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.
Вселенная наполнена мириадами звезд, и наше Солнце — только одна из них, причем далеко не самая большая (хотя и превосходит размером Землю в 300 с лишним тысяч раз). Эти космические объекты подобны людям: рождаются, живут и умирают. Но происходит последнее через десятки или сотни миллиардов лет. В космосе существуют сверхгиганты — жизнь таких звезд заканчивается взрывом. Это событие ученые называют рождением сверхновой, за которым следует появление или черной дыры, или нейтронной звезды. Пульсар представляет собой разновидность последних, о которой и пойдет речь в материале 24СМИ.
Какие космические объекты называют пульсарами
Такие тела относятся к внешним переменным звездам, яркость и интенсивность излучения которых меняется в зависимости от происходящих в них физических изменений.
Пульсары невозможно увидеть с Земли невооруженным глазом. Обнаружить их помогают радиотелескопы — улавливают излучение, когда объект повернут к нашей планете испускающим радиоволны участком. Когда звезда поворачивается другой стороной, сигнал пропадает.
Крабовидная туманность, в центре которой расположен пульсар PSR B0531+21 (совмещенное изображение оптической фотосъемки телескопа «Хаббл» и рентгеновской обсерватории «Чандра») / NASA/HST/ASU/J. Hester
В космосе ученые обнаружили массу тел, которые испускают радиоизлучение короткими импульсами. В том числе и квазары.
Квазары удалось обнаружить в 1960-х годах, обратив внимание на странный источник радиоизлучения. Это активные ядра галактик размером примерно с Солнечную систему. Ученые выяснили, что в центре квазаров находятся пожирающие материю черные дыры массой в миллиарды солнц, аккреционные диски которых — мощнейшие источники энергии.
В центре Млечного Пути, возможно, тоже существовал квазар миллионы лет назад. Со временем вещества, которое могла бы поглотить черная дыра, стало мало, и этот процесс остановился.
Остатки сверхновой
Звезды, масса которых составляет 10 масс нашего Солнца и больше, называются сверхгигантами. Это космические объекты, которые со временем увеличиваются — до тех пор, пока топливо внутри не иссякнет. В результате светила теряют источник термоядерных реакций — внутри нарушается баланс гравитации и энергии, который удерживал звезду в пространстве. Это становится причиной взрыва, который ученые назвали рождением сверхновой.
Взрыв сверхгиганта выделяет потоки энергии, а верхние слои бывшей звезды разлетаются вокруг. Ядро в этот момент может или коллапсировать и превратиться в черную дыру, или, если массы окажется недостаточно для обращения в «поглотителя материи», появится нейтронная звезда.
Если подобное произойдет с Солнцем, для Земли это обернется трагически. Однако для нашего светила такой сценарий не подходит — масса и размер слишком малы. Его ждет другая судьба. Солнце станет белым карликом, но произойдет это только через миллиарды лет.
Типы пульсаров
Ученые выдвигают теории о составе и строении космических тел, используя при этом математические расчеты. Астрономы считают, что есть несколько типов пульсаров:
Открытие пульсаров
Первый пульсар обнаружили 28 ноября 1967 года. Открытие сделала аспирантка Кембриджского университета Джоселин Белл. Исследовательница зафиксировала непонятные сигналы, которые сначала приняла за помехи. Со временем удалось установить, что эти импульсы внеземного происхождения и их испускает не изученный до этого момента объект.
Получилось обнаружить и источник импульсов. Период колебаний сигнала составлял 1,33 секунды. Это свидетельствовало о чрезмерно малых размерах объекта. Изначально появилась гипотеза, что сигнал посылают представители внеземной цивилизации, и объект получил название LGM-1 (аббревиатура — «Маленькие зеленые человечки»). Дальнейшие исследования показали, что инопланетяне не при чем — «сигналили» остатки взорвавшейся звезды.
Известные пульсары
Вслед за находкой Джоселин Белл в 1968 году открыли пульсар в Крабовидной туманности. Его обнаружили Дэвид Х. Стейлин и Эдвард Райфенштайн. С помощью 300-футового радиотелескопа «Грин-Бэнк» астрономы нашли два пульсирующих радиоисточника в туманности. Эти объекты считаются самыми изученными на сегодня.
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 2017 году ученые нашли 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.
