Пульсары. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пульсары - космич. радиоисточники, излучение к-рых представляет собой периодич. последовательность импульсов. Первые пульсары открыты в кон. 1967 группой радиоастрономов Кембриджского ун-та (Великобритания) под руководством Э. Хьюиша (A. Hewish).

Данные наблюдений. Известно более 500 пульсаров. Периоды P следования импульсов излучения наблюдаемых пульсаров заключены в интервале от ! 1,6 мс до ! 4,3 с.

Обозначение пульсаров состоит из букв PSR (от англ. pulsar) и его экваториальных координат (см. Координаты астрономические)- прямого восхождения a в часах (К)и минутах (т)и склонения d в градусах. Напр., PSR 1919 + 21 обозначает пульсар с координатами

d = +21°.

Периоды пульсаров чрезвычайно стабильны. Напр., период первого открытого PSR 1919 + 21 равен 1,337301100168b7·10^-11 с. Однако достаточно длительные наблюдения (недели и месяцы) показали, что периоды пульсаров медленно увеличиваются со временем. Характерное время удвоения периода ~10³ лет для самого молодого пульсара и ~10⁹ лет для наиболее старых пульсаров. Иногда у некоторыхпульсаров наблюдаются резкие (за времена меньше суток) скачки периода. Впервые скачки периода зарегистрированы у двух самых молодых пульсаров. Относит. изменение периодов (DP/P) составляло ~3·10^-9 (PSR 0531 + 21 - пульсар в Крабовидной туманности) и 2·10^-6 (PSR0833-45 - пульсар в созвездии Парусов). У PSR 0833-45 скачки наблюдались примерно раз в 2 года и имели DP = Р₂ - P₁ < 0 (P_1,P₂ - периоды до и после скачка). У PSR 0531 + 21 скачки происходили в неск. раз чаще и имели как положительную, так и отрицат. величину DP. Впоследствии скачки периодов зарегистрированы и у старых пульсаров, причём у одного из них величина DP/P оказалась в ~100 раз большей, чем у PSR0531 + 21.

Отд. импульсы радиоизлучения данного пульсара совершенно непохожи друг на друга. Однако форма усреднённого импульса, полученная усреднением неск. сотен импульсов, весьма стабильна. Для подавляющего большинства пульсаров ширина (длительность) Dt усреднённого импульса на уровне половины макс. интенсивности заключена в интервале (0,01-0,1)Р и в ср. равна 0,04 Р. Однако у нескольких пульсаров величина Dt сильно отличается от ср. значения. Так, напр., излучение PSR 1541 +09 длится почти половину его периода, у PSR 0826 - 34 - в течение всего периода. Отношение Dt/P зависит от частоты, на к-рой ведутся наблюдения.

У ряда пульсаров профиль усреднённого импульса резко меняется, принимая на нек-рое время другую стабильную форму, затем также резко восстанавливает свою первонач. форму. Это явление наз. сменой моды излучения пульсара. Длительность пребывания пульсара в той или иной моде обычно составляет от неск. минут до неск. часов. Иногда радиоизлучение пульсара резко пропадает, а затем скачком возвращается к нормальному значению. Интенсивность радиоизлучения пульсара при таком его замирании падает более чем в 100 раз. Характерная длительность замираний от 1P (отсутствует лишь один импульс) до неск. десятков Р.

Импульсы радиоизлучения пульсара состоят из одного или более субимпульсов. У большинства пульсаров субимпульсы появляются хаотически в пределах усреднённого импульса. Однако у нек-рых пульсаров субимпульсы в последо-ват. импульсах систематически дрейфуют через профиль усреднённого импульса. Скорость дрейфа субимпульсов такова, что через время ~(2-20)Р расположение субимпульсов периодически повторяется. Субимпульсы также имеют сложную временную структуру и состоят из отд. микроимпульсов. Так, напр., потоки радиоизлучения PSR 0950 + 08 и PSR 1133 + 16 являются сильно переменными на временах вплоть до предела разрешения ~10^-5 с.

Излучение пульсаров, как правило, сильно поляризовано. Степень линейной поляризации радиоизлучения некоторых пульсаров (напр., PSR 0833-45) близка 100%. У ряда пульсаров наблюдается также круговая поляризация радиоизлучения, достигающая 30-50%.

Радиоизлучение пульсаров исследовалось в диапазоне частот от неск. десятков МГц до ~10 ГГц. Хотя для разных пульсаров спектры сильно отличаются, они обладают рядом общих свойств. а именно: на частотах ниже ~100 МГц и выше неск. ГГц наблюдается, как правило, сильное уменьшение плотности потока радиоизлучения, т. е. имеет место т. н. завал спектра; внутри же данного интервала частот спектр излучения степенной, со спектральным индексом от 0,6 до !3.

От неск. пульсаров наблюдается не только радио-, но и более высокочастотное излучение. Среди них особое место занимает молодой PSR 0531 + 21 (возраст ~10³лет), от к-рого зарегистрировано импульсное излучение практически во всём доступном для наблюдений диапазоне: от ДВ-радиоизлучения (частота v ~ 30 МГц) до сверхжёсткого g-излучения (v ~ 10²⁷ Гц, hv ~ ~10¹² эВ). В этом диапазоне частот фазы максимумов импульсов излучения совпадают (рис.). Мощность излучения PSR 0531 + 21 ок. 10³⁰ эрг/с в радиодиапазоне, ~10³³ эрг/с в оптич. диапазоне, 10³⁶ эрг/с в рентг. диапазоне и 10³⁵ эрг/с в g-диапазоне. Т. о., осн. излучение этого пульсара сосредоточено в рентг. и гамма-диапазонах, в радиодиапазоне испускается лишь ничтожная (~10^-6) доля излучения. Аналогичная ситуация имеет место и для остальных пульсаров, от к-рых наблюдается ВЧ-излучение.

Профили усреднённых импульсов излучения PSR 0531 + 21 в гамма (а), рентгеновском (б), оптическом (в) и радиодиапазонах (г).

Оказалось, что молодые пульсары, возраст к-рых не превосходит существенно 10⁴ лет, расположены внутри остатков вспышек сверхновых (связь с остатками сверхновых надёжно установлена для восьми пульсаров). Следовательно, все пульсары либо значит. часть их образуются при вспышках сверхновых звёзд. Отсутствие оболочек вокруг подавляющего большинства пульсаров связано с тем, что за время их жизни (~10⁶-10⁷ лет) окружавшие пульсар оболочки уже рассеялись.

Ок. 4% пульсаров входят в двойные системы. В 1986 обнаружено излучение звёзд, являющихся компаньонами PSR 0655 + 64 и PSR 0820 + 02. Обе звезды оказались белыми карликами. Тот факт, что один из этих белых карликов очень старый (его возраст превосходит 2·10⁹лет), радикально повлиял на совр. представления об эволюции пульсаров. Ранее считалось, что пульсары по истечении времени ~ 2t₀ выключается как радиоисточник [t₀ ! ! (2 - 3) ·10⁶ лет - ср. возраст пульсара]. Согласно теории тесных двойных звёзд, пульсары должны образоваться раньше, чем белый карлик. Следовательно, PSR 0655 + 64, входящий в двойную систему со старым белым карликом, должен иметь возраст

2·10⁹ лет, т. е. более чем в 100 раз больше ср. возраста пульсара.

Пульсары концентрируются к плоскости Галактики. Пространственная плотность пульсаров r изменяется с расстоянием z от галактич. плоскости по закону: r(z) = = r₀ехр(-|z|/230). Здесь z в пк, r₀ - плотность пульсаров в плоскости Галактики.

Одним из замечат. свойств пульсаров, отличающих их от остальных астр, объектов, является чрезвычайно высокая яркостная температура

их радиоизлучения. Действительно, размер l области излучения не превышает величину сDt ~ 3·10⁶ - 3·10⁸ см (Dt = = 10^-4 - 10^-2 с - длительность импульса), т. е. меньше диаметра Земли. При радиосветимости пульсаров ~ 10²⁵ - 10³⁰ эрг/с это соответствует яркостной температуре 10²⁵- 10²⁷ К. У объектов, известных до открытия пульсаров, величина Т_b не превосходила 10¹⁵ - 10¹⁶ К. Во время коротких всплесков радиоизлучения пульсаров их яркостная температура достигает значений 10³⁰-10³¹ К. Столь высокая яркостная темп-pa указывает на то, что радиоизлучение пульсаров генерируется за счёт какого-то когерентного механизма.

Теория пульсаров. Сразу после открытия пульсаров было высказано предположение о том, что они являются вращающимися нейтронными звёздами с магн. полем на их поверхности ~10¹² Гс. Данная модель пульсара общепризнана. Согласно этой модели, излучение пульсара сильно анизотропно и испускается в малом телесном угле. При вращении нейтронной звезды наблюдатель, попадающий в диаграмму направленности излучения пульсара, видит импульсы излучения, повторяющиеся с периодом, равным периоду вращения звезды. Высокой стабильностью периода вращения нейтронной звезды и объясняется высокая стабильность периода повторения импульсов излучения пульсара. Медленное увеличение периода пульсара обусловлено потерей энергии вращения нейтронной звезды:

где

= IW²/2 - кинетич. энергия вращения нейтронной звезды с моментом инерции I (~10⁴⁵ г·см²), вращающейся с угл. скоростью W = 2p/Р. Эта энергия трансформируется в энергию нетеплового излучения пульсара в следующей последовательности процессов: вращение нейтронной звезды; возникновение вследствие униполярной индукции сильного электрич. поля в окрестности нейтронной звезды; ускорение частиц в электрич. поле до ультрарелятивистских энергий; генерация g-излучения при движении ультрарелятивистских частиц вдоль искривлённых магн. силовых линий (см. Изгиб-ное излучение); поглощение g-квантов в сильном магн. поле и рождение электрон-позитронных пар; развитие плазменных неустойчивостей в сильнонеравновесной ультрарелятивистской электрон-позитронной плазме; генерация нетеплового излучения пульсара. Концентрация электрон-позитронной плазмы вблизи поверхности пульсара ~10¹³-10¹⁹ см^-3 и убывает при удалении от пульсара пропорционально напряжённости его магн. поля. Энергии электронов и позитронов плазмы от 10 т_ес² до 10⁴ т_ес². Ультрарелятивнстская плазма пронизывается либо электронным, либо позитронным пучком частиц с энергией (10⁶-10⁷)m_ес² и концентрацией в 10³-10⁴ раз меньшей, чем концентрация плазмы. В сильном магн. поле пульсара электроны и позитроны плазмы и пучка из-за потерь на синхротронное излучение практически мгновенно теряют перпендикулярную магн. полю составляющую импульса и истекают из окрестностей нейтронной звезды, двигаясь почти вдоль магн. силовых линий. Т. о., электроны и позитроны имеют сильнонеравновесные одномерные функции распределения по импульсам. В такой плазме могут, в принципе, развиваться двухиотоковая, циклотронная, филаментационная, дрейфовая и др. неустойчивости плазмы. Пока неясно, какие неустойчивости развиваются в действительности и приводят к генерации радиоизлучения.

Наблюдения пульсаров используются для решения большого числа актуальных проблем физики и астрофизики. Напр., при наблюдении PSR 1913 + 16, входящего в тесную двойную систему, впервые было получено косвенное подтверждение генерации гравитационных волн. Вследствие потерь энергии двойной системой на гравитац. излучение происходит сближение PSR 1913 + 16 и его звезды-компаньона. При этом орбитальный период системы уменьшается. Это уменьшение происходит в соответствии с общей теорией относительности, чем и подтверждается применимость данной теории для описания процесса генерации гравитац. волн. Из анализа времени прихода импульсов оптич. излучения PSR 0531 + 21 на разных частотах был получен верх. предел на изменение скорости света с изменением частоты:

. Этот предел на

неск. порядков ниже полученного в лаб. условиях. По запаздыванию импульсов радиоизлучения PSR 0531 + + 21 на разных частотах получено также ограничение на массу покоя реального фотона:

г. Данное ограничение более слабое, чем полученное из анализа земного магн. поля, однако анализ земного магнетизма даёт ограничение на массу виртуальных фотонов. Благодаря широкополосности, сильной линейной поляризации и импульсному характеру излучения пульсара являются идеальными зондами для исследования межзвёздной среды, самой природой разбросанными по объёму Галактики. С помощью наблюдений пульсаров было найдено, напр., что ср. концентрация электронов в межзвёздной среде равна 0,03 b 0,1 см^-3. Выло установлено также, что галактич. магн. поле однородно в масштабах > 1 кпк и в ср. составляет (2,2 b 0,4)·10^-5 Гс.

Литература по пульсарам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.