Радиопульсары

Радиопульсары

Сорок лет назад, в конце 1967 г., в Кембридже (Великобрита­ния) будущий нобелевский лауреат Энтони Хьюиш (Antony Hewish) и его аспирантка Джоселин Белл (Jocelyn Bell) зарегистрировали, как они сначала полагали, сигналы от внеземных цивилизаций…

Эти сиг­налы вполне соответствовали пред­полагавшемуся тогда характеру посланий от носителей инопланет­ного разума и представляли собой импульсное излучение с ярко вы­раженной модуляцией, в которой обязана была содержаться некая информация. Период между им­пульсами сохранялся с очень боль­шой точностью и равнялся 1,337 се­кунды. В те годы технически разви­тые цивилизации за пределами Земли считались весьма агрессив­ными — такая точка зрения была вызвана многочисленными фантас­тическими романами, красочно жи­вописующими завоевание нашей планеты пришельцами. Поэтому авторы сочли за благо скрыть от научной и мировой общественности результаты своих наблюдений, за­шифровав их под кодовым назва­нием «маленькие зеленые человеч­ки» («small green men»). Однако лю­бознательность ученых заставляла их исследовать заинтриговавшую область пространства, и вскоре там были обнаружены еще три источ­ника с очень похожим характером излучения. Не подлежало сомне­нию, что открытие четырех одно­типных внеземных цивилизаций — событие практически невероятное. К тому же появились описания ес­тественных объектов, способных ис­пускать импульсное излучение: бе­лых карликов, известных астроно­мам уже более сотни лет (не исклю­чалась возможность их пульсации), и гипотетических вращающихся нейтронных звезд. В начале 1968 г. в журнале «Nature» была опублико­вана первая статья, посвященная этим необычным источникам, которые получили название ПУЛЬСА­РЫ (сокращенное от английского pulsating stars). После появления первых печатных работ по пульса­рам к кембриджским исследовате­лям присоединились радиоастроно­мы из СССР (Пущино), Австралии (Молонгло) и США (Аресибо).

Image 

Пока периоды открытых пульса­ров были порядка секунды, астро­физики разрабатывали обе гипоте­зы об их природе, высказанные ав­торами открытия. Однако после об­наружения пульсара с периодом 33 мс (1/30 секунды) в знаменитой Крабовидной туманности, сформи­ровавшейся на месте появления «звезды-гостьи» (так было записа­но в китайских летописях 1054 г. о вспышке Сверхновой в созвездии Тельца), осталась только гипотеза вращающейся нейтронной звезды, поскольку белые карлики не могут пульсировать с такими короткими периодами. Что же касается вра­щения, то и белые карлики, и тем более обычные звезды при таких скоростях были бы разрушены центробежной силой.

Взрыв Сверхновой происходит тогда, когда в недрах звезды пре­кращаются термоядерные реакции, и вызываемое ими внутреннее дав­ление больше не может противо­стоять силе тяжести. Внешние слои начинают сжиматься и падают на центральную часть. При этом в центре звезды образуется ядро с массой порядка массы Солнца (2×10’1″ кг) и радиусом, сравнимым с радиусом Земли (~10000 км), что приводит к появлению белого кар­лика. Если же масса «предсверхновой» очень велика (например, 10 масс Солнца), то радиус внутренней части оказывается равным 10 км, и образуется нейтронная звезда. При этом выделяется огромное коли­чество энергии. Часть внешних слоев, не успевшая долететь до

центрального ядра, за счет этой энергии выбра­сывается в пространство, образуя быстро расширяющуюся раскаленную оболочку, что воспринимается внешним на­блюдателем как появление новой, не видимой ранее звезды.

Во время сжатия центральной части звезды с атомов сначала «об­дираются» электронные оболочки, и образуются голые ядра тех элемен­тов, которые сформировались в процессе ядерных реакций. Но сжа­тие продолжается, и сами ядра ато­мов начинают разваливаться на нуклоны (протоны и нейтроны), а затем протоны и электроны тоже объединяются в нейтроны с выде­лением частицы нейтрино — эти процессы как раз и служат основ­ным источником энергии, «ответс­твенной» за взрыв. Если плотность в центре такой звезды превысит ядерную (примерно 1015 г/см! или больше), что допускается в целом ряде моделей, возможен развал нук­лонов на составляющие их части. В настоящее время такими составля­ющими считаются кварки. При по­явлении этих частиц в свободном состоянии могут образовываться странные звезды (по названию од­ного из кварков — странного кварка S), еще более компактные, по срав­нению с нейтронными звездами.

При таких чудовищных плотнос­тях (миллиард тонн в одном куби­ческом сантиметре!) совершенно изменяются свойства вещества. Объединившиеся в пары «выжив­шие» протоны становятся сверх­проводящими, т.е. протонный ток может существовать в течение очень  длительных  промежутков времени без затухания. Нейтроны начинают проявлять сверхтеку­честь. Они образуют вихревые нити, параллельные оси вращения ней­тронной звезды, и их движение, не подверженное влиянию вязкости, продолжается в течение многих лет. Поверхность нейтронной звезды остается твердой и состоит из крис­таллов железа. Одна из особеннос­тей такой звезды — наличие у нее мощного мазерного излучения.

Именно его наземные приемники воспринимают как периодические импульсы. Импульсный характер излучения связан с наклоном кону­са излучения к оси вращения. Этот конус один раз за период вращения проходит через наблюдателя и «освещает» его. Такая модель «кос­мического радиомаяка» в настоящее время считается общепринятой.

Можно сказать, что пульсар представляет собой уникальную физическую лабораторию, в кото­рой сама природа создала мощней­шие магнитные (до 1013 Гс) и элек­трические (до 1012 В/см) поля, плот­ности в центральных областях — порядка плотности атомного ядра. В этих условиях могут образовы­ваться л-мезоны, гипероны и даже свободные кварки. В макроскопи­ческих масштабах существуют высокотемпературные сверхтеку­честь и сверхпроводимость, движе­ния плазмы со скоростями, близки­ми к скорости света, начинают ра­ботать когерентные (мазерные) ме­ханизмы излучения. Следует под­черкнуть, что в земных лаборато­риях такие условия не только не созданы к настоящему времени, но и весьма проблематична их реали­зация даже в очень отдаленном бу­дущем.

Но этим значение пульсаров для науки не ограничивается. Исчезающе малые угловые размеры (не­большой линейный диаметр в соче­тании с огромным расстоянием до этих объектов) делают их незаме­нимыми зондами для исследования межзвездной среды. Мы хорошо знаем о мерцании звезд в резуль­тате преломления их света неоднородностями земной атмосферы. Излучение пульсаров также может заметно искажаться неоднородной средой, заполняющей пространс­тво между ними и наблюдателем. Анализ картины «радиомерцаний» позволяет оценить размеры неоднородностей, скорости их движе­ния, плотность. Кроме того, по на­блюдениям поляризации излуче­ния можно определить величину галактического магнитного поля в направлении на пульсар. Эти дан­ные дают возможность сделать важные выводы о природе неоднородностей и процессах, протекаю­щих в межзвездной плазме.

Image 

Пульсары представляют собой не только генераторы мощного электромагнитного излучения, но и источники космических лучей — частиц высоких энергий. При взры­ве Сверхновой выделяется до 10°2 эрг, которые могут передаваться отдельным частицам. В мощных электрических полях пульсаров происходит ускорение плазмы, что приводит к выбросу релятивист­ских частиц за пределы их магни­тосфер и к возможности их регис­трации как космических лучей на­земными установками.

Несколько десятков радиопуль­саров оказались компонентами двойных систем. Некоторые из этих систем настолько компактны, что в них должны проявляться эф­фекты общей теории относитель­ности — движение точки периастра (наименьшего расстояния меж­ду компонентами), задержка сиг­нала и искривление луча в поле тяжести компаньона. Такие системы позволяют проверить точность предсказаний теории относитель­ности, а значит, и жизнеспособ­ность самой теории.

Наконец, высокая стабильность периода испускания импульсов да­ет возможность использовать этот периодический процесс для по­строения новой, независимой хро­нологической шкалы. Такая «пульсарная» шкала оказывается более точной на большом временном ин­тервале, чем все известные земные стандарты. Кроме того, она связана с космическими объектами и на нее не влияют никакие катаклизмы, происходящие на нашей планете и в Солнечной системе.

Удивительные свойства пульса­ров не ограничиваются описанны­ми выше. Наблюдения свидетель­ствуют о том, что эти радиоисточ­ники являются, вероятно, самыми нестационарными в изученной час­ти Вселенной. Если их периоды сохраняются в течение очень боль­ших промежутков времени, хотя и с постепенным закономерным уве­личением вследствие торможения вращения нейтронной звезды, то интенсивность регистрируемых импульсов изменяется на всех ис­следованных интервалах. Измере­ния с высоким временным разре­шением (порядка микросекунды) обнаруживают сверхтонкую, изме­няющуюся во времени, структуру импульсов. Интенсивность отдель­но взятых радиосигналов сильно изменяется от импульса к импуль­су, а иногда источник совсем «вы­ключается». Переменность излуче­ния наблюдается в масштабах ми­нут, часов, месяцев, лет. Причины такой переменности остаются по большей части неизвестными — так же, как и основные процессы, протекающие внутри нейтронной звезды, на ее поверхности и в маг­нитосфере, понятные пока лишь в общих чертах. Многие интересные особенности, наблюдаемые в пуль­сарах, еще требуют своего тща­тельного исследования. Для вы­полнения этой задачи необходимы новые научные силы и свежие идеи. Возможно, за нее возьмется кто-нибудь из читателей этой ста­тьи, неравнодушный к тайнам Все­ленной — ив будущем ему сужде­но продвинуться в понимании во многом еще загадочной природы «космических радиомаяков».

 

Игорь Малов,

главный научный со­трудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук.

Пущинская радиоастрономическая обсерватория.

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

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: :???: :?: :!: