|
Александр |
Что такое пульсар?
Пульсар - нейтронная звезда.
Что такое чёрная дыра?
Что такое пульсар?
После открытия пульсара в Крабовидной туманности стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны со взрывами сверхновых. По-видимому, сигналы пульсара идут от того объекта, который остается на месте взрыва сверхновой. Это предположение подтверждается и другим пульсаром, излучение которого исходит из области, где наличие газовых масс указывает на происшедший ранее взрыв сверхновой. Этот взрыв, по всей вероятности, произошел очень давно, задолго до аналогичного события в Крабовидной туманности. В созвездии Паруса разлетающиеся газовые массы выглядят уже не как компактное пятно, а как отдельные нити , имеющие большую протяженность. Период этого пульсара на 0,09 секунды больше периода пульсара в Крабовидной туманности. Это третий из самых быстрых известных пульсаров. С самого начала велся поиск этого объекта в видимой области спектра. Но успеха удалось добиться лишь в 1977 г. Отметим, что наряду с этими двенадцатью учеными, работающими 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 Паруса. Так что становится ясно, сколь масштабному всемирному бдению был объявлен отбой этой заметкой. Между прочим, Майкл Дисней, участвовавший 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 Крабовидной туманности. Такой пульсар излучает не только в радиодиапазоне, но и в видимой области спектра. С течением времени частота импульсов уменьшается. Не более чем за тысячу лет период пульсара становится равным периоду пульсара в Крабовидной туманности, а затем достигает и периода пульсара в созвездии Паруса. Наряду с увеличением периода ослабевает и интенсивность излучения в видимой области. Когда период пульсара превышает одну секунду, его оптическое излучение давно уже исчезло, и его удается обнаружить лишь по импульсам в радиодиапазоне. Поэтому с видимыми источниками отождествлены лишь два пульсара с самыми короткими 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 излучать в видимой области.
Но что же такое пульсары? Что остается, когда жизнь звезды заканчивается гигантским взрывом? Мы уже знаем, что пространственная 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 вещества должна быть очень высокой, так как лишь тогда период осцилляции может быть достаточно малым (вспомним, что период изменения блеска цефеид составляет несколько суток). Нас же интересуют объекты, которые способны осциллировать с периодом в сотые доли секунды. Даже самые плотные из известных нам звезд, белые карлики, неспособны совершать столь быстрые колебания. Возникает вопрос: могут ли звезды иметь еще более высокую плотность, звезды, оставляющие по плотности далеко позади белые карлики с их тоннами на кубический сантиметр? Первые соображения на этот счет высказали один советский физик и два астронома из Пасадены задолго до обнаружения пульсаров. Лев Ландау (1908-1968) в 1932 г. доказал, что вещество с еще более высокой плотностью может находиться в равновесии с гравитационными силами. Тогда же в Пасадене на самом большом по тем временам телескопе в мире работал выходец из Германии Вальтер Бааде. Он был, несомненно, одним из лучших астрономов-наблюдателей нашего столетия. Там же работал и швейцарец Фриц Цвикки, человек столь же напористый, сколь и неистощимый на выдумки. Еще в 1934 г. 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 г. физики Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков поместили в американском физическом журнале статью о нейтронных звездах. Имя одного из авторов этой статьи стало известно во всем мире задолго до того, как астрономы всерьез занялись нейтронными звездами: Оппенгеймер сыграл ведущую роль в создании американской атомной бомбы.
Оппенгеймер и Волков доказали, что звездное вещество, в котором электроны и протоны соединились в нейтроны, может удерживаться в виде шара собственными гравитационными силами. Зная свойства нейтронного вещества, можно осуществить теоретический расчет нейтронных звезд. Анализ математической модели нейтронной звезды показывает, что плотность ее должна быть очень велика: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с поперечником 30 километров-в кубическом сантиметре содержатся миллиарды тонн нейтронной материи. Но нейтронные звезды, если заставить их осциллировать, будут делать это гораздо быстрее, чем пульсары. Поэтому в качестве объяснения периода пульсаров объемная осцилляция нейтронных звезд не подходит. Итак, мы вновь вернулись к тому, с чего начали. Мы искали плотные звездоподобные объекты, которые могли бы совершать достаточно быстрые колебания,-и белые карлики оказались слишком медленными, а гипотетические нейтронные звезды слишком быстрыми.
Томас Голд объясняет пульсары
Коллеги-астрономы называли его Томми. Он родился в Австрии и вовремя успел эмигрировать в Англию. Там он учился, некоторое время работал вместе с Германом Бонди, как и он сам, эмигрантом, и с Фредом Хойлом, а затем переехал в США. Об открытии пульсаров он узнал, будучи преподавателем Корнельского университета в г. Итака (шт. Нью-Йорк). И вот, в то время как в научных журналах одна за другой публиковались скороспелые попытки объяснить существование пульсаров (сводившиеся, главным образом, к попыткам спасти гипотезу пульсирующих звезд), мысль Томми Голда пошла в совершенно ином направлении.
К регулярным периодическим движениям небесных тел относится и собственное вращение объектов. Солнце, например, совершает полный оборот вокруг своей оси за 27 суток; существуют звезды, которые вращаются гораздо быстрее. Не связана ли строгая периодичность пульсаров с каким-либо вращательным движением? Тогда объект должен был бы совершать полный оборот менее чем за секунду-в случае пульсара в Крабовидной туманности тридцать оборотов в секунду! Звезда, однако, не может вращаться сколь угодно быстро, поскольку при слишком высокой скорости она будет разрушена центробежными силами. Предельная скорость вращения звезды определяется величиной гравитации на поверхности звезды; для белого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секунду. Если бы скорость вращения белого карлика соответствовала периоду 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, периодические вспышки пульсара объясняются вращением нейтронной звезды. Для этого нейтронная звезда должна совершать оборот вокруг своей оси за долю секунды, и это вполне возможно: сила тяжести на поверхности нейтронной звезды достаточно велика. Нейтронная звезда может вращаться и гораздо быстрее.
Гипотезу Томми Голда, согласно которой пульсары являются вращающимися нейтронными звездами, астрофизики сразу же приняли как наиболее правдоподобную. Вековое увеличение периода пульсара объяснялось бы тогда посте пенным замедлением вращения нейтронной звезды. Это вполне естественно: можно предположить, что энергия, посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения, черпается за счет энергии вращения нейтронной звезды. Вращение могло бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излучение, хотя в действительности торможение сильнее.
Ученые пришли к выводу, что энергия, высвобожденная в результате замедления вращения пульсара в Крабовидной ∙гуманности, расходуется не только на излучение самого пульсара, но и на излучение всей туманности. Этим разрешается и еще одно затруднение.
В то время как свечение обычных туманностей - например, туманности Ориона - обусловлено излучением атомов, свечение Крабовидной туманности имеет совершенно иное происхождение. Электроны, обладающие в результате взрыва Сверхновой огромной энергией, движутся здесь со скоростью, близкой к скорости света. В магнитном поле туманности электроны движутся по круговым орбитам, излучая при этом свет. Оставался нерешенным вопрос, почему эти электроны с 1054 г. движутся все так же быстро, почему они не замедлились, теряя свою энергию на излучение. Со временем интенсивность излучения должна ослабевать, и свечение Крабовидной туманности меркнуть. По-видимому, электроны пополняют свою энергию за счет какого-то внешнего источника. Теперь этот источник был найден. Если Томми 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 тысячелетий.
Итак, мы нашли механизм, объясняющий регулярность посылаемых пульсаром импульсов. Однако нужно еще понять, как именно возникает радиоизлучение. Поскольку речь идет не о непрерывной волне, а об импульсе, при котором в течение большей части периода энергия равна нулю и лишь кратковременно энергия очень велика, можно предположить, что звезда посылает излучение в определенном направлении и мы регистрируем его в тот момент, когда луч вращающейся звезды-прожектора чиркает по Земле - точно так же, как с корабля видят луч вращающегося фонаря на маяке.
По всей видимости, нейтронная звезда обладает магнитным полем, 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 также вращается: на поверхности 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 достаточно для того, чтобы Крабо-видная туманность и сегодня, через тысячу лет после своего возникновения, могла светиться. Движение заряженных частиц поперек магнитных силовых линий затруднено, поэтому они покидают нейтронную звезду, главным образом в области ее магнитных полюсов, уходя вдоль искривленных силовых линий. Электроны, как самые легкие частицы, покидают звезду с самой большой скоростью, близкой, по всей видимости, к скорости света. Двигаясь со столь высокой скоростью по искривленной траектории, электрон излучает энергию, причем не во все стороны, а преимущественно в направлении 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, вращаются и конические пучки выходящего излучения. Удаленный наблюдатель видит их в тот момент, когда он попадает в один из этих двух конусов; для него нейтронная звезда будет вспыхивать с частотой, соответствующей скорости ее вращения. Многие астрофизики сегодня считают, что эта модель, напоминающая вращающийся прожектор морского маяка, во многом верна.Вопросы, на которые нет ответов
К НАЧАЛУ
Пульсар - нейтронная звезда...
К моменту открытия пульсаров было уже известно, что конечным продуктом эволюции звёзд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звёзд.
После того как звезда исчерпает свои источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. При этом физические свойства газа кардинально меняются, так что его давление сильно возрастает. Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Но если масса превышает некоторое критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтральные частицы - нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов, которые настолько тесно прижаты друг к другу, что огромная звёздная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается. Плотность этого шара - нейтронной звезды - чудовищно велика даже по сравнению с плотностью белых карликов: она может превышать 10 млн т/см?.
Существование нейтронных звёзд предсказал ещё в 1932 г. советский физик Лев Давидович Ландау, а в 1934 г. работавшие в США Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что эти звёзды являются остатками взрывов сверхновых. Естественно, после того как обнаружилась связь пульсаров с остатками вспышек сверхновых, было высказано мнение, что пульсары и нейтронные звёзды - это одни и те же объекты.
Каким же образом пульсары излучают электромагнитные волны? При сжатии звезды увеличивается не только её плотность. Согласно закону сохранения момента количества движения, с уменьшением радиуса звезды растёт скорость её вращения. При коллапсе огромной массивной звезды до размеров порядка нескольких десятков километров период вращения уменьшается до сотых и даже тысячных долей секунды, т. е. до характерных периодов переменности пульсаров. Помимо этого сильно уплотняется и магнитное поле звезды.
На поверхности нейтронной звезды, где нет такого большого давления, нейтроны могут опять распадаться на протоны и электроны. Сильное магнитное поле разгоняет лёгкие электроны до скоростей, близких к скорости света, и выбрасывает их в околозвёздное пространство. Заряженные частицы движутся только вдоль магнитных силовых линий, поэтому электроны покидают звезду именно от её магнитных полюсов, где силовые линии выходят наружу. Перемещаясь вдоль силовых линий, электроны испускают излучение в направлении своего движения. Это излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн. Если магнитная ось звезды (так же, как и Земли) не совпадает с осью вращения, то пучки излучения будут вращаться с периодом, равным периоду вращения звезды. Мы наблюдаем это излучение в том случае, когда, описывая окружность в пространстве, лучи пробегают по земной поверхности. Так что название «пульсары» не совсем точно: они не пульсируют, а вращаются.
Во внешнем слое нейтронной звезды происходят и другие необычные явления. Там, где плотность вещества ещё недостаточно велика для разрушения ядер, они могут образовывать твёрдую кристаллическую структуру. И звезда покрывается жёсткой коркой, подобной земной коре, но только в невообразимое число раз плотнее. При замедлении вращения пульсара в этой твердой корке создаются напряжения. После того как они достигнут определённой величины, корка начинает раскалываться. Это явление называется звездотрясением по аналогии с земными тектоническими процессами. Возможно, такими звездотрясениями объясняются скачкообразные изменения периодов некоторых пульсаров.
Пока неизвестно, являются ли вспышки сверхновых единственным источником образования нейтронных звёзд, или они могут возникать и в результате более спокойных процессов.
Открытие пульсаров имело большое значение не только для астрономии. Оно послужило стимулом для развития многих отраслей физики. Изучение пульсаров позволяет исследовать свойства мощных гравитационных и магнитных полей, совершенно недоступных в земных условиях. Высокое постоянство периодов пульсаров дало возможность с большой точностью измерить период вращения Земли. Изменяясь при прохождении через межзвёздный газ, излучение пульсаров несёт важную информацию о составе и физических свойствах межзвёздной среды.
К НАЧАЛУ
Что такое чёрная дыра?
Летом 1967 г. на радиотелескопе в Кембридже (Великобритания) были открыты пульсирующие источники радиоизлучения, или просто пульсары. Астрономы заметили, что при исследовании определённого участка неба приёмник регистрирует радиоимпульсы, повторяющиеся с интервалом чуть больше одной секунды. До тех пор во Вселенной не наблюдалось ни одного источника излучения такой быстрой и правильной переменности. Сначала наблюдатели предположили, что это какие-то земные сигналы. Однако вскоре они убедились, что импульсы приходят из-за границ Солнечной системы. Высказывалась даже гипотеза, что сигналы посылает другая цивилизация, поэтому для них ввели обозначение LGM (сокращение от английского little green men – «маленькие зелёные человечки»). Но вот похожий источник обнаружился в совершенно другой области неба, затем - ещё два, и теперь уже никто не сомневался, что импульсы имеют естественное происхождение. Но каково оно, всё равно оставалось загадкой. (Подробнее об истории открытия пульсаров можно прочесть в статье «Радиоастрономия».)
Труднее всего оказалось объяснить быструю переменность этих источников. Период (интервал между импульсами) самой быстропеременной звезды, известной до тех пор, был равен 70 с, в то время как у некоторых пульсаров он не превышает нескольких тысячных долей секунды.
По характеру излучения нетрудно приближённо определить максимально возможные размеры области пространства, из которой оно испускается. Лучи от дальних участков этой области поступают к земному наблюдателю позже, чем с её ближней границы. Поэтому мгновенный импульс излучения для наблюдателя выглядит протяжённым по времени.
Исследование переменности излучения пульсаров показало, что размеры излучающих областей в данном случае не превышают нескольких десятков километров. Это мало даже по земным масштабам. Во Вселенной же чаще приходится иметь дело с куда более грандиозными расстояниями. Если излучение столь компактных объектов, большая часть которых к тому же значительно удалена от нас, регистрируется на Земле, значит, оно невероятно интенсивно.
Изучая распределение пульсаров по небесной сфере, учёные установили, что они чаще всего встречаются вблизи плоскости Млечного Пути, а следовательно, являются членами нашей Галактики. Когда было открыто достаточно много пульсаров, оказалось, что некоторые из них находятся в остатках вспышек сверхновых звёзд. Наиболее известен пульсар с периодом 0, 033 с в Крабовидной туманности - расширяющейся газовой оболочке, возникшей после взрыва сверхновой в 1054 г. В январе 19б9 г. этот источник радиоизлучения был отождествлён со слабой звёздочкой, изменяющей свой блеск с тем же периодом. В 1977 г. со звездой удалось отождествить ещё один пульсар - на сей раз в остатке сверхновой в созвездии Паруса. У этих источников были зарегистрированы также рентгеновские и гамма-импульсы. Большинство же пульсаров, кроме радиоимпульсов, никакого излучения не посылали.
Всё это навело учёных на следующую мысль: какова бы ни была природа пульсаров, они связаны со взрывами сверхновых звёзд. Молодые пульсары имеют короткие периоды, излучают в основном в рентгеновском и гамма-диапазоне. На радиоволны приходится меньше стотысячной доли всей излучаемой энергии. Кроме того, возле молодого пульсара сохраняются остатки разлетающейся оболочки взорвавшейся звезды. По мере старения пульсара промежутки между импульсами увеличиваются, а излучение слабеет, причём максимум его сдвигается в радиодиапазон. Начиная с некоторого возраста пульсары перестают излучать, поэтому источников с периодами больше нескольких секунд не обнаружено.
Такова интерпретация наблюдательных данных. Необходима была теоретическая модель, которая объяснила бы связь пульсара со вспышкой сверхновой и предложила процесс, приводящий к столь мощному и правильному переменному излучению радиоволн из такой небольшой области пространства.
К НАЧАЛУ