Сверхновые звезды и пульсары

Оглавление статей
Сверхновые звезды и пульсары
Страница 2

Страница 1 из 2

 

 

В предыдущем параграфе подробно рассказывалось о Крабовидной туманности, образовавшейся при вспышке сверхновой более 900 лет тому назад. Но что же собой представляет сейчас сама звезда, испытавшая вспышку? Ответ на этот вопрос стали искать еще в сороковые годы. Тогда в центре Крабовидной туманности были обнаружены две слабые звездочки. Они выглядели как обычные карликовые звезды, и это казалось несколько странным. Ведь можно было ожидать, что остаток сверхновой обладает особыми свойствами, тем более если принять во внимание продолжающуюся активность туманности. В частности, присутствие в туманности большого количества релятивистских электронов, возникавших, как показал ряд данных, где-то в очень малой области вблизи ее центра, свидетельствует о бурной деятельности остатка сверхновой. В дальнейшем было найдено, что в пределах точности наблюдений положение центра активности — источника выбросов релятивистских электронов — совпадает с одной из звездочек — южной. Она и была наиболее подходящим «кандидатом» на роль остатка сверхновой.

Важнейшим шагом на пути к разгадке природы сверхновых звезд было обнаружение в 1968 г. внутри Крабовидной туманности пульсара — так были названы открытые незадолго до этого особые объекты, обладающие удивительными свойствами. Оказалось, что одна из двух звезд, находящихся в центре туманности — как раз та, которая подозревалась в качестве источника активности,- и является пульсаром. Вскоре пульсар был открыт и внутри другой туманности, образованной при вспышке сверхновой. Тем самым было установлено, что существует тесная связь между вспышками сверхновых и образованием пульсаров. Следовательно, говоря о вспышках сверхновых звезд, необходимо рассказать и о пульсарах.

В 1967 г. был открыт слабый переменный источник радиоизлучения, сигналы которого отличались удивительно точной периодичностью. Хотя форма сигналов и их сила меняются, интервал времени между сигналами — или, как их называют, пульсами радиоизлучения — выдерживается неизменным (в среднем за много пульсов) с точностью до 10-8секунды. Интересно, что английские ученые, обнаружившие первый из пульсаров, в течение нескольких месяцев воздерживались от опубликования своего открытия, допуская даже, что мы имеем дело с сигналами от внеземной цивилизации. В этом случае требовалось исключительно ответственно подойти к проверке открытия, чтобы избежать ложной сенсации. Заметим, что в свете имеющихся теперь данных гипотеза об искусственном происхождении сигналов от пульсаров лишена каких бы то ни было оснований. За три последующих года было обнаружено около 60 пульсаров.

Для выяснения природы пульсаров необходимо прежде всего знать расстояния до них. Расстояния находят при помощи особого метода, основанного на наблюдаемом свойстве импульсов их излучения. Радиоизлучение от пульсаров наиболее интенсивно на метровых волнах, но они испускают также излучение и других длин волн. В течение данного пульса сигналы на разных длинах волн приходят не одновременно — чем меньше длина волны, тем позже приходит сигнал.

Поскольку нет оснований считать, что излучение в разных длинах волн испускается в различные моменты, сдвиг сигнала во времени в зависимости от длины волны излучения следует объяснить тем, что радиоизлучение пульсара приходит к нам не через пустоту, а сквозь межзвездную среду. Межзвездный газ содержит ионизованные атомы и, значит, представляет собой плазму. Скорость распространения электромагнитных волн в плазме зависит от длины волны. Через межзвездный газ излучение метровых длин волн распространяется медленнее, чем, например, дециметровых. Поэтому одновременно испущенное излучение разных частот (импульс) придет к наблюдателю импульс «размазывается» (рис.40). Степень размазанности импульса определяется количеством электронов на пути волны, т. е. произведением концентрации свободных электронов в среде на путь луча d. Средняя концентрация свободных электронов оценивается независимо по данным астрономии, и поэтому, исходя из наблюдаемого размазывания радиоимпульса, сумели найти, что для большинства пульсаров величина d составляет 1020-1021 см, т. е. они находятся на расстояниях в сотни и тысячи световых лет. Следовательно, известные пульсары — это сравнительно близкие объекты, расположенные в той же области Галактики, что и Солнце.

Image

Рис. ‘Размазывание’ во времени импульса излучения при прохождении его через межзвездную среду: а) испускаемый импульс, б) принимаемый импульс.

Период — расстояние между соседними пульсами излучения — у подавляющего большинства пульсаров порядка секунды. Продолжительность (ширина) пульса порядка 5% от длины периода. Форма пульса в среднем (за тысячи пульсов) у разных пульсаров неодинакова, но каждый из пульсаров обладает характерной для него средней формой пульса. Как уже говорилось, период для каждого данного пульсара отличается постоянством, если наблюдения ведутся в течение суток или недель. Но, наблюдая пульсары продолжительное время, установили, что их периоды медленно увеличиваются. Так, например, у пульсара — остатка вспышки сверхновой, давшей начало Крабовидной туманности, обозначаемого NP 0532, период составляет 0,033 сек и возрастает на 1,4×10-5 сек за год. Это один из самых «быстрых» пульсаров. Обычно оказывается, что чем больше величина периода, тем медленнее она возрастает. В отдельных случаях происходят небольшие внезапные изменения периода.

Пульсары открыли по их радиоизлучению. Излучение в других длинах волн удалось зарегистрировать лишь у пульсара NP 0532 в Крабовидной туманности, который наблюдается как звезда. Во всех других случаях пульсар не удалось отождествить с каким-либо видимым объектом. Что же касается пульсара NP 0532, то его оптическое излучение оказалось также пульсирующим, причем с тем же периодом, что и радиоизлучение (рис.). Этим были устранены все сомнения в правильности отождествления. Обнаруженное рентгеновское излучение пульсара NP 0532 характеризуется такой же периодичностью.

Хотя пульсары находятся сравнительно недалеко от Солнца, они представляются, как и звезды, точечными объектами. Но их размеры должны быть даже гораздо меньшими, чем у звезд. О малых размерах пульсара можно судить по очень быстрым изменениям его излучения. Чтобы понять, как можно прийти к такому заключению, вспомним одно из важнейших положений теории относительности. Оно заключается в невозможности для любого воздействия распространяться со скоростью, превышающей скорость света с. Так как излучение всего источника существенно изменяется за время t порядка 0,03 сек, то размер излучающей области не может превосходить сt≈10000 км. Принимая, что область имеет существенно больший размер, мы должны были бы допустить, что все ее части изменяют свое излучение согласованно, но не имеют при этом контактов с другими частями. Такое предположение нелепо.

Предельные значения размеров пульсаров, порядка 109 см, близки к радиусам белых карликов. Поэтому в первое время после открытия пульсаров их считали белыми карликами. Каким же путем можно объяснить переменность излучения такого объекта? Первоначально периодические изменения радиоизлучения приписывали колебаниям звезды. Астрономам хорошо известны звезды, излучение которых периодически изменяется,- это так называемые цефеиды. Каждый слой звезды движется вдоль радиуса сначала от центра, а затем к центру, в результате чего звезда поочередно сжимается и расширяется. Поэтому периодически меняется радиус излучающей поверхности, а значит, и излучение. Колебания звезды около положения равновесия происходят под действием силы тяжести. Поэтому период колебаний определяется сравнительно простой формулой, похожей на известную формулу для периода колебаний маятника. Подробнее о колебаниях цефеид рассказано в книге С. А. Каплана «Физика звезд». Как показано там же, из указанной простой формулы вытекает, что период колебания звезды обратно пропорционален корню квадратному из ее средней плотности.

Image

Рис. Форма ‘пульса’ излучения пульсара NP 0532: а) оптическое излучение, б) радиоизлучение.

Радиусы цефеид велики, и средняя плотность этих звезд порядка 10 г/см3, а периоды колебания составляют несколько суток, т. е. 105 — 5×105 сек. У белого карлика, средняя плотность которого в 104 — 106 раз больше, чем у цефеиды, период должен быть в 102 — 103 раз меньшим, т. е. равным нескольким десяткам секунд. Колебания излучения пульсаров происходят гораздо быстрее — за доли секунды. Следовательно, если они и обусловлены колебаниями какой-то звезды, то плотность этой звезды должна не менее чем в 104 раз превосходить плотность белого карлика.

Наблюдаемые изменения излучения пульсара не только по величине периода, но и по ряду других особенностей не согласуются с гипотезой о том, что они обусловлены колебаниями белого карлика. Поэтому была выдвинута другая гипотеза, в соответствии с которой пульсар является очень быстро вращающейся звездой. Таким образом, обеспечивается строгая периодичность изменений и длительное постоянство периода — ведь скорость вращения звезды не может изменяться быстро. Конечно, чтобы излучение при вращении звезды менялось, излучательная способность в разных местах поверхности звезды должна быть неодинаковой. Предполагается, что на поверхности пульсара есть особенно сильно излучающие области, которые вследствие его вращения периодически скрываются от наблюдателя.

Для того чтобы очень быстро вращающаяся звезда не разорвалась на части под действием центробежных сил, ее радиус должен быть достаточно мал. Найдем, в каких границах должен находиться радиус R* звезды с массой М* и периодом вращения Р*. Центробежное ускорение на экваторе наибольшее, и его величина не должна превосходить ускорения, обусловленного тяготением, т. е. должно выполняться условие

Image

Скорость точки на экваторе vэкв=2πR*/P* и поэтому величина радиуса удовлетворяет условию

Image

Если М*Сверхновые звезды и пульсары и Р*=0,1 сек, то получается R*<1,5 x 107 см. Средняя плотность такой звезды Сверхновые звезды и пульсары>1010 г/см3. Если же Р* = 1/30 сек, что соответствует пульсару NP 0532, то получается еще меньшее значение радиуса и Сверхновые звезды и пульсары>1011 г/см3.Как мы видим, предположение о вращении пульсара как причине изменений блеска приводит к выводу о его исключительно высокой плотности и очень малом, порядка ста километров, радиусе.

Еще в тридцатые годы физики нашли, что могут существовать сверхплотные звезды — со средней плотностью около 1014 г/см3 и радиусом порядка десяти километров. С этими звездами, называемыми нейтронными, не удавалось отождествить никаких из наблюдаемых объектов. Отмеченные свойства пульсаров позволили думать, что наконец-то нейтронные звезды обнаружены. Сейчас большинство астрономов придерживается такого мнения и считает, что по крайней мере при некоторых вспышках сверхновых образуется нейтронная звезда.

Рассматривая белые карлики, мы уже имели дело с веществом очень высокой плотности. Теперь же, говоря о нейтронных звездах, мы встречаемся со значением плотности, чудовищным по земным масштабам. Один кубический сантиметр вещества при плотности 1014 г/см3 имеет массу сто миллионов тонн. Если считать все вещество состоящим из протонов, то при таких плотностях на один протон приходится объем около 10-38см3, т. е. кубик со стороной 2×10-13см. Так как радиус протона около 10-13см, то плотность 1014 г/см3 близка к плотности ядерного вещества(Очевидно, что, хотя сверхплотные звезды содержат в основном не протоны, а ядра более тяжелых атомов, сделанный вывод остается в силе.). Тяжелые частицы упакованы настолько тесно, что для электронов, образно говоря, нет места.

Что же происходит с электронами при возрастании в звезде плотности вещества до значения 1014 г/см3? Уже при плотности 1011 г/см3 часть электронов захватывается ядрами атомов. Когда электрон попадает в ядро, один из протонов ядра превращается в нейтрон. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу и в ядре появляется нейтрино, которое, благодаря своей способности почти беспрепятственно проходить сквозь вещество, покинет звезду. Процесс захвата электрона протоном является обратным по отношению к хорошо известному процессу распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон. При этом возникают электрон, частица, называемая антинейтрино, и энергия в форме γ-кванта. Для того чтобы осуществился обратный β-процесс, необходимо затратить большую энергию. В вырожденном электронном газе, при высокой его плотности, часть электронов обладает энергией, достаточной для превращения протона в нейтрон.

При дальнейшем увеличении плотности вещества все большее число электронов захватывается ядрами и соответственно растет количество нейтронов. Рост числа нейтронов в атомном ядре без изменения общего числа частиц в нем приводит в лабораторных условиях к неустойчивости — ядро распадается. При этом избыточные нейтроны испытывают р-распад и опять превращаются в протоны, испуская одновременно электроны. В условиях очень высокой плотности β-распад не происходит. Ведь ядро до этого поглотило электрон, который не «помещался» в звезде; значит, испускаемому при β-распаде электрону негде будет находиться — поэтому он и не образуется. Как показывают расчеты, при возрастании плотности до значения 1014 г/см3 преобладающая часть протонов превратится в нейтроны. Звезду, состоящую из нейтронов, можно уподобить гигантскому «атомному ядру». Как взаимодействуют в этом ядре нейтроны между собой и с другими частицами, известно недостаточно хорошо, и поэтому процессы, связанные с дальнейшим возрастанием плотности, до конца не выяснены.

В самых наружных слоях нейтронной звезды, занимающих несколько процентов ее радиуса, плотность существенно ниже указанного значения. Там могут существовать обычные ядра атомов и электроны.

Если пульсар, как это кажется сейчас наиболее правдоподобным, является нейтронной звездой, то возникновение пульсара при вспышке сверхновой находится в согласии с современной точкой зрения на причины таких вспышек. В предыдущем параграфе говорилось о том, что вспышка сверхновой может происходить вследствие катастрофического спадания звезды к центру в результате исчерпания источников энергии в звезде. Возможность образования при вспышке именно нейтронной звезды, а не белого карлика зависит от массы взрывающейся звезды, скорости ее вращения и ряда других факторов.

Сжатие звезды должно сопровождаться выделением огромной энергии, порядка

Image

(R’* — радиус звезды в конечной стадии), за счет уменьшения потенциальной энергии звезды (напомним, что потенциальная энергия звезды отрицательна и ее уменьшение приводит к освобождению положительной энергии). Механизм перехода потенциальной энергии при сжатии звезды в энергию других видов сложен и не изучен. Однако из общих соображений (по теореме вириала) следует, что значительная часть потенциальной энергии преобразуется в кинетическую энергию вращения. Этим обеспечивается очень быстрое вращение остатка сверхновой звезды.

Подсчеты, сделанные в § 6, показали, что для обычных звезд энергия вращения по величине значительно уступает тепловой. У нейтронной звезды, как мы сейчас покажем, энергия вращения должна быть во много раз больше, чем, скажем, у Солнца.

При прямолинейном движении тела, не подверженного действию внешних сил, количество движения тела, определяемое как произведение массы на скорость, сохраняется. В случае вращательного движения вместо сохранения количества движения нужно говорить о сохранении момента количества движения. Если одна частица вращается вокруг какой-то оси, то ее момент количества движения L относительно этой оси равен произведению массы m на скорость v и на расстояние r до оси:

L = mvr.

Чтобы увеличить скорость вращения — «раскрутить» частицу, нужно приложить некоторую силу и совершить работу. За счет работы энергия вращательного движения возрастает. При отсутствии силы скорость вращения частицы, а значит, и момент количества движения не меняются.

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: