Пульсары и нейтронные звезды. Школьная энциклопедия Пульсар – нейтронная звезда

Радиотелескоп FAST обнаружил новый миллисекундный пульсар. Авторы и права: Pei Wang / NAOC.

Пульсар – это космический объект, который испускает мощное электромагнитное излучение в радиодиапазоне, характеризующееся строгой периодичностью. Энергия, высвобождаемая в таких импульсах, является небольшой частью всей энергии пульсара. Абсолютное большинство обнаруженных пульсаров находятся в Млечном Пути. Каждый пульсар испускает импульсы с определённой частотой, которая составляет от 640 пульсаций в секунду до одной – каждые пять секунд. Периоды основной части таких объектов находятся в пределах от 0,5 до 1 секунды. Исследования показали, что периодичность импульсов увеличивается на одну миллиардную секунды каждые сутки, что в свою очередь объясняется замедлением вращения в следствии излучения звездой энергии.

Первый пульсар был открыт Джоселин Белл и Энтони Хьюишем в июне 1967 года. Обнаружение такого рода объектов не было предсказано теоретически и стало большим сюрпризом для учёных. В ходе исследований астрофизики обнаружили что такие объекты должны состоять из весьма плотного вещества. Такой гигантской плотностью вещества обладают только массивные тела, например, звёзды. В следствии громадной плотности ядерные реакции проходящие внутри звезды превращают частицы в нейтроны, именно поэтому эти объекты именуются нейтронными звёздами.

Большинство звёзд имеют плотность немного больше чем у воды, ярким представителем тут является наше Солнце, основным веществом в котором является газ. Белые карлики по массе равны Солнцу, однако имеют меньший диаметр, в следствии чего их плотность составляет примерно 40 т/см 3 . Пульсары по массе сопоставимы с Солнцем, но их размеры весьма миниатюрны – примерно 30 000 метров, что в свою очередь увеличивает их плотность до 190 млн. т/см 3 . С такой плотностью Земля имела бы диаметр примерно 300 метров. Вероятнее всего пульсары появляются после взрыва сверхновой, когда оболочка звезды исчезает, а ядро сжимается в нейтронную звезду.

Лучше всего на сегодняшний день изучен пульсар PSR 0531+21, который находится в Крабовидной туманности. Этот пульсар совершает 30 оборотов в секунду, индукция его магнитного поля составляет тысячу Гаусс. Энергия этой нейтронной звезды в сто тысяч раз больше, чем энергия нашей звезды. Вся энергия делится на: радиоимпульсы (0,01%), оптические импульсы (1%), рентгеновское излучение (10%) и низкочастотное радиозлучение / космические лучи (остальное).

Продолжительность радиоимпульса у стандартной нейтронной звезды составляет тридцатую часть от времени между пульсациями. Все импульсы у пульсара значительно отличаются друг от друга, однако общая форма импульса конкретного пульсара свойственна только ему и одинакова на протяжении десятков лет. Эта форма может рассказать очень много всего интересного. Чаще всего любой импульс делится на несколько субимпульсов, которые в свою очередь делятся на микроимпульсы. Размер таких микроимпульсов может доходить до трёхсот метров, а испускаемая ими энергия равна солнечной.

На данный момент пульсар представляется учеными как вращающаяся нейтронная звезда, имеющая мощное магнитное поле, которое захватывает ядерные частицы вылетающие с поверхности звезды и затем ускоряет их до колоссальных скоростей.

Пульсары состоят из ядра (жидкое) и коры толщина которой равна примерно одному километру. В следствии этого нейтронные звёзды больше похожи на планеты нежели на звёзды. Из-за скорости вращения пульсар имеет сплюснутую форму. Во время импульса нейтронная звезда теряет часть своей энергии, и в результате её вращение замедляется. Из-за этого замедления в коре нарастает напряжение и затем кора ломается, звезда становится немного более круглой – радиус уменьшается, а скорость вращения (из-за сохранения момента) увеличивается.

Расстояния до обнаруженных на сегодняшний день пульсаров варьируются в пределах от 100 световых лет до 20 тысяч.

Слишком уж необычным был. Главная его особенность, за что он и получил свое название – периодические вспышки излучения, причем со строго определенным периодом. Этакий радиомаяк в космосе. Сначала предполагали, что это пульсирующая звезда, которая меняет свои размеры – такие давно известны. А обнаружила его Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, с помощью радиотелескопа.
Что интересно, первый пульсар назвали LGM-1, что на английском означает «маленькие зеленые человечки». Однако постепенно выяснилось, что пульсары – естественные объекты нашей Вселенной, да и открыто их уже довольно много – под две тысячи. Самый близкий от нас находится на расстоянии 390 световых лет.

Итак, что же представляет собой пульсар? Это очень маленькая, но очень плотная нейтронная звезда. Такие звезды образуются после взрыва звезды – гиганта, гораздо большей, чем наше Солнце – карлик. В результате прекращения термоядерной реакции вещество звезды сжимается в очень плотный объект – это называется коллапсом, а во время этого электроны – отрицательные частицы, вдавливаются внутрь ядер и соединяются с протонами – положительными частицами. В конце концов, все вещество звезды оказывается состоящим из одних нейтронов, что и дает огромную плотность – нейтроны не имеют заряда и могут располагаться очень тесно, практически друг на друге.

Так вот, вся материя огромной звезды умещается в одной нейтронной звезде, которая имеет размеры всего в несколько километров. Плотность ее такова, что чайная ложка вещества этой звезды весит миллиард тонн.

Первый пульсар, открытый Джоселин Белл, посылал в космос электромагнитные вспышки с частотой 1.33733 секунды. Другие пульсары имеют другие периоды, но частота их излучения остается постоянной, хотя и может лежать в различных диапазонах – от радиоволн до рентгеновского излучения. Почему так происходит?

Дело в том, что нейтронная звезда размером с город очень быстро вращается. Она может совершить тысячу оборотов вокруг своей оси за одну секунду. При этом она имеет очень мощное магнитное поле. По силовым полям этого поля движутся протоны и электроны, а около полюсов, где магнитное поле особенно сильное и где эти частицы достигают очень больших скоростей, они выделяют кванты энергии в различных диапазонах. Получается как бы естественный синхрофазотрон – ускоритель частиц, только в природе. Вот так на поверхности звезды образуется две области, из которых идет очень мощное излучение.

Положите на стол фонарик и начните его вращать. Луч света вращается вместе с ним, освещая все по кругу. Так и пульсар, вращаясь, посылает свое излучение с периодом своего вращения, а оно у него очень быстрое. Когда на пути луча оказывается Земля, мы видим всплеск радиоизлучения. Притом идет этот луч из пятна на звезде, размер которого всего-навсего 250 метров! Это какая же мощность, если мы можем обнаружить сигнал за сотни и тысячи световых лет! Магнитные полюса и ось вращения у пульсара не совпадают, поэтому излучающие пятна вращаются, а не стоят на месте.

Предсказаны теоретиками, в частности, академиком Л. А. Ландау в 1932 году.

Превращения звезд

Вселенная из космического пространства

Строение нейтронной звезды

Нейтронная звезда - весьма странный объект при диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Что же это за объекты? О них и пойдет речь в статье.

Состав нейтронных звёзд

Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов. Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды - самые плотные объекты во вселенной. Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.

Магнитное поле

Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин. Для примера магнитное поле Земли 1 гаусс, нейтронной звезды 10 000 000 000 000 гаусс. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиарды раз слабее.

Пульсары

Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной».

Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.

Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров

Экзопланеты у нейтронных звезд

Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны, возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.

Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.

На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.

Исследования

Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские источники. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат. В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них. А прерывистость линии обозначает период их обращения.

Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.

Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.

– это космические источники радио-, оптического, рентгеновского и/или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).

Поэтому по виду излучения их разделяют на радиопульсары, оптические пульсары, рентгеновские и/или гамма-пульсары. Природа излучения пульсаров пока полностью не раскрыта, модели пульсаров и механизмов излучения ими энергии изучаются теоретически. На сегодняшний день преобладает мнение о пульсарах как о вращающихся нейтронных звездах с сильным магнитным полем.

Открытие пульсаров

Это произошло в 1967 г. Английский радиоастроном Э. Хьюиш и его сотрудники обнаружили идущие как бы из пустого места в космосе короткие радиоимпульсы, повторяющиеся стабильно с периодом не менее секунды. Сначала результаты наблюдений за этим явлением хранились в тайне, т.к. можно было предположить, что эти импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение – возможно, это сигналы какой-нибудь внеземной цивилизации? Но источника излучения, совершающего орбитальное движение, обнаружено не было, зато группа Хьюиша нашла еще 3 источника подобных сигналов. Таким образом, надежда на сигналы внеземной цивилизации исчезла, и в феврале 1968 г. в появилось сообщение об открытии быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы с высокостабильной частотой.

Это сообщение вызвало настоящую сенсацию, а в 1974 г. за это открытие Хьюиш получил Нобелевскую премию. Пульсар этот называется PSR J1921+2153. В настоящее время известно около 2 тысяч радиопульсаров, они обычно обозначаются буквами PSR и цифрами, которые выражают их экваториальные координаты.

Что представляет собой радиопульсар?

Астрофизики пришли к общему мнению, что радиопульсар представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения, и в результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени - так образуются импульсы пульсара. Большинство астрономов уверены в том, что пульсары - это крохотные нейтронные звезды с диаметром в несколько километров, вращающиеся с периодами в доли секунды. Их даже называют иногда «звездными волчками». Из-за магнитного поля излучение пульсара похоже на луч прожектора: когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну радиотелескопа, видны всплески излучения. Сигналы пульсаров на разных радиочастотах распространяются в межзвездной плазме с разной скоростью. По взаимному запаздыванию сигналов определяют расстояние до пульсара, определяют их расположение в Галактике. Распределение пульсаров приблизительно соответствует распределению остатков сверхновых звезд.

Рентгеновские пульсары

Рентгеновский пульсар представляет собой тесную двойную систему , одним из компонентов которой является нейтронная звезда , а вторым - нормальная звезда , в результате чего происходит перетекание материи с обычной звезды на нейтронную. Нейтронные звезды - это звезды с очень малыми размерами (20-30 км в диаметре) и чрезвычайно высокими плотностями, превышающими плотность атомного ядра. Астрономы считают, что нейтронные звёзды появляются в результате взрывов сверхновых. При взрыве сверхновой происходит стремительный коллапс ядра нормальной звезды, которое затем и превращается в нейтронную звезду. Во время сжатия в силу закона сохранения момента импульса, а также сохранения магнитного потока происходит резкое увеличение скорости вращения и магнитного поля звезды. Таким образом, для рентгеновского пульсара важны именно два этих признака: быстрая скорость вращения и чрезвычайно высокие магнитные поля. Материя, ударяясь о твердую поверхность нейтронной звезды, сильно разогревается и начинает излучать в рентгене. Близкими родственниками рентгеновских пульсаров являются поляры и промежуточные поляры . Различие между пульсарами и полярами заключается в том, что пульсар - это нейтронная звезда, а поляр - белый карлик. Соответственно, у них ниже магнитные поля и скорость вращения.

Оптические пульсары

В январе 1969 г. район пульсара в Крабовидной туманности был обследован оптическим телескопом с фотоэлектрической аппаратурой, способной регистрировать быстрые колебания блеска. Было отмечено существование оптического объекта с колебаниями блеска, имеющими такой же период, как и радиопульсар в этой туманности. Этим объектом оказалась звездочка 16-й величины в центре туманности. Она имела какой-то неразборчивый спектр без спектральных линий. Исследуя в 1942 г. Крабовидную туманность, В. Бааде указал на нее как на возможный звездный остаток сверхновой, а И.С. Шкловский в более поздние годы предполагал, что она является источником релятивистских частиц и фотонов высокой энергии. Но все это были лишь предположения. И вот звезда оказалась оптическим пульсаром , имеющим одинаковые с радиопульсаром период и интеримпульсы, а физически она должна быть нейтронной звездой, расход энергии которой достаточен для поддержания свечения и всех видов излучений Крабовидной туманности. После открытия оптического пульсара были проведены поиски и в других остатках сверхновых, особенно в тех, где уже найдены радиопульсары. Но только в 1977 г. австралийским астрономам с помощью специальной техники удалось нащупать пульсацию в оптическом диапазоне исключительно слабой звездочки 25-й величины в остатке сверхновой Паруса X. Третий оптический пульсар нашли в 1982 г. в созвездии Лисички по радиоизлучению. Остатка сверхновой не найдено.

Что же собой представляет оптический пульсар? Центральные компоненты спектральных линий SS 433 показывают перемещения с периодом 13 суток и изменения скорости движения от -73 до +73 км/с. Видимо, здесь также присутствует тесная двойная система, состоящая из оптически наблюдаемого горячего сверхгиганта классов О или В и невидимого в оптике рентгеновского компонента. Сверхгигант имеет массу более десяти солнечных, он раздулся до предельных границ собственной зоны тяготения, пополняет своим газом диск, окружающий по экватору вращения рентгеновский компонент. Плоскость диска перпендикулярна оси вращения компактного объекта, каким является рентгеновский компонент, а не лежит в орбитальной плоскости двойной системы. Поэтому диск и обе газовые струи ведут себя как наклонно вращающийся волчок, причем ось их вращения прецессирует (описывает конус), совершая один оборот за 164 суток (это известное явление прецессии вращающихся тел). Рентгеновский компонент, пожирающий газ диска и выбрасывающий струи, может быть нейтронной звездой.

Относятся к числу самых мощных космических источников гамма-излучения. Астрофизики очень хотят выяснить, каким образом эти нейтронные звезды ухитряются так сильно светить в гамма-диапазоне. До запуска телескопа Ферми было известно лишь около десятка гамма-пульсаров, в то время как общее число пульсаров составило примерно 1800. Теперь новая обсерватория стала открывать гамма-пульсары десятками. Ученые надеются, что ее работа дастмножество ценных сведений, которые помогут лучше понять природу гамма-пульсаров и других космическихгенераторов гамма-квантов.

В 2012 г. астрономы обнаружили при помощи орбитального гамма-телескопа "Ферми" быстрейший на сегодня гамма-пульсар в созвездии Центавра, совершающий один оборот за 2,5 миллисекунды и пожирающий при этом останки звезды-компаньона размером с Юпитер. (Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи , γ-лучи ) - вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны - < 5·10 −3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. На картинке гамма-излучение показано фиолетовым цветом.

Подытожим…

Нейтронные звезды – удивительные объекты. Их в последнее время наблюдают с особенным интересом, т.к. загадку представляет не только их строение, но и огромная их плотность, сильнейшие магнитные и гравитационные поля. Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Пульсар - это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита . Если бы на него ничего не падало и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле. Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, а вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 1010-1014 гаусс. Сравним: земное поле составляет 1 гаусс, солнечное - 10-50 гаусс). Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звездами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды необязательно совпадает с осью ее вращения, то при вращении звезды поток радиоволн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маяка - лишь на миг прорезая окружающую мглу.