Реферат: Пульсар

быстрых известных пульсаров.( После открытия миллисекундных ра-

диопульсаров его место 5-6). С самого начала велся поиск этого

объекта в видимой области спектра. Но успеха удалось добиться

лишь в 1977 году: письмо, полученное 9 февраля редакцией журнала

"Nature", в котором говорилось об отождествлении пульсара в соз-

вездии Паруса с видимой звездой, было подписано двенадцатью ав-

торами. Отметим, что наряду с этими двенадцатью учеными, работа-

ющими в Англии и Австралии, в предшествующие восемь лет многие

астрономы на лучших телескопах мира занимались поисками видимой

звезды, "мигающей" в том же ритме, что и пульсар в созвездии Па-

руса. Так что становится ясно, сколь масштабному всемирному бде-

нию был объявлен отбой этой заметкой. Между прочим, Майкл Дис-

ней, участвоваший в открытии оптического пульсара в Крабовидной

туманности, входил и в эту группу ученых.

У всех остальных пульсаров нет и следа излучения в видимой

области. Это наводит на следующую мысль. Что бы ни представляли

собой пульсары, они возникают в результате взрыва сверхновой.

Вначале период пульсара мал - еще меньше, чем у пульсара в Кра-

бовидной туманности. Такой пульсар излучает не только в радиоди-

апазоне, но и в видимой области спектра. С течением времени час-

тота импульсов уменьшается. Не более чем за тысячу лет период

пульсара становится равным периоду пульсара в Крабовидной туман-

ности, а затем достигает и периода пульсара в созвездии Паруса.

Наряду с увеличением периода ослабевает и интенсивность излуче-

ния в видимой области. Когда период пульсара превышает одну се-

кунду, его оптическое излучение давно уже исчезло, и его удается

обнаружить лишь по импульсам в радиодиапазоне. Поэтому с видимы-

ми источниками отождествлены лишь два пульсара с самыми коротки-

ми периодами. Они относятся к самым молодым пульсарам, и вокруг

них удается даже различить газовые облака - останки сверхновых.

Более старые пульсары давно уже растратили свою способность из-

лучать в видимой области.

Но что же такое пульсары ? Что остается, когда жизнь звезды

заканчивается гигантским взрывом ? Мы уже знаем, что пространс-

твенная область, из которой исходит излучение пульсара, должна

быть очень малой. Какие же процессы могут происходить в столь

малой области так быстро и с такой регулярностью, чтобы можно

было привлечь их к объяснению феномена пульсара ? Быть может,

это звезды которые, подобно цефеидам, периодически "раздуваются"

и вновь сжимаются ? Но в таком случае плотность звездного ве-

щества должна быть очень высокой, так как лишь тогда период ос-

цилляций может быть достаточно мало ( вспомним, что период изме-

нения блеска цефеид составляет несколько суток ). Нас же интере-

суют объекты, которые способны осциллировать с периодом сотые

доли секунды. Даже самые плотные из звезд, белые карлики, не

способны совершать столь быстрые колебания. Возникает вопрос:

могут ли звезды иметь еще более высокую плотность, оставляющие

по плотности далеко позади белые карлики с их тонными на куби-

ческий сантиметр ?

Первое соображение на этот счет высказали советский физик и

два астронома из Пасадены задолго до обнаружения пульсаров. Лев

Ландау (1908-1968) в 1932 году доказал, что вещество с еще более

высокой плотностью может находиться в равновесии с гравитацион-

ными силами. Тогда же в Пасадене на самом большом по тем време-

нам телескопе в мире работал выходец из Германии Вальтер Бааде.

Он был, несомненно, одним из лучших астрономов-наблюдателей на-

шего столетия. Там же работал и швейцарец Фриц Цвикки, человек

столь же напористый, сколь и неистощимый на выдумки. Еще в 1934

году эти два ученых утверждали, что смогут существовать звезды с

исключительно высокой плотностью - как предсказывал и Ландау,-

звезды, состоящие почти полностью из одних нейтронов. В 1939 го-

ду физики Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков поместили в амери-

канском физическом журнале "Physical Review" статью о нейтронных

звездах. Имя одного из авторов этой статьи стало известно во

всем мире задолго до того, как астрономы всерьез занялись нейт-

ронными звездами: Оппенгеймер сыграл ведущую роль в создании

американской атомной бомбы.

Оппенгеймер и Волков доказали, что звездное вещество, в ко-

тором электроны и протоны соединились в нейтроны, может удержи-

ваться в виде шара с собственными гравитационными силами. Зная

свойства нейтронного вещества, можно осуществить теоретические

расчеты нейтронных звезд. Анализ математической модели нейтрон-

ной звезды показывает, что плотность ее должна быть очень вели-

ка: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с попереч-

ником 30 км. - в кубическом сантиметре содержится миллиарды тонн

нейтронной материи ( рис. 7 ). Но нейтронные звезды, если заста-

вить их осциллировать, будут делать это гораздо быстрее, чем

пульсары. Поэтому в качестве объяснения периода пульсаров объем-

ная осцилляция нейтронных звезд не происходит.

Итак, мы вновь вернулись к тому, с чего начали. Мы искали

плотные звездоподобные объекты, которые могли бы совершать дос-

таточно быстрые колебания,- и белые карлики оказались слишком

медленными, а гипотетические нейтронные звезды слишком быстрыми.

Об открытии пульсаров Томас Голд узнал, будучи преподавате-

лем Корнельского университета в городе Итака ( штат Нью-Йорк ).

И вот, в то время как в научных журналах одна за другой публико-

вались скороспелые попытки объяснить существование пульсаров (

сводившиеся, главным образом, к попыткам спасти гипотезу пульси-

рующих звезд ), мысль Томаса Голда пошла в совершенно ином нап-

равлении.

К регулярным периодическим движениям небесных тел относятся

и собственное вращение объекта. Солнце, например, совершает пол-

ный оборот вокруг своей оси за 27 суток; существуют звезды, ко-

торые вращаются гораздо быстрее. Не связано ли строгая периодич-

ность пульсаров с какими-либо вращательным движением ? Тогда

объект должен был бы совершать полный оборот менее чем за секун-

ду - в случае пульсара в Крабовидной туманности тридцать оборо-

тов в секунду ! Звезда, однако не может вращаться сколь угодно

быстро, поскольку при слишком высокой скорости она будет разру-

шена центробежными силами. Предельная скорость вращения звезды

определяется величиной гравитации на поверхности звезды; для бе-

лого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секун-

ду. Если бы скорость вращения белого карлика соответствовала пе-

риоду пульсара в Крабовидной туманности, то он не выдержал бы

действия центробежных сил. С большей скоростью могла бы вращаться

лишь более плотная звезда.

Это возвращает нас к нейтронным звездам: вероятно, периоди-

ческие "вспышки" пульсара объясняются вращением нейтронной звез-

ды. Для этого нейтронная звезда должна совершать оборот вокруг

своей оси за доли секунды, и это вполне возможно: сила тяжести

на поверхности нейтронной звезды достаточно велика. Нейтронная

звезда может вращаться гораздо быстрее.

Гипотезу Томаса Голда, согласно которой пульсары являются

вращающимися нейтронными звездами, астрофизики сразу же приняли

как наиболее правдоподобную. Вековое увеличение периода пульсара

объяснялось бы тогда постепенным замедлением вращения нейтронной

звезды. Это вполне естественно: можно предположить, что энергия,

посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения, черпа-

ется за счет энергии вращения нейтронной звезды. Вращение могло

бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излуче-

ние, хотя в действительности торможение сильнее.

Ученые пришли к выводу, что энергия, высвобожденная в ре-

зультате замедления вращения пульсара Крабовидной туманности,

расходуется не только на излучение самого пульсара, но и на из-

лучение всей туманности. Этим разрешается еще одно затруднение.

В то время как свечение обычных туманностей - например, пла-

нетарной туманности или туманности Ориона - обусловлена излуче-

нием атомов, свечение Крабовидной туманности имеет совершенно

иное происхождение. Электроны, обладающие в результате взрыва

сверхновой огромной энергией, движутся здесь со скоростью, близ-

кой к скорости света. В магнитном поле туманности электроны дви-

жутся по круговым орбитам, излучая при этом свет. Оставался не

решенным вопрос, почему эти электроны с 1054 года движутся все

также быстро, почему они не замедлились, теряя свою энергию на

излучение. Со временем интенсивность излучения должна ослабе-

вать, и свечение Крабовидной туманности меркнуть. По-видимому,

электроны пополняют свою энергию за счет какого-то внешнего ис-

точника. Теперь этот источник был найден. Если Томас Голд прав,

то в Крабовидной туманности находится вращающаяся нейтронная

звезда, которая, возможно, через свое магнитное поле передает

энергию окружающему газу. Как гигантский пропеллер, вращается

нейтронная звезда в туманности, обеспечивая электронам высокую

скорость, а Крабовидной туманности - большую яркость. Запаса

энергии вращения нейтронной звезды хватит еще на много тысячеле-

тий.

Итак, мы нашли механизм, объясняющий регулярность посылаемых

пульсарами импульсов. Однако нужно еще понять, как именно возни-

кает радиоизлучение. Поскольку речь идет не о непрерывной волне,

а об импульсе, при котором в течение большей части периода энер-

гия равна нулю и лишь кратковременно энергия очень велика, можно

предположить, что звезда посылает излучение в определенном нап-

равлении и мы регистрируем его в тот момент, когда луч вращаю-

щейся звезды-прожектора "чиркает" по Земле - точно так же, как с

корабля видят луч вращающегося фонаря на маяке.

По всей видимости, нейтронная звезда обладает магнитным по-

лем, подобно Земле, но значительно более сильным. Предположим,

что магнитная ось звезды не совпадает, как и у Земли, с ее осью

вращения. При вращении нейтронной звезды магнитное поле так же

вращается, и поучается картина, показанная на рисунке 8 : на по-

верхности вращающейся нейтронной звезды, обладающей магнитным

полем, где нейтроны вновь превращаются в протоны и электроны,

господствуют мощные электрические силы, под действием которых

заряженные частицы уносятся прочь от звезды. Частицы движутся

вдоль магнитных силовых линий в пространстве. Их энергии доста-

точно для того, чтобы Крабовидная туманность и сегодня, через

тысячу лет после своего возникновения, могла светиться. Движение

заряженных частиц поперек магнитных силовых линий затруднено,

поэтому они покидают нейтронную звезды, главным образом в облас-

ти ее магнитных полюсов, уходя вдоль искривленных силовых линий.

Это схематически показано на рисунке 9. Электроны, как самые

легкие частицы покидают звезду с самой большой скоростью, близ-

кой, по всей видимости, к скорости света. двигаясь со столь вы-

сокой скоростью по искривленной траектории, электрон излучает

энергию, причем не во все стороны, а преимущественно в направле-

нии своего движения. Таким образом, излучение звезды в целом

направлено вдоль выходящих из звезды силовых линий магнитного

поля. А так как магнитное поле вращается вместе со звездой, вра-

щаются и конические пучки выходящего излучения. Удаленный наблю-

датель видит их в тот момент, когда он попадает в один из этих

двух конусов; для него нейтронная звезда будет вспыхивать с час-

тотой, соответствующей скорости ее вращения. Многие астрофизики

сегодня считают, что эта модель, напоминающая вращающийся про-

жектор морского маяка, во многом верна.

Весной 1969 года две обсерватории независимо одна от другой

обнаружили, что медленное, но неуклонное нарастание периода

пульсара нарушилось и интервал между двумя соседними импульсами

сократился ( рисунок 9 ). Затем период вновь стал увеличиваться

с прежней скоростью. Мы приняли, что пульсар является вращающей-

ся нейтронной звездой, вращение которой постепенно замедляется

из-за передачи энергии в окружающею среду. Что же могло заста-

вить звезду ускорить свое вращение?

Изменение периода происходит скачкообразно. Физики-ядерщики,

лучше знакомые с нейтронами, чем астрофизики, высказали такое

предположение. На поверхности нейтронной звезды образовались

прочные корки - "плиты", которые при охлаждении нейтронной звез-

ды, оставшейся после взрыва сверхновой, отрываются одна за дру-

гой. В результате подобных сдвигов и оползней скорость вращения

нейтронной звезды может увеличиваться. Объясняет ли это резкое

сокращение периода, которое с тех пор наблюдалось уже неоднод-

нократно ? Глобальные движения земной коры действительно сказы-

ваются на скорости вращения Земли и, следовательно, на продолжи-

тельности суток. Наблюдается ли нечто подобное и у пульсаров ?

Не являются ли наблюдаемые скачки их периода свидетельством про-

исходящих в них катаклизмов ?

В последнее десятилетие значительные успехи достигнуты в но-

вой области наблюдательной астрономии - так называемой гам-

ма-астрономии. Гамма-излучение можно рассматривать как свет с

очень малой длиной волны, еще более короткой, чем у рентгеновс-

кого излучения. Гамма-излучение обладает очень высокой энергией:

отдельный гамма-квант несет примерно в миллион раз больше энер-

гии, чем квант видимого света. Однако гамма-излучение, как и

рентгеновское, почти не проходит сквозь атмосферу Земли, поэтому

исследование приходящих из Вселенной гамма-лучей началось лишь

после того, как с помощью ракет и спутников наблюдения стали

осуществляться из космоса. К наиболее впечатляющим открытиям в

области гамма-астрономии относится тот факт, что многие пульсары

посылают импульсы и в гамма-диапазоне. Благодаря огромной энер-

гии гамма-квантов складывается впечатление, что именно гамма-из-

лучение является для пульсаров основным, в то время как радиоиз-

лучение, по которому пульсары были впервые обнаружены, оказыва-

ется скорее побочным эффектом, который можно уподобить звуку,

сопровождающему разрыв снаряда. Гамма-импульсы идут в том же

ритме, что и радиоимпульсы, но не совпадают с ними. Явления,

связанные с гамма-излучением пульсаров, до сих пор не поняты.

С точки зрения астрономов пульсары представляют еще одну

сложность. В настоящее время уже известно такое количество пуль-

саров, что можно предположить существование в одной только нашей

Галактике около миллиона активно действующих пульсаров. С другой

стороны, несколько последних десятилетий ведутся наблюдения уда-

ленных галактик с целью установить, какое количество взрывов

сверхновых происходит в среднем за столетие. Это позволяет сде-

лать вывод о том, сколько нейтронных звезд возникло с древнейших

времен в нашем Млечном Пути. Оказывается, что число пульсаров

значительно превосходит то количество нейтронных звезд, которое

могло образоваться в результате взрывов сверхновых. Значит ли

это, что пульсары могут возникать и иным путем ? Быть может, не-

которые пульсары образуются не в результате взрывов звезд, а в

ходе менее эффектных, но более упорядоченных и мирных процессов?

В ноябре 1982 года астрономическая общественность была взбу-

доражена сообщением о том, что пять астрономов с помощью радио-

телескопа в Пуэрто-Рико открыли пульсар, который побил рекорд

пульсара в Крабовидной туманности. каждую секунду он посылает

642 импульса. Это означает, что нейтронная звезда вращается со

скоростью 600 оборотов в секунду. Соответственно гравитация на

поверхности должна быть очень велика, чтобы звезду не разорвали

центробежные силы. Позднее были открыты и другие миллисекундные

пульсары.

Группа астрономов, возглавляемая Э.Дж.Лайном ( Великобрита-

ния ), обнаружила вблизи центра Млечного Пути быстровращающуюся

нейтронную звезду. Ее пульсирующее радиоизлучение достигает Зем-

лю 86 раз в секунду. Пульсару, находящемуся в пределах шарового

скопления Терциан 5, присвоено наименование PSR 1744-24 А. По

несколько раз в неделю радиосигнал из этого источника исчезает

на шесть часов. Это второй, ставший известным науке двойной

пульсар. Первый из них, открытый двумя годами ранее, находится

примерно в трех тысячах световых лет от нас. Его период равен

около 1,6 мс. Отличительная особенность этих двух пульсаров: оба

они, по-видимому, "пожирают" своих невидимых для нас спутников.

Очевидно, пульсары излучают такое количество энергии, что ее

хватает на разогрев поверхности звезды-спутника. При этом обра-

зуется вихрь, способный вызывать "затмение" радиоизлучения быст-

ровращающегося пульсара. Масса же спутника при этом уменьшается.

Период колебания излучения "новичка" указывает на то, что он на-

ходится на иной ( вероятно, более ранней ) стадии своего разви-

тия, чем первый двойной пульсар. Скорее всего, спутник достаточ-

но велик, чтобы пульсар мог временами "выхватывать" из него

большое количество газов, которое за тем в виде облака начинает

независимо обращаться вокруг пульсара и временами перекрывать

собой его излучение. Такое газовое облако, подходя близко к

пульсару, вторгается в его магнитное поле, вызывая вспышки рент-

геновского излучения.

Большой интерес среди астрономов вызвало сообщение о том,

что А.Вольщан и Д.Фрейл, работая на гигантском радиотелескопе

обсерватории Арисибо ( Пуэрто-Рико ), в конце 1991 года обнару-

жили две планеты, которые обращаются вокруг пульсара PSR

1257+12. Пульсар расположен на расстоянии 1600 световых лет от

нас ( в созвездии Девы ). Это нейтронная звезда, обращающаяся со

скоростью 1 оборот за 6,2 мс. Постепенное изменение периода го-

ворит о том, что пульсар входит в систему, включающую два не-

больших тела, вероятно, планеты. Их масса примерно втрое превы-

шают массу Земли, а период обращения вокруг пульсара у одной из

них составляет 67, а у другой - 95 суток. Сотрудники Астрономи-

ческого института в Кембридже ( Великобритания ) И.Стивенс,

М.Рис и Ф.Подсядловский пришли к следующему выводу: пульсар PSR

1257+12 разрушил своего компаньона, а две планеты возникли в ре-

зультате этого процесса. Ученые разработали модель, где исчез-

нувший компаньон - обычная звезда, сходная с нашим Солнцем, но

вдвое менее массивная.Он обращался вокруг пульсара со скоростью

1 оборот в сутки. Часть массы этой звезды обрушилась на пульсар,

уменьшив его период обращения всего на несколько миллисекунд.

При токам быстром вращении пульсар превратился в мощный источник

излучения, причем внешние слои звезды начали бурно расширяться и

покидать звезду. Еще в 1988 году астрономы обсерватории Арисибо

открыли пульсар ( он получил прозвище "Черная вдова" ), который

также "поедает" своего компаньона. Теряя один внешний слой за

другим, звезда постепенно уменьшается в массе. Силы тяготения ее

ослабевают, пока, наконец, звезда не разорвется на части за ка-

кие-нибудь несколько часов. Ее вещество распределяется по орбите

и образует вокруг пульсара узкое газовое кольцо. Затем это коль-

цо превращается в плоский тонкий газовый диск, очень сходный с

тем, что окружал Солнце во время образования планет. По мнению

кембриджских исследователей, диск нового пульсара должен поро-

дить свои планеты. Другие теории, объясняющие возникновение пла-

нет у пульсаров, исходят из осуществления довольно редкого собы-

тия - столкновения "бродячего" пульсара со звездой, уже обладав-

шей планетами, или же слияние двух белых карликов, которое при-

водит к рождению пульсара, окруженного газовым диском. Теперь

дело за радиоастрономами. Они могут проверить предположение о

том, что "припульсарные" планеты - совсем не редкость во Вселен-

ной.

За открытие пульсаров Энтони Хьюишу в 1974 году была присуж-

дена Нобелевская премия по физике. Открытие действительно было

выдающемся, и лишь название оказалось не точным. Пульсары вовсе

не пульсируют. Это название дали им тогда, когда еще полагали,

что это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширя-

ются и сжимаются. Теперь мы знаем, что пульсары - это вращающие-

ся нейтронные звезды. Однако название прижилось. Но можем ли мы

быть полностью уверены в том, что Томас Голд прав ? Действитель-

но ли пульсары - это нейтронные звезды ? Тень сомнения остава-

лась у астрофизиков до тех пор, пока не были обнаружены рентге-

новские звезды. Но это уже другая тема для реферата.

2СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Р. Киппенхан

100 миллиардов солнц

Москва "Мир" 1990 г.

2. С. Данлоп

Азбука звездного неба

Москва "Мир" 1990 г.

3. Энциклопедический словарь

юного астронома

Москва "Педагогика" 1980 г.

4. Журнал "Земля

и

Вселенная"

1/92 ; 1/91 ; 5/92 ;

Страницы: 1, 2