Пульсары

Пульсары Звёзды

Наверное, не каждому будет знаком знаменитый сигнал «Wow!», обнаруженный на телескопе «Большое Ухо» в рамках проекта SETI, по поиску сигналов внеземного разума. Десятилетия люди пытались объяснить его природу и повторно зарегистрировать. Была даже версия что это инопланетные цивилизации. На сегодняшний день существуют версии объяснения происхождения сигнала и без всякого внеземного разума. Вокруг сигнала «Wow!», было много шумихи в СМИ, о нём многие знают. Притом что сам сигнал напрямую не привёл к каким-то фундаментальным открытием. Но, с другой стороны показания на бумажной ленте, на которой чернилами фиксировались наблюдения телескопа, и небольшая аномалия привела к очень важному открытию в истории астрофизики и к Нобелевской премии. Благодаря этому были открыты пульсары.

Как был открыт первый пульсар

В середине 60-х годов XX века в Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджа строился новый радиотелескоп для наблюдения за контактными радиоисточниками. Телескоп использовал свежие изобретённый метод мерцаний. Если кратко метод основан на том, что точечные радиоисточники, как бы мерцают для наблюдателя на Земле, когда сигнал проходит сквозь солнечный ветер в межпланетном пространстве и сильнее мерцает из-за солнечного ветра, именно компактные объекты.

Телескоп был спроектирован Энтони Хьюишем, по площади занимал пару десятков тысяч квадратных метров, что как два с половиной футбольных поля. Джоселин Белл Бернелл аспирантка Хьюиш и ещё несколько человек своими руками вбили тысячу столбов в Землю. Протянули между ними около 200 километров кабеля и установили 2048 одно волновых симметричных вибратора. Такие вибраторы могут быть как самостоятельными антеннами, так и работать, как часть антенны.

Простая и дешёвая даже по тем временам конструкция, но в результате получился достаточно высокочувствительный радиотелескоп. Система могла просканировать значительный участок всего неба раз в четыре дня. Когда телескоп сканировал небо, данные выводились на бумажные рулоны с тремя дорожками. Каждый день наблюдений накапливал 30 метров бумаги с данными, и их анализировала вручную сама Джоселин Белл.

На начальном этапе было специально принято решение, что данные визуально осматривают именно человек, не компьютер, пока не станет ясно понимание поведения телескопа. Ведь человек мог распознать сигналы разного характера. После анализа сотен метров бумажных рулонов с данными, Джоселин Белл легко научилась распознавать, как и космические точечные мерцающие радиоисточники, так и помехи земного происхождения.

В 1967 году через несколько недель после начала работы телескопа, Джоселин Белл обнаружила в данных странный сигнал, который повторялся через промежутки, и он был непохож скажем на квазар или на помехи с Земли. Давайте посмотрим на него поближе. Записи понятный не в оригинальном качестве, но кое-что можно разглядеть.

Пульсары

Вот нужный нам сигнал, а вот помехи. Даже при таком качестве мы видим одно из отличий. Справа расстояние между пиками больше, и мы даже можем видеть между ними пустое пространство. Однако слева мы не видим таких пробелов, это говорит о том, что частота сигнала выше. При такой скорости движения бумаги, перо просто как бы закрасила участок. И чтобы рассмотреть неизвестный сигнал в лучших деталях и добиться большего разрешения, нужно было просто быстрее двигать бумагу под пером. Правда, тогда рулон заканчивался за 20 минут и его нужно было постоянно менять. Преодолев некоторые трудности, всё же удалось записать сигнал с более быстрым движением бумаги, и они увидели следующее.

Это оказались серии импульсов, интенсивность самих импульсов могла меняться, но удивительно что они шли через совершенно равные промежутки в 1,3 секунды. В звуковой форме это звучало бы так.

 

Ничего подобного раньше находить не доводилось. Энтони Хьюиш, Джоселин Белл с помощью других учёных пытались разобраться в природе этих сигналов. Они выглядели так, будто они искусственного происхождения. Вариант, что это дефект самого оборудование отмели, пронаблюдав сигнал на других телескопах. Были версии, что это сигнал Земли, отражённые от Луны, спутник или аномальный эффект от металлического здания неподалёку, но это тоже исключили, ведь сигнал двигался вместе со звёздами, а значит не был земного происхождения.

Дальнейшие измерения показали, что сигнал исходит из-за пределов Солнечной системы, но находится внутри нашей галактики. Итак, ритмичный, повторяющийся с высокой точностью, через равные промежутки времени, сигнал будто кем-то созданный. Да ещё и исходящие из-за пределов Солнечной системы. Конечно, у учёных возникла мысль, что это может быть сигнал от внеземной цивилизации. Первые сигналы даже помечали аббревиатурой LGM-1 (Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Если бы сигнал исходил от планеты и по мере её движения по орбите, можно было бы зарегистрировать доплеровское смещение, однако она не была обнаружена. Было обнаружено лишь смещение, которое зависит от движения Земли по орбите вокруг Солнца. Кроме того, были найдены и другие сигналы с очень похожим периодом. Так что посчитали маловероятным, что это инопланетяне посылают именно нам одинаковые сигналы из разных участков галактики, а жаль.

Несколько месяцев находка держалось в секрете, пока искали других кандидатов. Ведь одного-единственного сигнала для публикации было недостаточно. И, в конце концов, в 1968 году в журнале «Nature» было опубликовано статья, в которой миру рассказали об обнаружении быстро пульсирующих радиосигналах. Там учёные предположили, что источниками сигналов могут быть либо белые карлики или нейтронные звёзды. Статья произвела фурор. Кстати, в ней самой ещё не употребляется название пульсар.

В 1974 году Энтони Хьюиш и Мартину Райлу за это открытие вручили Нобелевскую премию в области физики. Именно эти наблюдения пульсаров стали первыми доказательствами существования нейтронных звёзд. И, кстати, тот самый первый пульсар сейчас называют PSR B1919+21. Уже здесь он был помечен как 1919 по прямому восхождению. Пульсары стали открывать десятками, потом сотнями и постепенно мы пришли к современному пониманию того, чем являются пульсары.

Как образовывается

Наверняка вы видели такие изображения, см. ниже.

Пульсары

Это то, что впервые наблюдала на радиотелескопе Джоселин Белл и то, что мы сегодня называем пульсарами. Это такой тип, быстро вращающихся нейтронных звёзд с сильным магнитным полем.

Звёзды в течение большей части своей жизни на главной последовательности находится в гидростатическом равновесии, то есть силы гравитации звёзды, которые пытаются её сжать, уравновешенные направленным наружу давлением, которое возникает в процессах выработки энергии в результате ядерных реакций в центре звезды. Пока этот баланс поддерживается, звезда находится в стабильном состоянии на протяжении достаточно долгого срока. Хотя она и плавно нагревается, и становится ярче, по мере того как внутри звёзды расходуются топлива и повышается плотность.

Как долго звезда находится в этом балансе в основном зависит от её массы. Интуитивно может показаться, что, если звезда массивнее, значит, у неё больше топлива и, значит, она должна существовать дольше. Однако на деле всё наоборот. Больше масса, значит, выше давление, выше давление выше температура в центре, при которой протекает ядерные реакции, а, следовательно, скорость который поглощается топлива выше.

Как уже писалось, о сроках жизни нашего Солнца на главной последовательности 10 миллиардов лет, и сейчас мы примерно в середине. Менее массивные красные карлики могут перерабатывать водород в гелий десятки и даже сотни миллиардов лет. А вот звезда лишь в полтора раза массивнее нашего Солнца может прожить уже в 3 раза меньше. А срок жизни очень массивных звёзд вообще измеряется считаны миллионами. Когда же наше Солнце израсходует водород, расширится до красного гиганта, сбросит оболочку и в центре останется компактное ядро, белый карлик из углерода и кислорода.

Когда у недостаточно массивных, чтобы образовалась чёрная дыра, но более массивных, чем Солнце звёзд, примерно от 10 солнечных масс, заканчивается топливо, начинают производиться всё более тяжёлые элементы. Пока дело не доходит до железа, а затем происходит вспышка сверхновой, а ядро коллапсирует и в центре остаётся нейтронная звезда.

Ещё встречается вариант формирования нейтронной звезды, когда в двойной системе белый карлик поглощает материю звезды компаньона. Преодолевает предел Чандрасекара, вспыхивают сверхновые и становятся нейтронной звездой.

Масса нейтронных звёзд могут варьироваться от 1 до 3 масс Солнца, хотя верхний предел может оставаться под вопросом. Например, одна из наиболее массивных известных на сегодняшний день нейтронных звёзд пульсар PSR J2215+5135 с массой 2,3 солнечных, находится он к тому же в двойной системе. И при такой массе сопоставимой солнечной и даже больше, размер нейтронных звёзд лишь 10-20 километров в поперечнике. Представьте себе плотность, масса звезды в области пространства диаметром с город. Это одни из самых плотных известных объектов во Вселенной. Часто приводит пример, что масса кусочка нейтронной звезды размером с кусок сахара равна миллиарду тонн. Как понятно из названия состоят они в основном из нейтронов с небольшой примесью других частиц.

Что такое пульсар

Ну и давайте вернёмся к пульсарам, как я уже сказал пульсары — это тип нейтронных звёзд. Однако я не сказал, что среди известных нейтронных звёзд большинство — это пульсары. Итак, пульсар быстро вращается и у него очень мощное магнитное поле. Вдоль магнитных полюсов мы видим два потока ускоренных частиц и излучения. Часто ось вращения нейтронной звезды и ось магнитного поля не совпадает, как, например, у Земли и у некоторых других планет. Собственно, с этим и связано и название пульсар.

Мы видим пульсацию или периодическое излучение, когда луч пульсара поворачивается к нам.

Это часто сравнивают с тем, как луч света от маяка виден на корабле. Но, возможно, такое расположение нейтронной звезды, при котором луч не будет направлен на Землю и тогда мы не увидим пульсара, ну или, по крайней мере, радиопульсара. Первые пульсары были обнаружены в радиодиапазоне, однако они излучают и в других, например, в рентгеновском или даже гамма-диапазоне. Радиоизлучения пульсара более узко направлено, а вот, например, гамма шире. На этой ниже картинке показана ситуация, при которой радиопотоки не попадают на Землю, а вот гамма-излучения можно зафиксировать.

Пульсары

Почему у пульсара такие свойства

Откуда у пульсаров такая скорость вращения и такое магнитное поле. Что касается скорости, здесь всё объясняется законом сохранение момента импульса. Этот же эффект мы видим, когда фигурист сводит руки и его вращение ускоряется. До коллапса звезда и так вращалась, однако, когда значительная часть массы звезды уменьшилась в огромное количество раз в объёме, и за сохранение момента импульса, как и фигурист, она начала вращаться гораздо быстрее. Магнитные линии же при коллапсе переносятся, но становится ближе и на много порядков увеличивается интенсивность. Притом что пульсар размером всего с город, магнитные поля в триллионы раз мощнее нашей планеты. Период обращения одного обнаруженного пульсара как мы помним 1,3 секунды, что может показаться достаточно быстрым. Представьте себе 10-20 километровый шар совершает полный оборот за секунду с небольшим. А как это далеко от рекордсменов по скорости. Давайте приведём несколько примеров, а заодно их послушаем. Кстати, звуки, которые вы сейчас услышите напрямую соотноситься с данными наблюдений этих конкретных пульсаров.

Период пульсара PSR B0329+54 примерно 0,7 секунды, то есть за секунду он успевает сделать одну целую четыре десятых вращения. Давайте послушаем его.

А это известный пульсар в парусах, он совершает 11 оборотов в секунду.

Пульсар в центре Крабовидной туманности 30 оборотов в секунду, вот его звук.

Следующий уже миллисекунды пульсар PSR J0437−4715, мы уже не слышим отдельных импульсов, а скорее один тон ведь он вращается со скоростью сто семьдесят четыре раза в секунду.

И последний пример первый открытый миллисекундный пульсар PSR B1937+21 он совершает 642 оборота в секунду, он вращается с невообразимой скоростью в четверть скорости света, давайте его послушаем.

По периоду вращения он на втором месте среди всех известных пульсаров быстрее только пульсар PSR J1748−2446ad, который совершает 707 оборотов в секунду.

Предположительно существует предел периода обращения, он может составлять полторы тысячи оборотов в секунду, превысив его нейтронная звезда уже может разрушиться.

Но можно ли увидеть пульсар не с помощью радио или рентгеновского диапазона, а в видимом свете.

Да и их называют оптическими пульсарами, правда, их известно очень мало, от европейской южной обсерватории их всего 9. Это при том что всего известно более 2000 пульсаров. В этом списке оптических пульсаров есть и те, о которых мы уже говорили. Например, пульсар в центре знаменитый Крабовидной туманности. Вот снимок телескопа Хаббл пульсара.

Пульсары

Эта звезда в центральном круге, ну и, конечно, хочется увидеть это не виде статичных картинок, а в движение. Это замедленная анимация.

Пульсары

Как вы помните пульсар Крабовидной туманности делает 30 оборотов в секунду, а это потрясающая анимация из 24 наблюдений Хаббла в окружении пульсара в видимом диапазоне. Мы видим струи и кольца вокруг пульсара в динамике.

По оценкам учёных в нашей галактике может быть около миллиарда нейтронных звёзд. Однако, как уже сказано, что пока было обнаружено лишь более 2000 пульсаров и большинство нейтронных звёзд это и есть пульсары. Почему же мы так мало их находим. Во-первых, это их возраст. Хоть периодичность пульсаров и настолько предсказуемо, что их можно использовать как высокоточные часы, они не будут так вращаться и излучать вечно. Возраст большинства нейтронных звёзд составляет миллиарды лет. У них было достаточно времени, чтобы замедлить вращение и остыть настолько, чтобы стать невидимыми или почти невидимыми на разных длинах волн.

Тот же пульсар Крабовидной туманности молодой ему около тысячи лет, и мы можем рассматривать его в разных диапазонах. Но даже у молодых пульсаров узкие радиопотоки, как уже говорилось, они могут быть просто не направлены на нас, поэтому учёные используют и гаммы обсерватории вроде «Fermi» или «Чандра» для обнаружения таких пульсаров, что могут быть не видны в радиодиапазоне.

А ещё есть пульсары в различных двойных системах. И, конечно, про магнетары, ещё одни экстремальные представители и без того экстремальных нейтронных звёзд, но об этом в других статьях.

Ну вот и всё, надеюсь, вам было понятно и интересно. Напоследок, вверху предлагаю вам послушать «Музыку пульсаров», это очень красиво и увлекательно. Удачи вам, любите космос.

Оцените статью
Добавить комментарий