Пульсары и нейтронные звезды, Сверхновые пульсары нейтронные звезды – Статьи на сайте Четыре глаза
Основатель группы и гитарист Бернард Самнер нашёл в Кембриджской энциклопедии астрономии чёрно-белый график года , созданный Гарольдом Крафтом, напоминающий цифровые контуры горных вершин. Пульсары открыл английский астрофизик Джоселин Белл в году. Квантовый переход.
Любая магнитная силовая линия, не умещающаяся под световым цилиндром, остается незамкнутой. Излучение расходится внутри конуса, ограниченного последними замкнутыми силовыми линиями, заканчивающимися на световом цилиндре. Световой цилиндр имеет каждый вращающийся магнит, включая Землю. Но магнитное поле Земли достаточно слабое — на поверхности оно меняется от 0,25 до 0,65 гаусса, и концы цилиндра так далеко, что никакой роли он не играет.
Однако магнитное поле нейтронной звезды настолько мощное, что это действительно важно. Эти открытые силовые линии могут ускорять частицы, как мотор. Вблизи двух магнитных полюсов они срывают с поверхности нейтронной звезды лавину частиц. Эти частицы, главным образом электроны, обладающие большой энергией, несутся вдоль открытых силовых линий внутри узких конусообразных пучков, не обязательно направленных вдоль оси вращения пульсара.
Взаимодействуя с магнитными силовыми линиями, частицы ускоряются и испускают радиоволны, распространяющиеся в космосе в том же направлении, что и движущиеся частицы. Пульсар можно заметить, если один из несущихся через пространство потоков направлен в сторону Земли. Как уже говорилось раньше, пульсар, наподобие морского маяка, испускает лучи непрерывно, но он вращается вокруг своей оси, и поэтому мы видим повторяющиеся вспышки света.
Со временем, по мере того как все больше и больше частиц уносится с поверхности нейтронной звезды, пульсар замедляется. В какой-то момент лишенный энергии пульсар начинает вращаться слишком медленно, магнитные силовые линии уже не могут срывать электроны с поверхности нейтронной звезды, и излучение должно будет прекратиться. Считается, что примерно лет назад, когда пульсар в Крабовидной туманности был молод, его период вращения составлял шестнадцать миллисекунд. Сегодня он равен тридцати трем миллисекундам, и пульсар продолжает замедляться, а его период увеличивается примерно на 1,3 миллисекунды в столетие.
Чем сильнее начальное магнитное поле, тем быстрее замедляется пульсар. Магнитное поле молодых пульсаров порядка — гауссов. Для сравнения: магнитное поле магнитика, который вешают на холодильник, порядка ста гауссов.
Такой пульсар остается активным от десяти до ста миллионов лет. Они пересекли линию смерти и растворились в небытии космоса, перебравшись на кладбище нейтронных звезд. Не все радиопульсары так и остаются мертвыми. У некоторых есть звезды-компаньоны, связанные с ними гравитационными силами; перетягивая на себя вещество компаньона, радиопульсары могут "восстать из могилы".
Ученые называют их раскрученными миллисекундными пульсарами. Для Нидерландов 29 декабря года выдалось необычно снежным и холодным. Оставалось еще несколько месяцев до того, как на суперкомпьютер Гронингенского университета поступят данные от самого медленного пульсара, но LOFAR все же удалось преподнести астрономам запоздалый рождественский подарок.
Кес Басса, сотрудник Нидерландского института радиоастрономии, решил проверить последние показания LOFAR: в конце концов, телескоп не ушел на каникулы, так что поиск пульсаров продолжался. Сидя в спальне и привычно просматривая свежие данные, Басса неожиданно заметил на сигнале пик — возможно, пульсар, который, в отличие от других пульсаров, вращается с невероятно большой скоростью. Это было очень интересно, и, несмотря на выходные дни, Басса отправил электронное письмо своему коллеге Джейсону Хесселсу из Амстердамского университета.
Тема письма звучала интригующе: "Поздоровайся с Среди всех обнаруженных пульсаров новый пульсар, теперь его называют PSR J—, занимает второе место по скорости вращения.
Он почти догнал "рекордсмена", обнаруженного Хесселсом двенадцатью годами ранее, в м подробнее об этом открытии будет рассказано в главе 5. Периоды вращения обоих пульсаров измеряются миллисекундами: представьте себе пульсар Басса в виде шара размером с Вашингтон, вращающегося со скоростью оборотов в секунду.
Хесселс рассказывает: "Когда я прочел письмо Басса, то еще даже до всяких проверок понял: все правильно. Я был чрезвычайно возбужден, ведь последние пятнадцать лет это один из самых интересных для меня вопросов. Поэтому, хоть я и был в отпуске, но, услышав о таком невероятном событии, немедленно все бросил. Ни о чем другом думать не мог — это один из самых захватывающих этапов работы". Торжествовал Хесселс не один: потрясающей новостью он поделился с женой и семилетней дочкой Димфи.
Хесселс рассказывает: "Я сказал Димфи, что вот есть такая новая звезда и она совершенно особенная, поскольку вращается так быстро, что голова может очень, очень сильно закружиться". Димфи в восторге начала кружиться: "Вот так, папочка? Я нейтронная звезда? Вращающиеся так быстро пульсары называются миллисекундными. Первый такой пульсар открыл американский астрофизик Дональд Чарльз Баккер в году, после того как его магистрант Шри Кулкарни обработал данные телескопа Arecibo.
Совершая оборота в секунду, он удерживал рекорд скорости более двух десятилетий. Их плотность максимальна внутри шаровых звездных скоплений, содержащих большое число тесно связанных гравитацией старых звезд. В отличие от радиопульсаров, совершающих в одиночестве несколько оборотов в секунду, миллисекундные пульсары обычно обнаруживают в паре с другой звездой, чаще всего с белым карликом.
Однако не всегда звездная пара существовала в таком виде. Подобные двойные системы исходно состоят из пары обычных звезд, безмятежно обращающихся друг относительно друга. В какой-то момент более массивная звезда расходует все свое ядерное топливо. Она вспыхивает сверхновой, оставляя вместо себя нейтронную звезду. Если система "выживает" при взрыве сверхновой, то есть ни нейтронная звезда, ни ее компаньон не выбывают из системы, они будут продолжать обращаться вокруг общего центра масс, причем пульсар излучает энергию в виде радиоволн иногда еще и рентгеновское и гамма-излучение и вращается все медленнее.
За время своей жизни этот пульсар может замедлиться настолько, что замолчит — умрет, и наши телескопы больше не смогут его видеть. Миллиарды лет спустя истечет срок жизни и компаньона пульсара — обычной звезды меньшей массы.
Звезда начнет раздуваться и превратится в красный гигант. Вот тут-то становится действительно интересно. Раздуваясь, звезда приближается к своему компаньону — замолкшему пульсару. В какой-то момент она приблизится настолько, что излучение пульсара начнет разогревать поверхность красного гиганта — и вещество с нее будет улетучиваться. Когда такое происходит, из материала спутника пульсара формируется струя, направленная на мертвого друга, благодаря чему вокруг нейтронной звезды образуется диск из захваченного вещества.
Этот процесс называется "аккреция". Его можно описать так. Аккреционный диск напоминает горячий пончик. Разбухшее тесто — вещество, из которого он состоит, — стекает через отверстие, напоминающее слив ванной, и закручивается вокруг нейтронной звезды, постепенно оседая на ее поверхности. Перетекание вещества на нейтронную звезду до какой-то степени уменьшает ее магнитное поле, хотя до конца этот процесс не понимает никто. В результате аккреции нейтронной звезде передается угловой момент, что заставляет ее вращаться быстрее.
Можно сказать, что компаньон нейтронной звезды вдыхает в нее новую жизнь. Падающее на нейтронную звезду вещество взаимодействует с ее магнитным полем.
Если магнитное поле достаточно велико, чтобы преодолеть силу гравитации, горячая газовая плазма удерживается вдоль магнитных силовых линий и впоследствии начинает стекать к магнитным полюсам нейтронной звезды. Тогда нейтронная звезда формирует горячие аккреционные пятна обычно их называют просто "горячие пятна" непосредственно в области магнитных полюсов — что-то вроде горба или горы поверх полюсов.
Горячие пятна начинают излучать в рентгеновском диапазоне, и с этого момента пульсар опять можно обнаружить, при условии, что горячее пятно оказывается в поле зрения наших рентгеновских телескопов. Такая система называется маломассивной рентгеновской двойной системой, или LMXB Low Mass X-ray Binary , поскольку компаньон, передающий вещество на нейтронную звезду, изначально был звездой малой массы наподобие Солнца, а пульсар излучает рентгеновские лучи2.
Их можно наблюдать с помощью космических рентгеновских телескопов, таких как Chandra и XMM. Но открытие этих систем началось с пуска ракеты. Шел год. Детектор рентгеновских лучей установили на переделанной ракете "Фау-2", запущенной с ракетного полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико.
Вынесенный за пределы атмосферы ракетой, детектор был предназначен для регистрации рентгеновского излучения Солнца. Астрономы подозревали, что и наша собственная звезда является источником рентгеновского излучения. Они знали, что рентгеновское излучение должно поглощаться атмосферой, но ожидали, что звезды и другие космические тела вроде нашего Солнца, содержащие очень горячие газы при температурах от миллиона до ста миллионов кельвинов, испускают рентгеновские лучи.
Считалось, что рентгеновское излучение Солнца должно быть существенно слабее видимого света, исходящего от нашей звезды, и, по мнению астрономов, именно поэтому им никак не удастся обнаружить рентгеновское излучение более далеких звезд. В году они поняли, что это предположение было неверным. Итальянский астрофизик Риккардо Джаккони установил детектор рентгеновского излучения на ракете Aerobee Она стартовала 12 июня года, и тогда впервые удалось наблюдать космическое рентгеновское излучение источника, который, без сомнения, находился вне Солнечной системы.
Сейчас этот источник известен как Скорпион X Хотя он расположен гораздо дальше Солнца, его излучение в сто тысяч раз интенсивнее полного излучения Солнца во всем диапазоне длин волн. Стало очевидно, что Скорпион X-1 — не звезда. Кроме того, детектор Джаккони показал, что рентгеновское излучение заполняет всю Вселенную. Началась эра рентгеновской астрономии. Точно так же как в середине шестидесятых Джоселин Белл терпеливо вбивала столбы в грязь Кембриджшира, советский астроном Иосиф Шкловский упорно анализировал рентгеновские и оптические данные Скорпиона X Согласно его гипотезе, источником излучения была нейтронная звезда, аккрецирующая вещество своей звезды-компаньона.
В то время нейтронные звезды существовали только в теории, но позже Белл обнаружила первый пульсар LGM-1 и трех его "кузенов". До сих пор это все еще самый яркий из известных источников рентгеновского излучения на небе. В году группа Джаккони запустила спутник Uhuru — первую орбитальную рентгеновскую обсерваторию. Позже эта обсерватория обнаружила первого кандидата на роль черной дыры. На самом деле Uhuru — неофициальное название космического телескопа SAS-1 Small Astronomy Satellite — 1, "маленький астрономический спутник — 1".
Но название Uhuru прижилось: на суахили это слово означает "свобода", а запустили спутник с итальянского космодрома Сан-Марко в Кении в день независимости страны. Позднее Джаккони работал с Einstein X-ray Observatory Рентгеновская обсерватория имени Эйнштейна — первым рентгеновским телескопом, позволявшим получать изображение источника, запущенным в году, а затем и с его преемником телескопом Chandra — космической рентгеновской обсерваторией, запущенной в году3.
Некоторые даже использовали старомодные фотографические пластинки, когда искали на небе голубые и переменные объекты". Одним из первых источников рентгеновского излучения, идентифицированных как двойная система, стал Лебедь X Свое название он получил в соответствии с принятым тогда общим правилом: открытые источники рентгеновского излучения астрономы называли по имени созвездия, где источник был обнаружен, и добавляли букву X, указывающую на то, что это рентгеновский источник.
Постепенно от этого правила отказались, поскольку обнаруженные источники исчислялись миллионами. Помимо LMXB бывают и нейтронные звезды другого типа, излучающие в рентгеновском диапазоне.
Если в двойной системе компаньон нейтронной звезды имеет промежуточную массу, систему называют рентгеновской двойной системой промежуточной массы, или IMXB Intermediate Mass X-ray Binary.
В этом же году Виталий Лазаревич Гинзбург написал статью о том, что нейтронные звёзды могут иметь очень сильные магнитные поля и достаточно быстрое вращаться [4]. Радиотелескопы с чувствительностью, достаточной для обнаружения пульсаров, существовали с х годов. В году Николай Кардашев вплотную подошёл к открытию пульсара в Крабовидной туманности в теоретическом плане [4] , исследуя проблему происхождения магнитного поля Крабовидной туманности.
Для объяснения наблюдаемых особенностей ученый предложил простую и изящную модель, суть которой изложена ниже. В результате вспышки сверхновой звезды её внутренние части катастрофически сжимаются коллапсируют.
Хотя размеры звезды уменьшаются в сотни тысяч раз, две важные величины должны сохранить почти неизменное значение. Это, во-первых, момент количества движения, и во-вторых, магнитный поток.
При этом масса звезды за вычетом выброшенной во время взрыва части не меняется, а радиус уменьшается в сотни тысяч раз. Следовательно, из условия сохранения момента количества движения следует, что экваториальная скорость сжимающейся звезды должна увеличиться во столько раз, во сколько раз уменьшился её радиус.
На конечной стадии сжатия, когда образуется нейтронная звезда, её экваториальная скорость вращения может быть огромной, близкой к скорости света. В дальнейшем наблюдения Николая Кардышева подтвердились [5]. В году в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета проводились наблюдения сцинтилляций потока радиоизлучения от космических источников , возникающих при прохождении этого излучения через неоднородности плазмы внешней короны Солнца и прилегающих к ней областей межпланетной среды.
Энтони Хьюиш решил использовать метод сцинтилляции, чтобы иметь возможность выделить квазары среди других наблюдаемых космических источников радиоизлучения [6]. Для работы использовался Кембриджский радиотелескоп , сконструированный Хьюишем для изучения межпланетных мерцаний компактных радиоисточников [6]. Телескоп представлял собой прямоугольную антенную решётку, содержащую волновых диполей, с рабочей частотой 81,5 МГц и занимаемой площадью почти 2 га [3].
В году Энтони Хьюиш и аспирантка Джоселин Белл , собиравшая материал для своей диссертации, провели первые наблюдения мерцаний компактных радиоисточников, возникающих вследствие рассеяния радиоволн на неоднородностях солнечного ветра. Задача Д. Белл состояла в просмотре записей с самописцев телескопа, обработке данных наблюдения и выявлении сигналов от компактных источников.
Среди первых же мерцающих источников, обнаруженных Белл на этом инструменте спустя два месяца наблюдений, был сигнал, состоящий целиком из «мерцаний».
Дальнейшие наблюдения показали, что источник излучает очень правильные последовательности узких импульсов с периодом 1, с [7]. Повторяющиеся сигналы не были похожи ни на сигналы от привычных небесных источников, ни на паразитные сигналы от наземных источников. Хьюиш счел сигналы помехой от земного источника, однако, поиски источника помех ни к чему не привели. Белл предположила, что найденный сигнал порождается точечным источником — звездой.
Однако период излучения импульсов этим источником был чуть более секунды, что не характерно для переменных звёзд и не может быть вызвано протекающими в них процессами [8].
Когда было обнаружено еще три подобных пульсирующих источника, стало очевидным, что они должны иметь естественное происхождение [3]. Импульсы с интервалом в 1, секунды казались подозрительно искусственными. Более того, 1, секунды - это слишком высокая частота пульсаций для такого большого объекта, как звезда. Источник не мог быть связан с Землей, потому что сохранял звёздное время если только это не были другие астрономы.
Мы рассмотрели и исключили отражённые сигналы от Луны, спутники на орбитах и аномальные эффекты, вызванные большим зданием с крышей из гофрированного металла чуть южнее телескопа. Затем Скотт и Коллинз наблюдали пульсации с помощью другого телескопа, что устранило инструментальные эффекты. Джон Пилкингтон измерил дисперсию сигнала, которая установила, что источник находится далеко за пределами Солнечной системы, но внутри галактики. Так были ли эти пульсации рукотворными, или созданы человеком из другой цивилизации?
Но тогда они должны были бы подвергаться эффекту Доплера вследствие обращения планеты с «зелёными человечками» вокруг своей звезды, но измерения Хьюиша не обнаружили ничего, кроме подтверждения того факта, что Земля действительно обращается вокруг Солнца. Джоселин Белл. В статье были представлены основные факты и их интерпретация, в частности предложена модель, отождествляющая пульсар с белым карликом или нейтронной звездой. За несколько дней до публикации в журнале Энтони Хьюиш устроил семинар в Кембридже, где доложил о полученных результатах.
В ходе обсуждения открытого командой учёных астрономического объекта Фред Хойл, основатель и директор кембриджского Института теоретической астрономии, высказал предположение, что пульсарами должны быть не белые карлики, как полагали многие, а остатки взрыва сверхновых - нейтронные звёзды [9]. За это открытие в году Энтони Хьюишу и Мартину Райлу была присуждена Нобелевская премия по физике [10]. Джоселин Белл в число лауреатов не попала.
Открытие пульсаров оказало необыкновенное воздействие на астрономов всего мира. За год было опубликовано свыше статей по теме. Однако, оптические наблюдения давали отрицательные результаты, пока Уильям Джон Кок , Майкл Дисней и Дональд Тейлор в обсерватории Стьюарда Аризона , США не обнаружили в центре Крабовидной туманности звёздный источник, период оптических вариаций которого был равен периоду пульсаций радиопульсара.
Звезда, излучающая оптические импульсы, была отождествлена Вальтером Бааде и Рудольфом Минковским в году с остатком взрыва сверхновой. Через год импульсное излучение этого объекта было обнаружено в рентгеновском диапазоне, а ещё позднее — в диапазоне гамма-излучения [3].
Пятнадцатого днём было облачно, но к вечеру небо прояснилось. Мы начали ровно в 20 часов Для начала мы сделали замер от тёмного неба, в стороне от звёзд. Для следующего измерения мы выбрали звезду, которую Вальтер Бааде обозначил как центральную звезду Крабовидной туманности. Всего тридцать секунд потребовалось для того, чтобы прибор показал нарастающее накопление импульса на счётчиках.
Заметен был и слабый вторичный импульс, отстоящий от главного примерно на половину периода; он был значительно шире и не такой высокий Действительно ли это пульсар или просто какие-то ложные аппаратурные эффекты? Ведь частота пульсара была в точности равна половине промышленной частоты переменного тока в США.
Но при повторном измерении импульс вновь появился во всей своей красе, и настроение под куполом обсерватории поднялось.
Он отнёсся к моему сообщению скептически и предложил изменить кое-что в аппаратуре, чтобы устранить возможные ошибки. Лишь на следующую ночь, наблюдая своими глазами за накоплением импульса, он перестал сомневаться. В году советский астрофизик Михаил Сажин из Института астрономии им.
Штернберга в Москве первым предложил использовать пульсары для прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона. Через год астроном Йельского университета Стивен Детвейлер также описал метод поиска гравитационных волн путем измерения времени прибытия излучения пульсаров [1].
В году был открыт пульсар, входящий в двойную систему. Его изучение дало подтверждение общей теории относительности , и возможность излучения гравитационных волн. Решающую роль в изучении пульсаров сыграл метровый радиотелескоп в Парксе Новый Южный Уэльс , Австралия.
Почти половина известных пульсаров в Млечном Пути была открыта посредством этого телескопа. Несмотря на устаревшую технологию, телескоп продолжает фиксировать пульсары. Вначале пульсары было принято обозначать двумя буквами, например СР: С — сокращенное название обсерватории Cambridge — Кембридж и Р — сокращение слова pulsar пульсар , за которыми следовало четырехзначное число, обозначающее прямое восхождение в часах и минутах, например 19 часов, 19 минут.
С началом более обширных наблюдений оказалось, что эта система не в состоянии дать однозначные обозначения для многих объектов. По этой причине, а также вследствие стремления к более однородной и чёткой номенклатуре, для всех пульсаров было принято обозначение PSR сокращение от pulsar. Когда необходимо дополнительное разрешение, склонение дается с точностью десятых долей градуса добавлением ещё одной цифры [3].
Первоначально системой координат , в которой указывалось прямое восхождение и склонение пульсара, были координаты года , позднее стали использовать координаты года , хотя для некоторых знаменитых пульсаров обычно используются прежние обозначения. Заключительная фаза эволюции звезды, наступающая после того, как будут в значительной степени исчерпаны ресурсы её ядерного водородного горючего, существенно определяется её массой.
Внутренние слои массивных звёзд под влиянием силы тяготения, которой уже не может противодействовать газовое давление, обрушиваются к центру звезды.
Это явление наблюдается как вспышка сверхновой [5]. След, остающийся в межзвёздной среде от этой гигантской космической катастрофы, называется остатком вспышки сверхновой ОВС. Современные всеволновые методы исследований показали, что комплекс явлений ОВС охватывает область межзвёздной среды размером порядка десятков парсеков и наблюдается в течение десятков и сотен тысяч лет.
Масса выброшенного при взрыве сверхновой вещества достигает нескольких масс Солнца , скорость его разлета тыс.
