Объекты глубокого космоса > Пульсары и нейтронные звезды
Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную. Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций. Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных черных дыр. Впервые обнаружены в 1967 году.
Что такое пульсар?
В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)
Если высматривать на небе пульсар, то кажется обычной мерцающей звездой, следующей по определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами.
Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.
Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.
Число найденных пульсаров
Диаметр пульсаров во Вселенной достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.
Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.
Почему пульсары вращаются?
Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.
Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).
Художественная интерпретация связи между пульсаром и его спутником
Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.
Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.
Здесь отображены линии магнитного поля, вращающиеся вокруг пульсара. Фиолетовое свечение – гамма-лучи
Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.
А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.
Поиск пульсаров
Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.
В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.
Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.
Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.
Использование пульсаров
Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».
Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.
Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.
Снимок пульсара PSR B0531+21, сделанный рентгеновской обсерваторией Чандра. В центре вы видите белый пульсар и струи выбрасывающегося материала
Кладбища пульсаров
Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.
Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.
Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.
Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.
Нейтронные звезды появляются после смерти гигантов в виде сверхновых
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.
Внутреннее строение пульсара
Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Когда нейтронная звезда выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, картина выглядит еще более впечатляющей. Если вторая звезда уступала по массивности Солнцу, то тянет массу компаньона в «лепесток Роша». Это шарообразное облако материла, совершающее обороты вокруг нейтронной звезды. Если же спутник был больше солнечной массы в 10 раз, то передача массы также настраивается, но не такая устойчивая. Материал течет вдоль магнитных полюсов, нагревается и создаются рентгеновские пульсации.
К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.
Типы нейтронных звезд
У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.
Когда рентгеновские пульсары отбирают материал у более массивных соседей, то он контактирует с магнитным полем и создает мощные лучи, наблюдаемые в радио, рентгеновском, гамма и оптическом спектре. Так как источник располагается в компаньоне, то их именуют пульсарами с аккрецией.
Строение магнитного поля нейтронной звезды
Вращающиеся пульсары в небе подчиняются вращению звезд, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с магнитным полем пульсара над полюсами. Так как вещество внутри магнитосферы пульсара ускоряется, это заставляет его вырабатывать гамма-лучи. Отдача энергии замедляет вращение.
Магнитные поля магнетар в 1000 раз сильнее, чем у нейтронных звезд. Из-за чего заставляют вращаться звезду намного дольше.
Пульсары являются одними из самых странных объектов во всей Вселенной. В 1967 году в Кембриджской обсерватории Джоселин Белл и Энтони Хьюиш изучали звезды и нашли нечто совершенно экстраординарное. Это был очень похожий на звезду объект, который как бы излучал быстрые импульсы радиоволн.
О существовании радио источников в космосе было известно в течении достаточно долгого времени. Но такой излучающий быстрые импульсы объект был зафиксирован впервые. Они возникали как заводные, один раз в секунду. Сначала подумали, что сигнал исходит от орбитального спутника, но эту идею очень быстро откинули. После того как было найдено еще несколько таких же объектов, их назвали пульсарами благодаря их быстро пульсирующему характеру.
Пульсары: фактор маяка
Пульсары, которые излучают мощные гамма-лучи, известны как пульсары гамма-лучей. Если нейтронная звезда располагается своим полюсом к Земле, то мы можем видеть радиоволны каждый раз, как только один из полюсов попадает в наш ракурс. Этот эффект очень похож на эффект маяка. Неподвижному наблюдателю кажется, что свет вращающегося маяка постоянно мигает, то пропадая, то появляясь опять. Таким же образом нам кажется, что пульсар мигает, когда он вращается своими полюсами относительно Земли. Разные пульсары издают импульсы разной скорости, в зависимости от размера и массы нейтронной звезды. Иногда пульсар может иметь спутника. В некоторых случаях он может притягивать своего спутника, что заставляет вращаться его еще быстрее. Самые быстрые пульсары могут издавать более ста импульсов в секунду.
Физик Чандрасекар Субрахманьян предположил, что если масса ядра разрушенной звезды в 1,4 раза больше массы самой звезды, протоны и электроны будут объединяться в нейтроны в нейтронной звезде. Это число известно сегодня как предел Чандрасекара. Если этот предел не достигается в результате разрушения ядра, тогда образуется белый карлик. Если этот лимит значительно превышен, то в результате может возникнуть черная дыра.
Разрушающаяся звезда начинает вращаться более быстро, что известно, как сохранение количества движения при вращении. Этот процесс похож на фигуристов, старающихся тесно сжать руки, чтобы вращаться еще быстрее. В результате остается быстро вращающийся шар плотно упакованных нейтронов внутри железной оболочки. Чрезвычайные силы тяжести делают эту оболочку очень гладкой и блестящей. В результате нейтронная звезда имеет лишь около 30-35 км в диаметре, содержа при этом большую часть массы первоначальной звезды с которой она была сформирована. Материя этой нейтронной звезды упакована так плотно, что кусок этой звезды размером с кусочек сахара будет весить более 100 млн. тонн на Земле.
Открытие пульсаров и нейтронных звезд
Новые пульсары обнаруживают даже сегодня с помощью больших радиотелескопов. Самый большой радиотелескоп в мире находится в Аресибо, в Пуэрто-Рико. Он был одним из ключевых инструментов в поиске пульсаров. Несколько новых пульсаров были обнаружены за последние несколько лет. Пульсар есть внутри знаменитой Крабовидной туманности (M1).
Самый быстрый пульсар PSR1937 +21 имеет период импульсов 1,56 мс или 640 раз в секунду. Самым сильным пульсаром является PSR 0329 +54 с очень медленным импульсом всего лишь в 0,715 секунд. Недавно были обнаружены такие пульсары как PSR 1257 +12. Ученые полагают, что вокруг них вращаются планеты.
ПУЛЬСАР — ПУЛЬСАР, небесное тело, которое с чрезвычайной регулярностью испускает РАДИОВОЛНЫ в виде импульсов. Впервые они были обнаружены англичанкой Джоселин Белл (р. 1943), работавшей в Меллардовской радиоастрономической обсерватории в Кембридже. Первый… … Научно-технический энциклопедический словарь
пульсар — а, м. Poulsard. Вино из Пульсара, действительно, приобрело себе вполне заслуженную славу. Кроме того пульсар прекрасный столовый виноград. 1900. Бр. Елисеевы 1 16. Пульсар Poulsard, Peloussard. Хороший винный сорт. ЭСХ 1905 9 153. Юрское вино,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
пульсар — спинар, источник, звезда Словарь русских синонимов. пульсар сущ., кол во синонимов: 4 • звезда (503) • источник … Словарь синонимов
пульсар — пульсар, мн. пульсары, род. пульсаров … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке
Пульсар — Схематическое изображение пульсара. Сфера в центре изображения нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы потоки излучения пульсара … Википедия
Пульсар — астрономический объект, испускающий мощные, строго периодические импульсы электромагнитного излучения. Первыми были открыты радиопульсары, а затем эти же объекты были обнаружены в оптическом, рентгеновском и гамма диапазонах. Все они оказались… … Астрономический словарь
пульсар — пульсар, пульсары, пульсара, пульсаров, пульсару, пульсарам, пульсар, пульсары, пульсаром, пульсарами, пульсаре, пульсарах (Источник: «Полная акцентуированная парадигма по А. А. Зализняку») … Формы слов
пульсар — пульс ар, а … Русский орфографический словарь
пульсар — (2 м); мн. пульса/ры, Р. пульса/ров … Орфографический словарь русского языка
Нейтронная звезда может наблюдаться как изолированный объект в остатке сверхновой или как компонент двойной системы. У четырех нейтронных звезд обнаружены планеты. Когда нейтронная звезда является компаньоном в двойной системе, астрономы могут измерить ее массу. Для некоторого количества нейтронных звезд, наблюдавшихся с помощью радио и рентгеновских телескопов, массы были определены и соответствовали примерно 1.4 массы Солнца. Для двойных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация позволяет определить, является ли объект нейтронной звездой или черной дырой, т.к черные дыры тяжелее, чем нейтронные звезды.
Говоря просто, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды. Первый пульсар был открыт в 1967 году аспиранткой Джоселин Белл Барнелл, это был радиоисточник, который вспыхивал с постоянной частотой. В настоящее время самые яркие пульсары наблюдаются почти во всем диапазоне длин волн. Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды. У нейтронных звезд есть джеты (узконаправленные потоки релятивистских частиц), выбрасываемые над их магнитными полюсами. Эти джеты являются мощными источниками излучения. Поскольку магнитная ось и ось вращения нейтронной звезды смещены относительно друг друга, наблюдатель видит вспышки света (импульсы) через равные промежутки времени. Нейтронная звезда, от которой мы видим импульсы, называется «пульсаром». Рентгеновские наблюдения пульсаров.
Схема пульсара. Ссылка: Mark A. Garlick space-art.co.uk
Некоторые пульсары излучают в рентгене. Ниже мы увидим Крабовидную Туманность, которая является неоспоримым примером нейтронной звезды, сформировавшейся в результате взрыва сверхновой. Эта сверхновая наблюдалась в 1054 г. н.э. Изображения ниже получены рентгеновской обсерваторией Эйнштейн. На них показано диффузное излучение Крабовидной Туманности, окружающей яркий пульсар в состоянии «вкл.» и «выкл.», т.е. когда магнитный полюс находится «в» и «вне» луче зрения наблюдателя.
Крабовидная Туманность, окружающая яркий пульсар в состоянии «выкл.» и «вкл.» Ссылка:
Сильно отличающиеся типы пульсаров можно наблюдать с помощью рентгеновских телескопов в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях двойная система состоит из нейтронной звезды и нормальной звезды. Сильное магнитное поле нейтронной звезды притягивает вещество нормальной звезды. Вещество стекает на нейтронную звезду вдоль ее магнитных полюсов. В этом процессе, называемом аккрецией, вещество разогревается настолько, что излучает в рентгеновском диапазоне. Вспышки рентгеновского излучения видны, когда горячие пятна на вращающейся нейтронной звезде попадают на луч зрения наблюдателя.
