додати матеріал


Пульсари

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Пульсари
Введення
Протягом століть єдиним джерелом відомостей про зірок і Всесвіту був для астрономів видиме світло. Спостерігаючи неозброєним оком або за допомогою телескопів, вони використовували тільки дуже невеликий інтервал хвиль зі всього різноманіття електромагнітного випромінювання, що випускається небесними тілами. Астрономія перетворилася з середини нашого століття, коли прогрес фізики і техніки надав їй нові прилади та інструменти, що дозволяють вести спостереження в найширшому діапазоні хвиль - від метрових радіохвиль до гамма-променів, де довжини хвиль складають мільярдні долі міліметра. Це викликало наростаючий потік астрономічних даних. Фактично всі найбільші відкриття останніх років - результат сучасного розвитку новітніх галузей астрономії, яка стала зараз всехвильовий. Ще з початку 30-х років, як тільки виникли теоретичні уявлення про нейтронних зірок, очікувалося, що вони повинні проявити себе як космічні джерела рентгенівського випромінювання. Ці очікування виправдалися через 40 років, коли були виявлені барстери і вдалося довести, що їх випромінювання народжується на поверхні гарячих нейтронних зірок. Але першими відкритими нейтронними зірками виявилися все ж таки не барстери, а пульсари, що проявили себе - абсолютно несподівано - як джерела коротких імпульсів радіовипромінювання, наступних один за одним з разюче суворої періодичністю.

Відкриття
Влітку 1967 р. в Кембріджському університеті (Англія) став до ладу новий радіотелескоп, спеціально побудований Е. Хьюіш і його співробітниками для однієї наглядової завдання - вивчення мерехтінь космічних радіоджерел. Це явище подібно відомому всім мерехтінню зірочок виникає через випадкових неоднорідностей щільності в середовищі, крізь яку проходять електромагнітні хвилі по дорозі до нас від джерела. Новий радіотелескоп дозволяв проводити спостереження великих ділянок неба, а апаратура для обробки сигналів була здатна реєструвати рівень радіо-потоку через кожні декілька десятих доль секунди. Ці дві особливості їх інструменту і дозволили кембриджських радіоастрономії відкрити щось зовсім нове - пульсари.
Перші чітко помітні серії періодичних імпульсів були помічені 28 листопада 1967 аспіранткою кембріджської групи Дж. Белл. Імпульси слідували один за іншим з чітко витримуваною періодом в 1,34 с. Це було зовсім несхоже на звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних мерехтінь. Сигнали, що приймаються нагадували швидше перешкоду земного походження. Наприклад, системи запалювання в проїжджаючих повз автомобілях. Але це і інші прості пояснення незабаром довелося залишити. Були виключені і сигнали літаків або космічних апаратів. Потім, коли з'явилися підстави вважати, що імпульси мають космічне походження, виникло припущення про позаземної цивілізації, яка посилає на Землю свої сигнали. Робилися серйозні спроби розпізнати якийсь код у прийнятих імпульсах. Це виявилося неможливим, хоча, як розповідають, до справи були залучені найбільш кваліфіковані фахівці. До того ж незабаром виявили ще три подібні пульсуючих радіоджерела. Ставало очевидним, що джерела випромінювання є природними небесними тілами.
Перша публікація кембріджської групи з'явилася в лютому 1968 р., і вже в ній в якості ймовірних кандидатів на роль джерел пульсуючого випромінювання згадуються нейтронні зірки. Періодичність радіосигналу зв'язується з швидким обертанням нейтронної зірки. Джерело обертається як ліхтар маяка, і це створює уривчастість видимого випромінювання, що приходить до нас окремими імпульсами. Відкриття пульсарів відзначено Нобелівською премією з фізики в 1978 р.
Інтерпретація: нейтронні зірки
В астрономії відомо чимало зірок, блиск яких безперервно змінюється, то зростаючи, то падаючи. Є зірки, їх називають цефеїд (по першій з них, виявленої в сузір'ї Цефея), зі строго періодичними варіаціями блиску. Посилення й ослаблення яскравості відбувається у різних зірок цього класу з періодами від кількох днів до року. Але до пульсарів ніколи ще не зустрічалися зірки з настільки коротким періодом, як у першого «кембриджського» пульсара.
Слідом за ним в дуже короткий час було відкрито кілька десятків пульсарів, і періоди деяких з них були ще коротше. Так, період пульсара, виявленого в 1968 р. в центрі Крабовидної туманності, становив 0,033 с. Зараз відомо близько чотирьох сотень пульсарів. Переважна їх більшість-до 90% - має періоди в межах від 0.3 до 3 з, так що типовим періодом пульсарів можна вважати період в 1 с. Але особливо цікаві пульсари-рекордсмени, період яких менше типового. Рекорд пульсара Крабовидної туманності протримався майже півтора десятиліття. В кінці 1982 р. в сузір'ї Лисички був виявлений пульсар з періодом 0,00155 с, тобто 1,55 мс. Обертання з таким вражаюче коротким періодом
означає 642 об / с. Дуже короткі періоди пульсарів послужили першим і найбільш вагомим аргументом на користь інтерпретації цих об'єктів як обертових нейтронних зірок. Зірка з настільки швидким обертанням повинна бути виключно щільною. Дійсно, саме її існування можливе лише за умови, що відцентрові сили, пов'язані з обертанням, менше сил тяжіння, що зв'язують речовину зірки. Відцентрові сили не можуть розірвати зірку, якщо відцентрове прискорення на екваторі менше прискорення сили тяжіння

Тут M, R - маса і радіус зірки, Q - кутова частота її обертання, G - гравітаційна постійна. З нерівності для прискорень

слід нерівність для середньої щільності зірки
Настільки компактними, стислими до такої високої ступеня можуть бути лише нейтронні зірки: їх щільність дійсно близька до ядерної. Цей висновок підтверджується всією п'ятнадцятирічної історією вивчення пульсарів.

Рентгенівські пульсари

Рентгенівські пульсари - це тісні подвійні системи, в яких одна із зірок є нейтронної, а інша - яскравою зіркою-гігантом. Відомо близько двох десятків цих об'єктів. Перші два рентгенівські пульсара - в сузір'ї Геркулеса і в сузір'їв Центавра - відкриті в 1972 р. з допомогою американського дослідницького супутниця «Ухуру». Пульсар в Геркулесові посилає імпульси з періодом 1,24 с. Це період обертання нейтронної зірки. У системі є ще один період - нейтронна зірка і її компаньйон здійснюють обіг навколо їх загального центру ваги з періодом 1,7 дня. Орбітальний період був визначений у цьому випадку завдяки тому (випадковому) обставині, що «звичайна» зірка при своєму орбітальному русі регулярно виявляється на промені зору, що з'єднує нас і нейтронну зірку, і тому вона затуляє на час рентгенівське джерело. Це можливо, очевидно, тоді, коли площина зоряних орбіт складає лише невеликий кут з променем зору. Рентгенівське випромінювання припиняється приблизно на 6 годин, потім знову з'являється, і так кожні 1,7 дня.
Тривалі спостереження дозволили встановити ще один - третій - період рентгенівського пульсара в Геркулесові: цей період складає 35 днів, з яких II днів джерело світить, а 24 дня немає. Причина цього явища залишається поки невідомою. Пульсар в сузір'ї Центавра має період пульсацій 4,8 с. Період орбітального руху складає 2,087 дня-він теж знайдений по рентгенівських затемнень. Довгоперіодичних змін, подібних 35-денного періоду пульсара в сузір'ї Геркулеса у цього пульсара не знаходять. Компаньйоном нейтронної зірки в подвійній системі цього пульсара є яскрава видима зірка-гігант з масою 10-20 Сонць. У більшості випадків компаньйоном нейтронної зірки в рентгенівських пульсарах є яскрава блакитна зірка-гігант. Цим вони відрізняються від барстери, які містять слабкі зірки-карлики. Але як і в барстери, в цих системах можливе перетікання речовини від звичайної зірки до нейтронної зірки, і їх випромінювання теж виникає завдяки нагріву поверхні нейтронної зірки потоком аккреціруемого речовини. Це той же фізичний механізм випромінювання, що й у випадку фонового (не спалахової) випромінювання барстери. У деяких з рентгенівських пульсарів речовина
перетікає до нейтронної зірку у вигляді струменя (як в барстери). У більшості ж випадків зірка-гігант втрачає речовину у вигляді зоряного вітру - виходить від її поверхні на всі боки потоку плазми, іонізованого газу. Частина плазми зоряного вітру потрапляє в околиці нейтронної зірки, в зону переважання її тяжіння, де і захоплюється нею.
Однак при наближенні до поверхні нейтронної зірки заряджені частинки плазми починають випробовувати вплив ще одного силового поля магнітного поля нейтронної зірки-пульсара. Магнітне поле здатне перебудувати акреційний потік, зробити його несферичних-симетричним, а спрямованим. Як ми зараз побачимо, з-за цього і виникає ефект пульсацій випромінювання, ефект маяка.
За своєю структурою, тобто з геометрії силових ліній, магнітне поле пульсара схоже, як можна було очікувати, на магнітне поле Землі або Сонця: у нього є два полюси, з яких у різні боки розходяться силові лінії. Таке поле називають дипольним.
Речовина, аккреціруемое нейтронної зіркою, - це зоряний вітер, воно ионизована, і тому взаємодіє на своєму шляху з її магнітним полем. Відомо, що рух заряджених частинок впоперек силових ліній поля утруднено, а рух уздовж силових ліній відбувається безперешкодно. З цієї причини аккреціруемое речовина рухається поблизу нейтронної зірки практично по силових лініях її магнітного поля. Магнітне поле нейтронної зірки як би створює воронки у її магнітних полюсів, і в них направляється акреційний потік. На таку можливість вказали ще в 1970 р. радянські астрофізики Г. С. Бісноватий-Коганта. А. М. Фрідман. Завдяки цьому нагрівання поверхні нейтронної зірки виявляється нерівномірним: біля полюсів температура значно вище, ніж на решті всієї поверхні. Гарячі плями біля полюсів мають, згідно з розрахунками, площа близько одного квадратного кілометра; вони і створюють головним чином випромінювання зірки - адже світність дуже чутлива до температури - вона пропорційна температурі в четвертого ступеня.
Як і у Землі, магнітна вісь нейтронної зірки нахилена до її осі обертання. Через це виникає ефект маяка: яскрава пляма то видно, щось не видно спостерігачеві. Випромінювання швидко обертається нейтронної зірки представляється спостерігачеві переривчастим, пульсуючим. Цей ефект був передбачений теоретично радянським астрофізиком В. Ф. Шварцманом за кілька років до відкриття рентгенівських пульсарів. Насправді випромінювання гарячого плями відбувається, звичайно, безперервно, але воно не рівномірно по напрямах, не изотропно, і рентгенівські промені від нього не спрямовані весь час на нас, їх пучок обертається в просторі навколо осі обертання нейтронної зірки, пробігаючи по Землі один раз за період.
Від рентгенівських пульсарів ніколи не спостерігали спалахів, подібних спалахів барстери. З іншого боку, від барстери ніколи не спостерігали регулярних пульсацій. Чому ж барстери не пульсує, а пульсари не спалахують? Вся справа, мабуть, у тому, що магнітне поле нейтронних зірок у барстери помітно слабкіше, ніж у пульсарах, і тому воно не впливає скільки-небудь помітно на динаміку акреції, допускаючи більш-менш рівномірний прогрів всій поверхні нейтронної зірки. Її обертання, яке може бути таким же швидким, як і у пульсарів, не позначається на рентгенівському потоці так як цей потік Ізотропія. З іншого боку, припускають, що поле магнітної індукції
здатне як то - хоч, правда, і не цілком зрозуміло поки, як саме, - придушувати термоядерні вибухи в приполярних зонах нейтронних зірок. Різниця в магнітному полі пов'язано, ймовірно, з різницею віку барстери і пульсарів. Про вік подвійної системи можна судити за звичайною зірку-компаньйонові. Нейтронні зірки в рентгенівських пульсарах мають компаньйонами яскраві зірки-гіганти; в барстери ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі по блиску зірки малих мас. Вік яскравих гігантів не перевищує кількох десятків мільйонів років, тоді як вік слабких зірок-карликів може налічувати мільярди років: перші набагато швидше витрачають своє ядерне паливо, ніж другі. Звідси випливає, що барстери - це старі системи, в яких магнітне поле встигло з часом в якійсь мірі ослабнути, а пульсари - це відносно молоді системи і тому магнітні поля в них. сильніше. Може бути, барстери колись у минулому пульсували, а, пульсара ще належить спалахувати в майбутньому.
Відомо, що наймолодші і яскраві зірки Галактики знаходяться в її диску, поблизу галактичної площини. Природно тому очікувати, що і рентгенівські пульсари з їх яскравими зірками-гігантами розташовуються переважно у галактичної площини. Їх загальний розподіл по небесній сфері має відрізнятися від розподілу барстери, старих об'єктів, які - як і всі старі зірки Галактики - концентруються не до її площини, а до галактичного центру. Спостереження підтверджують ці міркування: рентгенівські пульсари дійсно знаходяться в диску Галактики, в порівняно вузькому шарі по обидві сторони галактичної площини. Таке ж розподіл на небі виявляють і пульсари, випромінюючі радіоімпульси, - радіопульсари.
Радіопульсари
Розподіл радіопульсаров на небесній сфері дозволяє укласти перш за все, що ці джерела належать нашій Галактиці: вони очевидним чином концентруються до її площини служить, екватором галактичної координатної сітки. Об'єкти, які ніяк не зв'язані про галактикою, ніколи не показали б ніякої, переважної орієнтації такого роду. Розподіл за напрямками каже в цьому випадку про реальний просторовому розташуванні джерел: така картина може виникнути лише тоді, коли джерела знаходяться в диску Галактики. Деякі з них лежать помітно вище або нижче екватора, але вони теж розташовані в диску, біля площини Галактики, тільки ближче до нас, ніж більшість інших пульсарів. Адже разом з Сонцем ми перебуваємо майже точно в галактичної площини, і тому напрям від нас на близькі об'єкти всередині хоча б і вузького шару може бути, взагалі кажучи, будь-яким. Близьких пульсарів порівняно мало і вони не затемнюють загальну картину. Якщо радіопульсари розташовуються поблизу галактичної площини, серед наймолодших зірок Галактики, то розумно вважати, що і самі вони є молодими. Про один з них, Пульсарі Крабовидної туманності, точно відомо, що він існує всього близько тисячі років - це залишок спалаху найновішої 1054; його вік значно менше часу життя яскравих зірок-гігантів, - 10 мільйонів років, не кажучи вже про зірок-карликів , середній вік яких ще в 1000 разів більше. Сувора періодичність проходження імпульсів, розташування в площині Галактики і молодість - все це зближує радіопульсари з рентгенівськими пульсарами. Але в багатьох інших відносинах вони різко відрізняються один від одного. Справа не тільки в тому, що одні випускають радіохвилі, а інші рентгенівські промені. Найважливіше те, що радіопульсари - це поодинокі, а не подвійні зірки. Відомо лише три радіопульсара, що мають зірку-компаньйона. У всіх інших, а їх більше трьохсот п'ятдесяти, ніяких ознак подвійності не помічається. Звідси негайно випливає, що фізика радіопульсаров має бути зовсім іншою, ніж у барстери або рентгенівських пульсарів. Принципово іншим повинен бути джерело їх енергії - це у всякому разі не акреція. Інший найважливіший факт: спектр випромінювання радіопульсаров дуже далекий від будь-якого подоби універсальному чорнотільного спектру, який характерний для випромінювання нагрітих тіл. Це означає, що випромінювання радіопульсаров ніяк не пов'язане з нагріванням нейтронної зірки, з температурою, з тепловими процесами на її поверхні. Випромінювання електромагнітних хвиль, не пов'язане з нагріванням тіла, називають нетепловим. Таке випромінювання не рідкість в астрофізиці, фізиці й техніці. Ось простий приклад. Антена радіостанції або телецентру - це провідник певного розміру і форми. У ньому є вільні електрони, які під дією спеціального генератора здійснюють узгоджені рухи вздовж провідника туди і назад із заданою частотою. Тому що електрони коливаються «в унісон», то і випромінюють вони узгоджено: всі випромінювані в простір електромагнітні хвилі мають однакову частоту - частоту коливань електронів. Так що спектр випромінювання антени містить тільки одну частоту або довжину хвилі. Відомості про спектр випромінювання радіопульсаров вдалося отримати перш за все завдяки спостереженням найяскравішого з них - пульсара Крабовидної туманності. Чудово, що його випромінювання реєструється у всіх діапазонах електромагнітних хвиль - від радіохвиль до гамма-променів. Найбільше енергії він випускає саме в галузі гамма-променів (так що пульсар цілком заслуговує назви гамма-пульсара);

приймається гамма-потік в рентгенівської області в 5-10 разів менше. В області видимого світла він ще в десять разів менше. Найслабше потік в радіодіапазоні:

Можна перевірити, що ні при якій температурі випромінювання нагрітого тіла не може володіти таким розподілом енергії по областях спектру.
Крім пульсара Крабовидної туманності, «мілісекундного» пульсара в сузір'ї Лисички і ще одного пульсара в сузір'ї Вітрил, всі інші радіопульсари реєструються лише завдяки випромінюванню в радіодіапазоні. Не виключено, що вони випромінюють і в інших областях спектру - у видимому світлі, в рентгенівських і гамма-променях, подібно Пульсару Крабовидної. Туманності (хоча, ймовірно, і не так інтенсивно, як він); але вони знаходяться далі від нас, а чутливість існуючих радіотелескопів вище чутливості оптичних, рентгенівських і гамма-телескопів.
Цікаво, що вже і одних тільки даних про світності пульсарів в радіодіапазоні - без будь-яких відомостей про випромінювання на більш коротких довжинах хвиль достатньо, щоб переконатися в нетепловом, нечернотельном характері їх випромінювання. Відстань до Крабовидної туманності відомо:

, Тому за допомогою даних про потік випромінювання можна знайти світність пульсара. Повна Світність у всіх діапазонах виходить множенням повного потоку на площу, сфери радіуса d:

(Як потоку f взято фактично потік в гамма-діапазоні.) Світність цього пульсара приблизно в тисячу разів більше світності Сонця на всіх довжинах хвиль. Тут, однак потрібно зробити одне зауваження. Наша оцінка була б цілком справедлива, якщо б пульсар випромінював однаково в усіх напрямках. Насправді його випромінювання не изотропно, воно має певною спрямованістю. Ми не знаємо, як виглядає промінь цього «маяка»: якою є його ширина і як вісь обертання пульсара орієнтована відносно Землі. Тому врахувати спрямованість випромінювання точно не вдається; Дійсна світність може бути, взагалі кажучи, і більше, і менше; ніж

Невизначеність все ж таки не катастрофічно велика; так що значення світності знаходиться, мабуть, між


Джерело енергії
Періодичність імпульсів радіопульсара витримується з дивовижною точністю. Це найточніший годинник в природі. І все ж для багатьох. Пульсарів вдалося зареєструвати і регулярні зміни їх періодів. Звичайно, це виключно малі зміни і відбуваються вони вкрай повільно, так що регулярність проходження імпульсів порушується лише дуже слабко. Характерне час зміни періоду становить для більшості пульсарів приблизно мільйон років; це означає, що тільки за мільйон років можна очікувати помітного - скажімо, удвічі - зміни періоду.
У всіх відомих випадках радіопульсари збільшують, а не зменшують свій період. Іншими словами, їх обертання сповільнюється з часом. Що-то гальмує обертання нейтронної зірки, на щось витрачається її енергія обертання. Так не служить обертання джерелом, що випромінювання пульсара?
Щоб це перевірити, треба зробити насамперед енергетичну оцінку. Якщо пульсар дійсно випромінює за рахунок обертання, то кінетична енергія обертання повинна забезпечувати спостережувану потужність випромінювання, його світність. Орієнтовну оцінку кінетичної енергії обертання зірки можна отримати за простою формулою

де М - маса зірки, V-характерна швидкість обертання, в якості якої можна взяти лінійну швидкість обертання на екваторі зірки. При типовому періоді Р == 1 с і радіусі нейтронної зірки 10000 м знаходимо:

Такий запас енергії обертання. Оцінимо тепер темп її використання. Якщо період пульсара збільшується вдвічі за час t, то за той же час кінетична енергія обертання нейтронної зірки зменшується в 4 рази

Значить, за час t втрачається ѕ початкового запасу енергії обертання. Середня втрата енергії в одиницю часу: (1.5)

Ми прийняли тут як t характерний час, рівне одному мільйону років
, І скористалися попередньої оцінкою енергії обертання Є. Величина W-
середня потужність, пов'язана з витрачанням енергії обертання, що для
типового пульсара на кілька порядків вище його радіосветімості

Для пульсара Крабовидної туманності, період якого становить одну тридцяту секунди, оцінку потрібно зробити окремо. У нього й характерний час збільшення періоду не мільйон років; як показують спостереження, воно порівнянне з його віком, тобто близько до тисячі років. У цьому випадку потужність Ж опиниться в мільйон разів більше, ніж за співвідношенням (1.5); вона перевищує на кілька порядків повну світність цього пульсара у всіх діапазонах хвиль.
Можна, таким чином, сказати, що припущення про обертання як джерелі енергії пульсара витримує першу перевірку: кінетична енергія обертання нейтронної зірки досить велика і вона здатна служити резервуаром, з якого випромінювання черпає свою енергію. При цьому на випромінювання витрачається тільки невелика частка загальної витрати енергії.
Магнітосфера
Можливість і навіть необхідність існування такого хмари довели американські астрофізики-теоретики П. Голдрайх і В. Джуліан. Вони вивчили електромагнітні явища, що відбуваються не на світловому циліндрі, де народжується магнітно-дипольна випромінювання, а поблизу самої поверхні нейтронної зірки. Тут намагнічена нейтронна зірка здатна «працювати» подібно динамомашини: її обертання викликає поява сильних електричних полів, а з ними і струмів, тобто спрямованих рухів заряджених частинок. Ставлення електричної сили до сили тяжіння, випробовуваної електроном, дуже велике:

Така ж оцінка для протона показує, що діюча на нього електрична сила в мільярд разів більше сили тяжіння до нейтронної зірки. Це означає, що сили тяжіння абсолютно несуттєві для заряджених частинок у порівнянні з електричними силами у самої поверхні нейтронної зірки. Електричні сили тут надзвичайно великі і вони здатні безперешкодно керувати рухом електронів і протонів: вони можуть відривати їх від поверхні нейтронної зірки, прискорювати їх, повідомляючи часткам величезні енергії. Електрична сила, яка діє в полі на частку про зарядом, здійснює на шляху частки роботу. Значить проходячи в електричному полі відстань, порівнянне з радіусом нейтронної зірки (наприклад, від екватора до одного з полюсів), частка набуває енергію

Це дійсно величезна енергія, на багато порядків перевищує навіть енергії спокою електрона і протона. Гігантська енергія частинок відповідає їх швидкостями руху, що наближається до швидкості світла, а фактично збігається з нею. Частинки високих енергій, що відривають від поверхні нейтронної зірки і прискорюємо сильним електричним полем, створюють потік, що виходить від нейтронної зірки і схожий на сонячний чи зоряний вітер. Магнітне поле захоплює цей потік в обертання разом про нейтронної зіркою. Так навколо неї виникає розширюється і обертається магнітосфера. Народження і прискорення частинок, що утворюють магнітосферу, вимагає значної енергії, яка черпається з кінетичної енергії обертання нейтронної зірки. Теоретичний аналіз, виконаний П. Голдрайхом і В.; Джуліаном, показує, що на це витрачається приблизно стільки ж енергії, скільки і на магнітно-дипольна випромінювання. При цьому і саме магнітно-дипольна випромінювання поповнює запас енергії магнітосфери, воно практично не виходить назовні і поглинається магнітосферою, передаючи свою енергію її часткам. Немає сумніву, що саме в магнітосфері нейтронної зірки і розігруються різноманітні фізичні процеси, які визначають усі спостережувані прояви пульсара. Повної і вичерпної теорії цих процесів поки немає; теорія радіопульсаров знаходиться в процесі розвитку, і навіть на головні питання вона ще не може дати закінченого і переконливої ​​відповіді. Нас, перш за все цікавить, як виникає спрямованість у випромінюванні пульсара, що створює цей природний радіомаяк. Зараз можна викласти лише самі попередні міркування, які не претендують на сувору доказовість, але містять, тим не менше, ряд важливих ідей. Ймовірно, потрібно виходити з того, що частинки високої енергії, що заповнюють магнітосферу пульсара, здатні випромінювати електромагнітні хвилі дуже високої частоти, або, на квантовому мовою, фотони дуже високої енергії. Один з фізичних механізмів випромінювання пов'язаний з рухом частинок в сильних магнітних полях. Частинки слідують головним чином уздовж магнітних силових ліній, а тому що силові лінії вигнуті, рух частинок не може бути прямолінійним і рівномірним. Відхилення ж від прямолінійного і рівномірного руху означає прискорення (або гальмування) частинки і, отже, супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль. Згідно з розрахунками електромагнітні хвилі такого походження належать до гамма-діапазоні. У свою чергу гамма-фотони здатні народжувати (у присутності сильного магнітного поля) пари електронів і позитронів. Електрони й позитрони також випромінюють електромагнітні хвилі при своєму рухів в магнітному полі, а ці нові хвилі здатні народжувати нові пари частинок і т.д. Такий каскад процесів розвивається головним чином поблизу магнітних полюсів нейтронної зірки, де сходяться магнітні силові лінії і поле особливо велике. Тут формуються, як можна вважати, спрямовані потоки узгоджено рухомих частинок, які - як в антені - випромінюють узгоджено і цілеспрямовано, створюючи промінь пульсара. Магнітна вісь зірки не збігаються з її віссю обертання, і тому цей промінь обертається подібно променю маяка. Але як насправді це відбувається, ще належить з'ясувати.
Основна частка енергії обертання, що втрачається нейтронної зіркою, перетвориться не в спостережуване випромінювання пульсара, а в енергію частинок, прискорених у магнітосфері нейтронної зірки. Радіопульсари є, таким чином, потужним джерелом частинок високих енергій. Електрони високих енергій, що народжуються пульсаром Крабовидної туманності, безпосередньо виявляють себе в світінні туманності. Про це мова попереду, а тут варто сказати кілька слів про еволюцію і подальшу долю радіопульсаров. З плином часу пульсар втрачає свою енергію обертання і магнітну енергію, так що поступово і частота обертання, і магнітне поле нейтронної зірки убувають. Через це зменшується електричне поле біля поверхні зірки, знижується ефективність відриву частинок і їх прискорення. Рано чи пізно частинки високих енергій перестануть народжуватися, і радіовипромінювання пульсара припиниться. Якби радіопульсар становив пару разом із звичайною зіркою, він міг би тоді перетворитися на барстери, випромінювання якого живиться аккреційним потоком, тягло з поверхні зірки-компаньйона. Але (за дуже рідкісним винятком, як говорилося) радіопульсари - це поодинокі нейтронні зірки, а не члени тісних подвійних систем. І тим не менш світіння, хоча і досить слабке, все ж може виникати. На думку радянського астрофізика А. І. Цигана воно може бути зобов'язано акреції нейтрального міжзоряного газу, крізь який рухається згаслий радіопульсар. Випромінювання такого походження відповідає світність

, І велика частина випускаються квантів належить гамма-діапазоні. Пошуки таких колишніх пульсарів, а нині гамма-зірок - одна з цікавих завдань гамма-астрономії.
Пульсари і космічні промені.
Ще в 1934р. В. Бааде і Ф. Цвіккі вказали на можливий зв'язок між спалахами наднових, нейтронними зірками і космічними променями - частинками високих енергій, що приходять на Землю з космічного простору.
Космічні промені були відкриті більш 60 років тому і з тих пір служать предметом ретельного вивчення. Інтерес до них пов'язаний, перш за все, з можливістю використовувати їх для дослідження взаємодій елементарних частинок при високих енергіях, недосяжних у лабораторних прискорювальних пристроях. Найбільша енергія частинки, зареєстрована в космічних променях:

тоді як на кращих сучасних прискорювачах досягаються енергії на 8 порядків менше. Частинки високих енергії, що приходять до Землі з міжпланетного та міжзоряного простору, породжують в земній атмосфері нові, вторинні частки, теж володіють чималими енергіями. Але більш за все цікаві, очевидно, вихідні, первинні частинки. Вони представляють собою головним чином протони; серед них є в невеликому числі й атомні ядра таких елементів, як гелій, літій, берилій, вуглець, кисень і т. д., аж до урану. Крім рідкісних випадків екстремально великих енергій, енергії в космічних променях в розрахунку на один нуклон (протон або нейтрон) не перевищують

Середня концентрація часток космічних променів у міжзоряному просторі нашої Галактики оцінюється величиною

Середня енергія частинки

Щільність енергії космічних променів, тобто енергія частинок в одиниці об'єму,

Остання величина порівнянна із щільністю енергії магнітного поля Галактики і близька до середньої густини кінетичної енергії хаотичних русі хмар міжзоряного газу. Електронів в космічних променях не більше 1-2%. Потік космічних променів Ізотропія - він приходять до Землі рівномірно з усіх сторін (крім, звичайно, часток, що випускаються Сонцем).
Космічні промені, розповсюджуючись в міжзоряних магнітних полях, здатні створювати синхротронне випромінювання. Загальне радіовипромінювання Галактики відомо з кінця 40-х років. Його потужність становить

Нагадаємо, що потужність оптичного випромінювання Галактики

еквівалентна світла приблизно

сонць. Однак радіомощность Галактики незрівнянно більше. Пояснення загального радіовипромінювання Галактики як синхротронного випромінювання електронів космічних променів запропоновано В. Л "Гінзбургом в 1950-1951 рр.. Основне питання фізики космічних променів з самого початку її розвитку - природа їх високої енергії. Він до цих пір ще не вирішено. Обговорюється цілий ряд цікавих можливостей: прискорення частинок в міжзоряних магнітних полях (як це передбачав ще в 40-і роки Е. Фермі), в оболонках, що скидаються при спалахах наднових (ця ідея розвивається зараз багатьма авторами), в ядрі Галактики або навіть поза її - у квазарах. Відкриття пульсарів, аналіз їх електродинаміки, дані про частки високої енергії в Крабовидної туманності, одержувані з аналізу її синхротронного випромінювання,-все це вказує на пульсари як на ефективний джерело космічних променів. Давня ідея В. Бааде і Ф. Цвіккі про Єдності походження нейтронних зірок і космічних променів набуває зараз нові підстави.
Вік пульсарів

Пульсари - замагніченій нейтронні зірки, випромінювання яких приймається на Землі у вигляді періодичних імпульсів. Енергія випромінювання черпається з енергії обертання, за рахунок чого частота обертання нейтронної зірки поступово зменшується. У простій моделі, за спостереженнями періоду пульсара $ P $ і швидкості його уповільнення $ \ Dot P $ можна оцінити вік пульсара $ \ Tau = P / 2 \ dot P $ . Це час, зване "динамічним віком" пульсара, використовувалося для оцінки віку впродовж останніх 30 років. Проте нові спостереження, виконані за допомогою радіотелескопу VLA (Нью-Мехіко), поставили даний метод оцінки віку під сумнів. Пульсар B1757-24 спостерігається поблизу оболонки наднової, при вибуху якої він, як вважають, народився. За рахунок несферичності вибухів наднових нейтронні зірки зазвичай отримують віддачу і рухаються з великими пекулярними швидкостями. Вимірявши просторове зміщення пульсара B1757-24 за 7 років, астрономи знайшли швидкість його руху - 560 км з - 1. З цією швидкістю пульсар міг відійти від місця вибуху наднової до його сучасного становища за час, не менше, ніж 40000 років. Між тим, динамічний вік пульсара становить всього 17000 років. Настільки сильне розбіжність оцінок не знаходить пояснення в існуючих теоріях випромінювання пульсарів. Однак висувалася гіпотеза про те, що пульсар випадково виявився поблизу місця вибуху наднової і не пов'язаний з нею своїм походженням.

Радіоастрономи відкрили пульсар - швидко обертається сверхплотную нейтронну зірку , що має вік менше, ніж у всіх раніше виявлених.

На інфрачервоному знімку показаний залишок від вибуху наднової .
Стрілкою вказано напрямок руху пульсара, отримане з спостережень у період з 1989 по 2000 р.
Новий пульсар отримав позначення В1951 +32, а залишок від вибуху наднових - СТВ 80.
Обидва об'єкти віддалені від нас на відстань 8000 світлових років.
Після вибуху наднової на її місці утворилася надщільна нейтронна зірка.
Швидкість переміщення пульсара становить більше 800000 км на годину. Рухаючись з такою швидкістю, Пульсару треба було б 64000 років, щоб переміститися з місця вибуху в ту точку, де його зараз спостерігають. Таким чином, астрономи вважають, що вік пульсара приблизно 64000 років.
Однак, використовуючи метод залежності швидкості обертання пульсара від віку, вчені оцінили час життя в 107000 років.
Астрономи припускають, що з часом, обертання пульсара сповільнюється. Це відбувається через постійне зменшення кількості випромінюваної енергії.
Таким чином, астрономам доведеться переглянути всі раніше зроблені оцінки віку пульсарів.
Наймолодший пульсар

Астрономи Національного Наукового Фонду, що використовували в своїй роботі телескоп Green Bank Telescope, зафіксували слабкий сигнал наймолодшого з відомих на сьогоднішній день пульсарів . Його вік становить усього 820 років.
Вважається, що пульсар виник в результаті вибуху наднової, що сталося влітку 1181 і зафіксованого в китайських і японських літописах. Протягом останніх 20 років астрономи займалися дослідженням залишків наднової 3C58, розташованої в сузір'ї Кассіопея на відстані 10000 світлових років, намагаючись зафіксувати слабкі сигнали молодого пульсара. В кінці 2001 року обсерваторія Чандра підтвердила факт існування космічного об'єкта, однак, до недавнього часу він залишався недоступним для радіотелескопів. І нарешті пульсар "почули"!
Виявлення надзвичайно молодого пульсара дозволяє детально досліджувати природу подібних небесних тіл - зокрема, точно з'ясувати зміни у швидкості його обертання, а згодом визначити, яким чином пульсари генерують і випромінюють радіосигнали.

Пульсар на місці наднової

Нові дані, отримані від Chandra X-ray Observatory, показують, що добре відомий пульсар сузір'я Стрільця пов'язаний з вибухом нової 386 року нашої ери, яку спостерігали астрономи в стародавньому Китаї.
У 70-х роках радіоастрономи відкрили розширюється газову туманність з частинками високої енергії, відому як G11.2-0.3. Якщо результати підтвердяться, то це буде другий пульсар, пов'язаний з вибухом нової. За минулі 2000 років було менше 10 повідомлень, які можливо описували спалах наднової. В даний час доведено, що тільки в Крабовидної туманності знаходиться пульсар, який утворився після вибуху наднової в 1054 р. таким чином, це єдина нейтронна зірка з відомим віком.
На знімку добре видно, що пульсар знаходиться строго в центрі залишку від вибуху наднової.
Швидкість обертання пульсара становить 14 обертів на секунду. Він був сформований після вибуху наднової у 386 р. і, отже, має вік 1615 років.
Однак космологи і астрофізики, використовуючи моделі на основі швидкості обертання пульсара, визначили його вік близько 24000 років, що дуже сильно розходиться з попередньою версією.
Список використаної літератури
  1. Арзуманян "Небо. Зірки. Всесвіт "Москва. 1987
  2. Воронцов Б.А. "Нариси про Всесвіт" Москва. 1976
  3. Зігель Ф.Ю. "Скарби зоряного неба" Москва. 1976
  4. Климишин І.А. "Астрономія наших днів" Москва. 1980
  5. Агекян Т.А. "Зірки. Галактики. Метагалактика "Москва. 1982р.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Астрономія | Реферат
77.9кб. | скачати

© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru