні годин у природі. І все-таки багатьом. пульсарів вдалося зареєструвати й регулярні зміни їх періодів. Звісно, це виключно малі зміни й трапляються вони вкрай повільно, отже регулярність прямування імпульсів порушується тільки дуже слабко. Характерне час зміни періоду становить для більшості пульсарів приблизно мільйон років; це, що тільки за мільйон років можуть очікувати помітного — скажімо, вдвічі - зміни периода.

Во всіх відомих випадках радіопульсари збільшують, а чи не зменшують свій період. Іншими словами, їх обертання сповільнюється згодом. Щось гальмує обертання нейтронної зірки, чогось витрачається її енергія обертання. Так не служить чи обертання джерелом, відчуває випромінювання пульсара?

Чтобы це перевірити, потрібно зробити передусім енергетичну оцінку. Якщо пульсар справді випромінює з допомогою обертання, то кінетична енергія обертання мають забезпечувати спостережувану потужність випромінювання, його світність. Орієнтовну оцінку кінетичної енергії обертання зірки можна отримати роботу за простою формулі.

где М — маса зірки, V —характерна швидкість обертання, як така можна взяти лінійну швидкість обертання на екваторі зірки. При типовому періоді Р==1 сек. і радіусі нейтронної зірки 10 000 м знаходимо :

Таков запас енергії обертання. Оцінимо тепер темп її використання. Якщо період пульсара збільшується вдвічі під час t, то «за той час кінетична енергія обертання нейтронної зірки зменшується вчетверо.

Значит, за час t втрачається? початкового запасу енергії обертання. Середня втрата енергії в одиницю времени:(1.5) Ми ухвалили тут як t характерне час, однакову одному мільйону років, і скористалися попередньої оцінкою енергії обертання Є. Величина W-средняя потужність, що з витрачанням енергії обертання, що для типового пульсара кілька порядків вищі їхні радиосветимости.

Для пульсара Крабовидної туманності, період якого складають одну тридцяту секунди, оцінку потрібно зробити окремо. В нього й характерне час збільшення періоду не мільйон років; як свідчать спостереження, воно можна з її віком, т. е. близько до тисячі років. І тут потужність Ж опиниться у мільйон разів більше, ніж у співвідношенню (1.5); вона перевищує кілька порядків повну світність цього пульсара переважають у всіх діапазонах волн.

Можно, таким чином, сказати, що припущення щодо обертанні як джерело енергії пульсара витримує першу перевірку: кінетична енергія обертання нейтронної зірки досить великий й вона спроможна служити резервуаром, з яких випромінювання черпає свою енергію. У цьому на випромінювання витрачається лише невелика частка загального витрати энергии.

Магнитно-дипольное излучение

Каким ж чином енергія обертання перетворюється на енергію електромагнітних хвиль? Відповідно до ідеї, висунутої італійським астрофізиком Ф. Пачини англійською теоретиком Т. Голдом, вирішальна роль цьому має належати магнітному полю нейтронної зірки. Як ми вже говорили, нейтронна зірка може мати дуже значним магнітним полем. Найімовірніше, полі має дипольный характер, а його вісь нахилена до осі обертання нейтронної зірки, як і в рентгенівського пульсара Система силових ліній магнітного поля обертається з тим кутовий швидкістю, з яким обертається сама нейтронна зірка. Поза світлового циліндра магнітне полі обертового похилого диполя не може бути тим самим, як і всередині його. На світловому циліндрі відбувається перетворення дипольного магнітного поля була в електромагнітні хвилі, які поширюються зовні, несучи з собою певну енергію. Ця енергія черпається з енергії обертання нейтронної зірки. Такі магнитно-дипольное випромінювання давно вивчено в електродинаміки. Відомо, що частота излученных хвиль дорівнює частоті обертання магнітного диполя, довжина хвилі дорівнює радіусу світлового циліндра. Отже, обертова нейтронна зірка з похилим магнітним полем здатна випромінювати електромагнітні хвилі. У цьому енергія її обертання перетворюється на енергію випромінювання. Але магнитно-дипольные хвилі - це зовсім чи випромінювання, яке спостерігають у пульсарів: його частота занадто низька, а довжина хвилі завеликою — десятки і сотні кілометрів. Магнитно-дипольные хвилі повинні зазнати якісь вельми суттєві перетворення, колись, ніж виникне бачимо випромінювання пульсарів. Ці перетворення відбуваються, очевидно, в магнітосфері пульсара — в навколишньому нейтронну зірку обертовому хмарі заряджених частиц.

Магнитосфера

Возможность і необхідність існування такої хмари довели американські астрофизики-теоретики П. Голдрайх і У. Джуліан. Вони вивчили електромагнітні явища, що відбуваються не так на світловому циліндрі, де останнім часом магнитно-дипольное випромінювання, а поблизу поверхні нейтронної зірки. Тут намагнічена нейтронна зірка здатна «працювати» подібно динамомашине: її обертання викликає поява сильних електричних полів, і з ними струмів, т. е. спрямованих рухів заряджених частинок. Ставлення електричної сили застосування сили тяжкості, випробовуваної електроном, дуже велико:

Такая ж оцінка для протона показує, що діюча нею електрична сила в мільярд разів більше сили тяжіння до нейтронної зірці. Це означає, що сили тяжіння цілком несуттєві для заряджених частинок проти електричними силами біля самісінької поверхні нейтронної зірки. Електричні сили тут надзвичайно великі й вони можуть безперешкодно управляти рухом електронів і протонів: можуть відривати їхнього капіталу від поверхні нейтронної зірки, прискорювати їх, повідомляючи частинкам величезні енергії. Електрична сила, діюча на полі на частку про зарядом, робить по дорозі частки роботу. Отже проходячи в електричному полі відстань, що з радіусом нейтронної зірки (наприклад, від екватора до однієї з полюсів), частка набуває енергію.

Это справді величезна енергія, набагато порядків що перевищує навіть енергії спокою електрона і протона. Гігантська енергія частинок відповідає їхньому швидкостям руху, що наближається до швидкості світла, а фактично співпадаючим із нею. Частинки високих енергій, отрываемые від поверхні нейтронної зірки й ускоряемые сильним електричним полем, створюють потік, який з нейтронної зірки й схожий на сонячний чи зоряний вітер. Магнітне полі захоплює цей потік у обертання разом про нейтронної зіркою. Так навколо виникає дедалі ширша і обертова магнітосфера. Народження і прискорення частинок, їхнім виокремленням магнітосферу, вимагає значної енергії, яка черпається з кінетичній енергії обертання нейтронної зірки. Теоретичний аналіз, пройдений П. Голдрайхом і У.; Джуліаном, показує, що у це витрачається приблизно стільки ж енергії, як і на магнитно-дипольное випромінювання. У цьому і саме магнитно-дипольное випромінювання поповнює запас енергії магнітосфери, воно мало виходить назовні, і поглинається магнітосферою, передаючи свою енергію її частинкам. Немає сумніву, що у магнітосфері нейтронної зірки і розігруються різноманітні фізичні процеси, які визначають спостережувані прояви пульсара. Цілковитою і вичерпної теорії цих процесів ми маємо; теорія радиопульсаров перебуває у процесі розвитку, і навіть у головні запитання вона неспроможне дати закінченого і переконливої відповіді. Нас, передусім цікавить, як виникає спрямованість в випромінюванні пульсара, створює цей природний радіомаяк. Нині можна викласти лише попередні міркування, не які претендують сувору доказовість, але містять, тим не менш, низку дуже важливих ідей. Мабуть, слід з те, що частки високої енергії, заповнюють магнітосферу пульсара, здатні випромінювати електромагнітні хвилі дуже високою частоти, чи, на квантовому мові, фотони дуже високою енергії. Одне з фізичних механізмів випромінювання пов’язані з рухом частинок в сильних магнітних полях. Частинки йдуть переважно вздовж магнітних силових ліній, бо як силові лінії вигнуті, рух частинок може бути прямолінійним і рівномірним. Відхилення самого від прямолінійного і рівномірного руху означає прискорення (чи гальмування) частинки й, отже, супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль. За розрахунками електромагнітні хвилі такого походження належать до гамма-диапазону. У своє чергу гамма-фотоны здатні народжувати (у присутності сильного магнітного поля) пари електронів і позитронів. Електрони і позитроны також випромінюють електромагнітні хвилі при своєму рухів у магнітному полі, а нові хвилі здатні народжувати нові пари частинок тощо. Такий каскад процесів розвивається переважно поблизу магнітних полюсів нейтронної зірки, де сходяться магнітні силові лінії полі особливо велике. Тут формуються, як і думати, спрямовані потоки узгоджено рухомих частинок, які - як і антени — випромінюють узгоджено і цілеспрямовано, створюючи промінь пульсара. Магнітна вісь зірки не збігаються з її віссю обертання, і тому це промінь обертається подібно променю маяка. Але як насправді це відбувається, ще попереду выяснить.

Основная частка енергії обертання, теряемой нейтронної зіркою, перетвориться над бачимо випромінювання пульсара, а енергію частинок, ускоряемых в магнітосфері нейтронної зірки. Радіопульсари є, в такий спосіб, потужним джерелом частинок високих енергій. Електрони високих енергій, народжувані пульсаром Крабовидної туманності, безпосередньо проявляються в світіння туманності. Про це йдеться попереду, а тут можна сказати кілька слів про еволюцію та перспективи подальшої долі радиопульсаров. З часом пульсар втрачає свою енергію обертання і магнітну енергію, отже які і частота обертання, і магнітне полі нейтронної зірки убувають. Через це зменшується електричне полі бою біля поверхні зірки, знижується ефективність відриву частинок та його прискорення. Рано чи пізно частки високих енергій перестануть народжуватися, і радіовипромінювання пульсара припиниться. Якби радиопульсар становив пару разом із звичайною зіркою, міг би тоді перетворитися на барстер, випромінювання якого харчується аккреционным потоком, увлекаемым із поверхні звезды-компаньона. Але (за дуже рідкісними винятками, як уже сказано) радіопульсари — це одиночні нейтронні зірки, а чи не члени тісних подвійних систем. І, тим щонайменше світіння, хоча й досить слабке, все-таки може постати. На думку радянського астрофізика А. І. Цигана може бути зобов’язане акреції нейтрального міжзоряного газу, крізь який рухається згаслий радиопульсар. Випромінюванню такого походження відповідає світність, і більшість испускаемых квантів належить гамма-диапазону. Пошуки таких колишніх пульсарів, нині гамма-звезд — одне з цікавих завдань гамма-астрономии.

Пульсары і космічні промені.

Еще в 1934 р. У. Бааде і Ф. Цвіккі засвідчили її можливий зв’язок між спалахами наднових, нейтронними зірками та космічними променями — частинками високих енергій, які надходили на Землю з космічного пространства.

Космические промені було відкрито більш 60 років і відтоді служать предметом ретельного вивчення. Інтерес до них пов’язаний, передусім, із можливістю використовувати їх на дослідження взаємодій елементарних частинок при високих енергії, недосяжних в лабораторних ускорительных пристроях. Найбільша енергія частки, зареєстрована космічних променях: тоді як у кращих сучасних прискорювачах досягаються енергії на 8 порядків менший від. Частинки високих енергії, які надходять до Землі з міжпланетного і міжзоряного простору, породжують в земної атмосфері нові, вторинні частки, теж які мають чималими енергіями. Але найбільше цікаві, очевидно, вихідні, первинні частки. Вони уявляють собою переважно протони; у тому числі є у невеличкому однині і атомні ядра таких елементів, як гелій, літій, берилій, вуглець, кисень тощо. буд., до урану. Крім рідкісних випадків екстремально великих енергій, енергії в космічних променях для один нуклон (протон чи нейтрон) становить.

Средняя концентрація частинок космічного проміння в міжзоряному просторі нашої Галактики оцінюється величиной Средняя енергія частки.

Плотность енергії космічного проміння, т. е. енергія частинок в одиниці обсягу,.

Последняя величина порівняти з щільністю енергії магнітного поля Галактики і близька до середньої щільності кінетичної енергії хаотичних русі хмар міжзоряного газу. Електронів в космічних променях трохи більше 1−2%. Потік космічного проміння изотропен — він дійдуть Землі рівномірно зусебіч (крім, звісно, частинок, испускаемых Солнцем).

Космические промені, розповсюджуючись в міжзоряних магнітних полях, здатні синхротронное випромінювання. Загальне радіовипромінювання Галактики відомо з кінця 40-х років. Його потужність становить.

Напомним, що потужність оптичного випромінювання Галактики.

эквивалентна світу приблизительно солнц. Проте радиомощность Галактики незрівнянно більшими. Пояснення загального радіовипромінювання Галактики як синхротронного випромінювання електронів космічного проміння запропоновано У. Л" Гінзбургом в 1950—1951 рр. Основне питання фізики космічного проміння з початку його розвитку — природа їхньою високою енергії. Він досі ще вирішене. Обговорюється низку цікавих можливостей: прискорення частинок в міжзоряних магнітних полях (як і припускав ще 40-і роки Еге. Фермі), в оболонках, що скидалися при спалахи наднових (ця ідея розвивається зараз багатьма авторами), в ядрі Галактики і навіть за її межами — в квазарах. Відкриття пульсарів, аналіз їхній електродинаміки, даних про частинках високої енергії в Крабовидної туманності, отримані з аналізу її синхротронного излучения,—все це свідчить про пульсари як у ефективний джерело космічного проміння. Давня ідея У. Бааде і Ф. Цвіккі про Єдність походження нейтронних зірок і космічного проміння набуває зараз нові основания.

Список литературы

А. Д. Чернин «Зірки і фізика».

Р. Киппенхан «100 мільярдів сонць».

У. Корлисс «Загадки всесвіту».

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.