Пульсаром астрономы называют источник импульсного радиоизлучения. Это означает, что телескопами улавливаются периодичные всплески (импульсы) радиоизлучения.
История открытия
В 1960-х годах группа ученых под руководством английского физика Энтони Хьюиша собственными руками создала радиотелескоп, с целью наблюдения компактных источников радиоизлучения. К числу научных сотрудников относилась и 23-хлетняя аспирантка Джоселин Белл, которая собирала материал для своей диссертации. Ее задача состояла в пересмотре всех самописцев телескопа – обработке данных наблюдения, и выявлении сигналов от компактных источников. Вскоре, спустя два месяца работы, Джоселин Белл обнаружила некие сигналы, которые нельзя было отнести ни к помехам, ни к известным компактным источникам. Аспирант предположила, что найденный сигнал порождается точечным источником – звездой. Однако период излучения импульсов этим источником был чуть более секунды. Столь частые вспышки не характерны для переменных звезд и не могут быть вызваны процессами, протекающими в них. Вместе с Энтони Хьюишом аспирант продолжила изучение странного излучения, в результате чего гипотеза о земном его происхождении была отброшена.
Были привлечены и другие ученые. Так как был обнаружен только один такой источник, начали возникать предположения, что периодичный источник является следствием деятельности внеземной разумной цивилизации. По этой причине первый радиопульсар получил название Little Green Men («Маленькие зеленые люди») – сокращенно LGM-1. Вскоре Джоселин было обнаружено еще три источника со столь малой периодичностью в совсем иных областях неба. Тогда стало ясно, что данный источник – это новый класс астрономических объектов.
Фото Джоселин Белл 1967 года и 2011 года
Как оказалось, позже – подобные периодические радиосигналы улавливались астрономами и ранее, но принимались за помехи, вызванные человеческой деятельностью.
Кандидаты в пульсары
Характер получаемых импульсов предполагал, что излучение приходит на Землю с участка пространства, относительно небольшого по объему. Также высокая стабильность пульсара свидетельствует о том, что источник излучения представляет собой жесткую систему, а не скопление газа или плазмы. Периодичное же излучение может быть объяснено тремя способами: колебаниями самого объекта-источника, либо его собственным или орбитальным вращением.
Под орбитальным вращением источника периодичного излучения подразумевается взаимное вращение двух объектов, однако такая система со столь низким периодом излучала бы мощные гравитационные волны, которые бы замедляли вращение объектов и приводили бы к их столкновению всего в течение одного года. Кроме того, сближение вызывало бы уменьшение периода излучения, в то время как у пульсаров он несколько растет со временем. Собственные пульсации такого объекта также приводили бы к уменьшению периода. Остается вариант с собственным вращением объекта.
Кандидатами на роль пульсаров стали такие компактные объекты как черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики. Так как были открыты пульсары с периодами около 30 миллисекунд, гипотеза о том, что пульсарами могут быть белые карлики – была отброшена. Дело в том, что белые карлики не могли бы иметь такой малый период вращения, так как были бы разрушены в результате центробежной силы, иными словами – просто разлетелись бы. Черные дыры и вовсе не могут излучать самостоятельно. Тогда единственным кандидатом на роль источника периодичного радиоизлучения остается нейтронная звезда, которая имеет высокую скорость вращения.
Физика радиопульсаров
Быстрое вращение нейтронной звезды вызывает потерю некоторой части своего звездного вещества. То есть быстро вращаясь, нейтронная звезда испускает элементарные частицы, образующие плазму.
Схема радиопульсара. Сфера в центре — нейтронная звезда, кривые представляют магнитные силовые линии, конусы вдоль магнитной оси — радиолучи, зелёная линия — ось вращения
Далее, если ось вращения звезды не совпадает с осью магнитного поля, то упомянутое электромагнитное излучение также вращается вокруг оси вращения звезды, вместе с самой нейтронной звездой.
Таким образом астрономы имеют дело с так называемым «маяком», излучение которого периодически направлено в сторону наблюдателя с Земли.
Обозначения
В названии пульсаров зашифрована информация о них. Обозначение PSR XYYYYZZZ несет в себе следующую информацию:
Так открытый в 1967-м году первый пульсар сегодня имеет название PSR B1919+21, первый двойной пульсар (система пульсар-звезда) — PSR B1913+16, а первый дважды двойной (два пульсара) — PSR J0737−3039.
Основные характеристики
Кроме координат, пульсары различают по их характеристикам:
Распределение пульсаров по периодам
К 2011-му году количество открытых радиопульсаров перешло черту в 1970 объектов. Согласно теоретическим подсчетам в галактике Млечный Путь может находится порядка 240 000 радиопульсаров.
