Пульсар — это нейтронная звезда, которая быстро вращается и излучает периодические импульсы электромагнитного излучения, чаще всего в радиодиапазоне, хотя также могут наблюдаться импульсы в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Эти объекты являются одними из самых экзотических и интригующих во Вселенной, и их изучение помогает понять физику экстремальных состояний вещества, гравитации и электромагнитных полей.
Что такое нейтронная звезда?
Чтобы понять, что такое пульсар, нужно сначала разобраться с нейтронными звездами, поскольку пульсары — это их подмножество. Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток массивной звезды (с массой примерно 8–20 масс Солнца), которая пережила взрыв сверхновой. После взрыва ядро звезды коллапсирует под действием гравитации, сжимаясь до невероятной плотности.
- Размеры и масса: Нейтронная звезда имеет диаметр около 10–20 км, но ее масса составляет 1,4–2 массы Солнца. Это означает, что плотность нейтронной звезды настолько велика, что чайная ложка ее вещества весила бы на Земле миллиарды тонн.
- Состав: Основная часть нейтронной звезды состоит из нейтронов, сжатых до состояния, близкого к ядерной плотности. Поверхность звезды покрыта тонкой коркой из атомов железа, а в глубине могут существовать экзотические состояния вещества, такие как кварк-глюонная плазма или гиперонное вещество.
- Магнитное поле: Нейтронные звезды обладают экстремально сильными магнитными полями — в миллиарды или даже триллионы раз сильнее магнитного поля Земли. Это поле играет ключевую роль в поведении пульсаров.
Как образуются пульсары?
Пульсары образуются в результате коллапса ядра массивной звезды после взрыва сверхновой. Этот процесс можно описать следующим образом:
- Жизненный цикл звезды: Массивная звезда (8–20 масс Солнца) проходит через стадии эволюции, сжигая водород, гелий и более тяжелые элементы в своем ядре. Когда запасы топлива исчерпываются, ядро становится нестабильным.
- Взрыв сверхновой: Когда ядро звезды больше не может противостоять гравитации, оно коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в космос в виде сверхновой. Этот взрыв — одно из самых энергетичных событий во Вселенной.
- Формирование нейтронной звезды: Оставшееся ядро сжимается до размеров нейтронной звезды. Если масса ядра слишком велика (более 2–3 масс Солнца), оно может стать черной дырой, но в случае пульсара образуется нейтронная звезда.
- Вращение и магнитное поле: Во время коллапса угловая скорость вращения звезды резко возрастает из-за сохранения момента импульса (аналогично фигуристу, который ускоряет вращение, прижимая руки к телу). Магнитное поле также усиливается из-за сжатия, достигая колоссальных значений.
Если нейтронная звезда вращается быстро и имеет сильное магнитное поле, она может стать пульсаром, излучая направленные пучки электромагнитного излучения.
Почему пульсары излучают импульсы?
Пульсары получили свое название (от англ. pulsating star — «пульсирующая звезда») из-за характерных периодических импульсов излучения, которые астрономы наблюдают с Земли. Это явление объясняется моделью «маяка»:
- Быстрое вращение: Пульсары вращаются с огромной скоростью — от нескольких оборотов в секунду до сотен оборотов в секунду (для миллисекундных пульсаров). Например, самый быстрый известный пульсар, PSR J1748-2446ad, вращается 716 раз в секунду.
- Магнитное поле и излучение: Магнитные полюса пульсара не совпадают с его осью вращения (как у Земли). Сильное магнитное поле ускоряет заряженные частицы (электроны и позитроны) вблизи магнитных полюсов, создавая узкие пучки электромагнитного излучения.
- Эффект маяка: Эти пучки излучения направлены в определенные стороны. Если один из пучков периодически пересекает линию наблюдения с Земли, мы регистрируем импульсы, подобные сигналам маяка. Период импульсов точно соответствует периоду вращения пульсара.
Импульсы могут наблюдаться в разных диапазонах электромагнитного спектра:
- Радиопульсары: Наиболее распространенный тип, излучающий в радиодиапазоне.
- Рентгеновские пульсары: Излучают рентгеновское излучение, часто из-за аккреции вещества с соседней звезды.
- Гамма-пульсары: Излучают гамма-лучи, что характерно для молодых и энергетичных пульсаров.
- Оптические пульсары: Редко, но некоторые пульсары, такие как пульсар в Крабовой туманности, видны в оптическом диапазоне.
Типы пульсаров
Пульсары классифицируются по различным признакам, включая их период вращения, источник энергии и физические характеристики. Основные типы:
- Радиопульсары:
- Самый распространенный тип.
- Период вращения: от миллисекунд до нескольких секунд.
- Пример: PSR B1919+21, первый обнаруженный пульсар (1967 год, Джоселин Белл).
- Миллисекундные пульсары:
- Период вращения: менее 10 миллисекунд.
- Образуются, когда старая нейтронная звезда «раскручивается» за счет аккреции вещества от звезды-компаньона в двойной системе.
- Очень стабильные по периоду вращения, что делает их полезными для точных измерений времени.
- Рентгеновские пульсары:
- Наблюдаются в рентгеновском диапазоне.
- Часто находятся в двойных системах, где нейтронная звезда аккрецирует материал от звезды-компаньона, нагревая его до температур, при которых излучаются рентгеновские лучи.
- Магнитары:
- Нейтронные звезды с экстремально сильными магнитными полями (10^14–10^15 Гс).
- Излучают энергию за счет распада магнитного поля, а не вращения.
- Могут проявляться как аномальные рентгеновские пульсары или источники мягких гамма-всплесков.
- Гамма-пульсары:
- Излучают высокоэнергетическое гамма-излучение.
- Часто связаны с молодыми пульсарами, такими как пульсар в Крабовой туманности.
Открытие пульсаров
Пульсары были открыты в 1967 году астрономом Джоселин Белл (позже Белл-Бернелл) и ее руководителем Энтони Хьюишем в Кембриджском университете. Они анализировали данные радиотелескопа и заметили регулярные импульсы с периодом 1,337 секунды. Сначала сигналы были настолько регулярными, что ученые в шутку назвали их «LGM» (Little Green Men — «маленькие зеленые человечки»), предполагая внеземной разум. Однако вскоре стало ясно, что это природное явление, связанное с нейтронными звездами.
Открытие пульсаров стало революционным, так как подтвердило теоретические предсказания о существовании нейтронных звезд и дало новый инструмент для изучения физики.
Физические характеристики пульсаров
- Период вращения: От 1,4 мс (миллисекундные пульсары) до нескольких секунд. Со временем вращение замедляется из-за потери энергии на излучение.
- Магнитное поле: От 10^8 до 10^15 Гс (для магнитаров). Для сравнения, магнитное поле Земли составляет около 0,5 Гс.
- Температура: Поверхность молодой нейтронной звезды может достигать миллионов градусов Кельвина, но со временем она остывает.
- Энергия: Основной источник энергии — вращение (для радиопульсаров), аккреция (для рентгеновских пульсаров) или магнитное поле (для магнитаров).
Почему пульсары важны для науки?
Пульсары предоставляют уникальную возможность изучать физику в экстремальных условиях и тестировать фундаментальные теории. Вот несколько ключевых аспектов:
- Тесты общей теории относительности (ОТО):
- Пульсары в двойных системах, такие как PSR B1913+16 (пульсар Халса-Тейлора), позволили впервые подтвердить предсказания ОТО о гравитационных волнах. Наблюдения за изменением орбиты этого пульсара из-за потери энергии на гравитационные волны принесли Халсу и Тейлору Нобелевскую премию в 1993 году.
- Космические часы:
- Миллисекундные пульсары имеют настолько стабильный период вращения, что их можно использовать как сверхточные космические часы. Это важно для навигации космических аппаратов и поиска гравитационных волн.
- Изучение вещества:
- Пульсары позволяют изучать поведение вещества при экстремальных плотностях, недостижимых в земных лабораториях. Это помогает понять уравнение состояния ядерной материи.
- Гравитационные волны:
- Массивы пульсаров (Pulsar Timing Arrays) используются для обнаружения низкочастотных гравитационных волн, вызванных слияниями сверхмассивных черных дыр.
- Космическая навигация:
- Пульсары могут служить ориентирами для межзвездной навигации, так как их импульсы уникальны и предсказуемы.
Примеры известных пульсаров
- PSR B1919+21: Первый обнаруженный пульсар (1967 год).
- PSR B0531+21 (Крабовый пульсар): Молодой пульсар в Крабовой туманности, остаток сверхновой 1054 года. Период вращения — около 33 мс.
- PSR J1748-2446ad: Самый быстрый известный пульсар, вращающийся 716 раз в секунду.
- PSR B1913+16: Пульсар Халса-Тейлора, использованный для подтверждения ОТО.
Как наблюдают пульсары?
Пульсары наблюдаются с помощью радиотелескопов, таких как Аресибо (до его разрушения в 2020 году), телескоп Грин-Бэнк, SKA (Square Kilometre Array) и другие. Для рентгеновских и гамма-пульсаров используются космические телескопы, такие как Chandra, XMM-Newton и Fermi.
- Радионаблюдения: Импульсы регистрируются с высокой точностью, что позволяет измерять период вращения с точностью до наносекунд.
- Многочастотные наблюдения: Для некоторых пульсаров излучение фиксируется сразу в нескольких диапазонах, что дает более полную картину их свойств.
Интересные факты о пульсарах
- Пульсары замедляют свое вращение со временем, но миллисекундные пульсары могут быть «разогнаны» за счет аккреции.
- Некоторые пульсары демонстрируют «глитчи» — внезапные ускорения вращения, возможно, из-за перестройки внутренней структуры звезды.
- Пульсары могут быть частью двойных систем, где их компаньонами являются обычные звезды, белые карлики или даже другие нейтронные звезды.
- Пульсар в Крабовой туманности настолько ярок, что его можно наблюдать даже в любительский телескоп в оптическом диапазоне.
|
