Пульсары — вращающиеся нейтронные звезды

Что такое пульсары и как они рождаются

Пульсар – особый тип нейтронных звезд, обладающий специфическими астрономическими свойствами. Эти небольшие и плотные небесные тела вращаются с огромной скоростью, поэтому являются источниками периодического радио-, а также оптического, рентгеновского и гамма-излучения. Из их полюсов исходят узкие пучки радиоволн. Они испускают импульсы с определенной частотой.

Периодичность связана с наклоном магнитного поля относительно оси вращения и составляет от 640 пульсаций в секунду до единственной за целых пять секунд.

Пульсары относятся к внешним переменным звездам, яркость и интенсивность излучения которых меняется в зависимости от происходящих в них физических изменений. Их невозможно увидеть с Земли невооруженным глазом. Обнаружить пульсары помогают радиотелескопы, улавливающие излучение, когда объект повернут к нашей планете испускающим радиоволны участком. Когда звезда поворачивается другой стороной, сигнал сразу пропадает.

Детальный механизм их «работы» не установлен и в наши дни, однако известно, что пульсарами со временем становятся чрезвычайно плотные звезды, состоящие из атомов тяжелых элементов и являющиеся ядром, оставшемся после взрыва сверхновой. Ядерные реакции в недрах таких звезд протекают с образованием нейтронов, в связи с чем такие звезды называются нейтронными.

Строение

Нейтронные звезды – это тела с твердой корой толщиной около 1 километра и жидким ядром. Эта структура больше делает их сходными с планетами, нежели со звездами. Вследствие быстрого вращения пульсары становятся немного приплюснутыми.

Излучение уносит энергию и момент импульса, что вызывает торможение вращения. Но твердая кора не позволяет пульсару становиться сферическим.

По мере замедления вращения в коре накапливаются напряжения, и она ломается: звезда скачкообразно становится чуть более сферической, ее экваториальный радиус уменьшается (всего на 0,01 мм), а скорость вращения (в результате сохранения момента) немного возрастает. Затем вновь следует постепенное замедление вращения и новое «звездотрясение», приводящее к скачку скорости вращения.

История открытия

Нейтронные звезды (что нечасто бывает в астрономии) ученые вначале предсказали, еще в 30‑е годы ХХ века. Началось все с работы физика Льва Ландау, написанной задолго до открытия нейтронов. В статье было высказано предположение о существовании сверхплотных звездных конфигураций с плотностью порядка ядерной. Но ничего не говорилось о возможном происхождении таких звезд, о том, где и как их можно найти.

Однако научное предсказание не сподвигло никого к поиску нейтронных звезд. Ведь обнаружить десятикилометровый шарик где‑то, бог знает где, в далеком остатке сверхновой, практически невозможно.

Первые пульсары были обнаружены совершенно случайно 28 ноября 1967 года. Сотрудники Кембриджского университета Великобритании: Джослин Белл, Энтони Хьюш и другие – вели наблюдение за звездным небом с помощью радиотелескопа, предназначенного для изучения мерцаний космических радиоисточников. Ими была зафиксирована серия периодических импульсов продолжительностью 0,3 секунды на частоте 81,5 МГц.

Это кардинально отличалось от обычной хаотической картины случайных нерегулярных мерцаний. Появилось даже предположение о внеземной цивилизации, которая якобы посылает на Землю свои сигналы. Для этих пульсаций ввели обозначение LGM (сокращение от английского little green men «маленькие зеленые человечки»).

Предпринимались серьезные попытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалось невозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самые квалифицированные шифровальщики.

Спустя 3 года учеными было обнаружено еще 3 подобных пульсирующих радиоисточника. Были сделаны выводы, что импульсы посылают естественные небесные тела. Им дали названия пульсары.

Открытие, действительно, было выдающимся, и лишь название звезд оказалось неточным. Пульсары вовсе не пульсируют. Это название дали им тогда, когда еще полагали, что это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширяются и сжимаются. Теперь мы знаем, что пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды, но название прижилось.

Типы

Астрономы считают, что существуют следующие типы пульсаров:

Самые известные из них

В настоящее время открыто более 1300 пульсаров в радиодиапазоне. Подавляющее их большинство (до 90%) имеет периоды в пределах от 0,1 до 1 с. Есть пульсары с очень малыми периодами, менее 30 мс, так называемые миллисекундные пульсары.

Вновь открытые пульсары принято обозначать четырехзначным числом. Первые две цифры означают часы, две следующие – минуты прямого восхождения пульсара. Впереди ставятся две буквы латинского алфавита, указывающие на место открытия.

Сейчас радиопульсары обозначают буквами PSR и более точным значением координат: прямое восхождение (часы, минуты) и склонение (знак, градусы и угловые минуты).

На сегодняшний день учеными открыты следующие пульсары:

• Первый получил обозначение СР 1919 – Кембриджский пульсар. Его обнаружили Дэвид Х. Стейлин и Эдвард Райфенштайн в крабовидной туманности. С помощью 300-футового радиотелескопа «Грин-Бэнк» астрономы нашли два пульсирующих радиоисточника в туманности. Эти объекты считаются самыми изученными на сегодня.
• Рентгеновский пульсар в Геркулесе открыт в 1972 году с помощью исследовательского спутника «Ухуру». Он посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды.
• В конце 1982 года в созвездии Лисички был обнаружен миллисекундный пульсар с периодом 0,00155 с. Вращение с таким поразительно коротким периодом означает, что звезда делает 642 оборота в секунду. Очень короткие периоды пульсаров послужили первым и самым веским аргументом в пользу интерпретации этих объектов как вращающихся нейтронных звезд.

• Также ученые нашли пульсар и в Млечном Пути, в центре нашей галактики. Астрономы исследуют его, чтобы получить точные сведения о массе и температуре черной дыры, найденной в этой области.

• В 2003 году астрономы обнаружили двойную звездную систему, состоящую из двух пульсаров PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B. Пока это единственный известный на сегодня двойной пульсар.

• В 2015 году ученые из коллаборации космического гамма-телескопа Ферми обнаружили первый гамма-пульсар, лежащий за пределами нашей галактики.

Пульсар PSR J0540-6919 расположен на окраине туманности Тарантул созвездия Золотая Рыба в Большом Магеллановом Облаке, расположенной в 163 тысячах световых лет от Млечного пути. Молодая звезда вращается десятки раз в секунду, испуская видимое, рентгеновское и гамма-излучения, которое в двадцать раз мощнее предыдущего рекордсмена, пульсара из Крабовидной туманности.

Возраст обнаруженного пульсара приблизительно вдвое больше пульсара из Крабовидной туманности и составляет приблизительно 1700 лет. Для сравнения, большинство из известных 2500 пульсаров имеют возраст от десяти тысяч до сотен миллионов лет.

• В туманности Тарантул известны два пульсара, PSR J0540-6919 (J0540) и PSR J0537-6910 (J0537) обнаруженные с помощью обсерватории имени Эйнштейна и орбитальной рентгеновской обсерватории «Росси». Пульсар J0540 вращается около двадцати раз в секунду, а J0537 — почти 62 (второй самый большой известный период вращения для молодого пульсара). Гамма-излучение в этой области космоса было зафиксировано еще ранее в 2009 году в рамках миссии Ферми.

• В 2017 году обнаружен пульсар NGC 5907 X-1. Он расположен в 50 млн световых лет от Земли в спиральной галактике NGC 5907. За 1 секунду светило испускает такой объем энергии, сколько Солнце за 3,5 года, что делает его самым ярким из известных пульсаров.
• Миллисекундный пульсар PSR J0952–0607 (J0952) открыт в 2017 году. Он расположен на расстоянии 3200–5700 световых лет в созвездии Секстант. По оценкам астрономов, он насчитывает около 1,4 солнечных масс, и каждые 6,4 часа вокруг него обращается небольшая звезда-спутник массой порядка 20 масс Юпитера. Нейтронная звезда перетягивает на себя часть вещества своей соседки. Этот поток заставляет ее раскручиваться все быстрее.
  

  Скорость вращения J 0952 достигает 707 об/с – больше 42 тыс. об/мин.

Частые вопросы

Видео-обзор научных фактов