Фото галактики NGC 5907, в которой обнаружен ярчайший среди известных пульсар NGC 5907 X-1 / ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra и SDSS
Также астрономы обнаружили двойную звездную систему, состоящую из двух пульсаров PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B. Ее открыли в 2003 году. Пока это единственный известный на сегодня двойной пульсар.
Точное время
Рассматриваемые в материале объекты обладают настолько стабильной периодичностью импульсов, что имеют все шансы конкурировать с атомными часами, самым точным на сегодня измерителем времени, используемым человечеством. Российские ученые заинтересовались стабильностью пульсаций космического тела и предположили, что пульсар пригодится, чтобы сверять время. Сигналы такой звезды подойдут для создания нового вида сверхточных часов, которые возможно будет использовать для опытов в фундаментальной физике.
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.
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).
Пульсар PSR B1957 + 20 находится в двойной системе. Авторы и права: Dr. Mark A. Garlick; Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto.
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.
Пульсары представляют собой сферические, компактные объекты размером с небольшой город, но с массами, превосходящими массу нашего Солнца. Учёные используют пульсары для изучения экстремальных состояний вещества, для поиска планет за пределами Солнечной системы, а также для измерения космических расстояний.
Пульсары к тому же могут помочь учёным обнаружить гравитационные волны, которые могут указать на области в которых произошли высокоэнергичные космические события, такие как, например, столкновения сверхмассивных чёрных дыр. Впервые обнаруженные в 1967 году, пульсары до сих продолжают завораживать астрофизиков.
С Земли, пульсары зачастую выглядят как мерцающие звёзды. Постоянно включаясь и выключаясь они, кажется, мигают с постоянным ритмом. Пульсары испускают два устойчивых, узких пучка света в противоположных направлениях. Несмотря на то, что свет от луча устойчив, пульсары тем не менее непрерывно мерцают, что объясняется их вращением.
Поскольку мерцание пульсара обусловлено его спином, то скорость импульсов также показывает скорость, с которой пульсар вращается. За последние 50 лет в общей сложности было обнаружено более 2000 пульсаров. Большинство из них совершают около одно оборота в секунду (так называемые медленные пульсары), тем не менее существует около 200 пульсаров, которые совершают сотни оборотов в секунду (быстрые пульсары). Самые быстрые известные пульсары могут вращаться со скоростью более 700 оборотов в секунду.
На этой иллюстрации показана двойная система, состоящая из белого карлика и пульсара. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center.
“Чтобы нейтронная звезда стала пульсаром и у неё появились джеты, она должна иметь правильную комбинацию спиновой частоты и напряжённости магнитного поля”, – сказал Ферул Озель (Feryal Ozel), профессор астрономии и астрофизики из Аризонского университета.
Нейтронные звёзды, как правило достигают 20-24 километров (12,4-14,9 миль) в диаметре, но при этом они могут быть в два раза более тяжёлыми, чем наше Солнце, диаметр которого составляет 1 392 000 километров (864 938 миль). Куб с ребром в 1 сантиметр из вещества нейтронной звезды будет весить 1 миллиард тонн – это примерно столько же сколько весит гора Эверест. Гравитационное притяжение на поверхности нейтронной звезды будет приблизительно в 1 миллиард раз сильнее, чем гравитационное притяжение на поверхности Земли.
Единственным объектом с более высокой, чем у нейтронной звезды, плотностью является чёрная дыра, которая также формируется, когда разрушается умирающая звезда. Самая массивная нейтронная звезда из обнаруженных на сегодняшний день имеет массу, которая в 2,04 раза превышает массу Солнца. Пульсары являясь по своей сути нейтронными звёздами обладают мощными магнитными полями, которые от 100 миллионов до 1 квадриллиона (миллион миллиардов) раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
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.
Крабовидная туманность, в центре которой расположен пульсар PSR B0531+21 (совмещенное изображение оптической фотосъемки телескопа «Хаббл» и рентгеновской обсерватории «Чандра») / NASA/HST/ASU/J. Hester
Фото галактики NGC 5907, в которой обнаружен ярчайший среди известных пульсар NGC 5907 X-1 / ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra и SDSS
Пульсар PSR B1957 + 20 находится в двойной системе. Авторы и права: Dr. Mark A. Garlick; Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto.
На этой иллюстрации показана двойная система, состоящая из белого карлика и пульсара. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center.
