Нейтронные звезды и пульсары

Перед тем как начать, остановимся на ключевых различиях нейтронных звезд и пульсаров. Нейтронные звезды - это свернутые ядра некоторых массивных звезд, которые создаются во время взрывов сверхновых. Пульсар - это вращающаяся нейтронная звезда, которая сильно намагничена и излучает регулярные импульсы электромагнитного излучения. Т.е. каждый пульсар - нейтронная звезда, но не каждая нейтронная звезда является пульсаром.

Пульсар в Крабовидной туманности.

Содержание

1. Краткая информация о нейтронных звездах и пульсарах
2. Образование нейтронных звезд
3. Свойства нейтронной звезды
4. Звездный маяк
5. Наука о пульсарах

Пульсар в остатке сверхновой.

Краткая информация о нейтронных звездах и пульсарах

• Первый обнаруженный пульсар: 28 ноября 1967 года
• Первооткрыватели: Джоселин Белл Бернелл и Энтони Хьюиш
• Термин «нейтронная звезда»: Томас Голд и Франко Пачини
• Период первого пульсара: 1,33 с
• Самый длинный период пульсара: 8,51 с (PSR J2144-3933)
• Первая двойная система с пульсаром: PSR 1913+16
• Первая двойная система, где оба компонента — пульсары: PSR J0737-3039
• Первый рентгеновский пульсар: Центавр X-3
• Первый пульсар с планетами: PSR B1257+12
• Самое быстрое вращение: 716 С-1 (PSR J1748-2446AD)
• Ближайший к земле: 510 св. лет (PSR J0437-4715)

Образование нейтронных звезд

Описывая взрывы сверхновых, мы концентрировались на процессах, происходящих в сбрасываемой звездной оболочке. Пришло время оглянуться и посмотреть, что происходит при этом в сжимающемся ядре. Вспомним, что верхние слои вещества звезды начинают проваливаться внутрь после того, как из соединившихся с протонами электронов образуются нейтроны, в результате чего практически все вещество ядра становится нейтральным по заряду. Электрически нейтральные частицы не отталкиваются друг от друга, подобно заряженным, и вещество из нейтронов уже не в силах противостоять гравитации, которая начинает его сжимать. И схлопывание будет продолжаться до тех пор, пока не возникнут силы, способные его остановить.

Нейтроны, как и электроны, не могут быть расположены друг к другу слишком близко, а потому, если масса звезды не очень велика, в конечном итоге давление груды нейтронов уравновесит гравитацию. Законы квантовой механики говорят нам, однако, что более тяжелым частицам требуется меньшее жизненное пространство и поэтому они могут быть «упакованы» плотнее. Так как нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов, то тело, которое формируется из коллапсирующего ядра, будет куда меньше белых карликов, речь о которых шла выше. Согласно современным теориям, большинство нейтронных звезд меньше 16 км в поперечнике, то есть достаточно малы, чтобы уместиться в пределы многих городских кварталов.

Свойства нейтронной звезды

Такие объекты обладают рядом поразительных качеств. Прежде всего, железное ядро сверхновой не начнет сжиматься, пока значительно не превысит солнечную массу (в типичных случаях на 40 - 200%). Если поместить так много вещества во что-то размером с маленький город, то его плотность возрастет до невероятных значений. Так, капля вещества нейтронной звезды перевесит пирамиду Хеопса в Гизе. И у тела с такой плотностью поверхностная гравитация беспрецедентно велика, возможно, в сотни миллиардов раз сильнее, чем на поверхности Земли.

Второе поразительное свойство имеет отношение к вращению. Все звезды вращаются, мы видели, например, что Солнце совершает один полный оборот вокруг своей оси примерно за месяц. Железное ядро сверхновой также будет вращаться подобным образом. И точно так же, как скорость вращения фигуриста возрастает, когда он прижимает руки к себе, возрастает и скорость вращения ядра при его коллапсе. Так, некоторые нейтронные звезды вращаются со скоростью в тысячи оборотов в секунду!

Кроме того, коллапс создает чрезвычайно сильное магнитное поле у нейтронной звезды. В нормальном состоянии звезды генерируют магнитное поле у Солнца оно, например, приблизительно вполовину земного. Оно «вморожено» в вещество звезды, и поэтому при коллапсе звезды становятся более «концентрированными». Магнитные поля некоторых нейтронных звезд могут в миллион миллиардов раз превышать магнитное поле Земли.

У нас нет возможности изучать нейтронные звезды с близкого расстояния, но существуют достаточно строгие теоретические модели. Предположительно у нейтронной звезды диаметром 16 км есть твердая кора толщиной около 1,5 км, плотно упакованные нейтроны организуются в некое подобие пространственной решетки. Из-за очень большой гравитации атмосфера (состоящая из атомных ядер и электронов) меньше метра высотой, а поверхность чрезвычайно гладкая, с неоднородностями не больше 1,5 мм. В соответствии с этой моделью недра звезды представляют собой некое подобие ядерной жидкости, состоящей преимущественно из нейтронов.

То есть это компактный, быстро вращающийся объект с очень сильным магнитным полем. Можно ожидать, что так же, как и в случае Земли, ее северный магнитный полюс не совпадает с географическим северным полюсом (вспомним, что северный магнитный полюс нашей планеты располагается на территории Канады). Из-за большой интенсивности поля нейтронная звезда испускает пучки радиоволн, которые распространяются в очень узком конусе вдоль ее магнитной оси: как свет маяка, описывающего окружности в пространстве, нейтронная звезда посылает радиолуч в космос. И его можно периодически регистрировать, если Земля находится на его пути.

Звездный маяк

Представьте, что вы стоите на берегу возле маяка. Вы видите вспышку света, если луч направлен на вас, и темноту, пока луч движется по кругу, а затем снова вспышку. Аналогичным образом, если у вас есть приемник радиоизлучения, расположенный на пути радиолуча, испускаемого вращающейся нейтронной звездой, вы будете регистрировать всплеск радиоволн, когда магнитная ось звезды будет направлена в вашу сторону, затем отсутствие сигнала, потом новый всплеск и так далее.

В 1967 году ученые на радиотелескопе в Англии впервые наблюдали такие периодические сигналы. Поначалу к ним отнеслись скептически и прозвали LGM-сигналами (от англ. little green men «маленькие зеленые человечки»). Когда стало понятно, что эти радиовсплески приходят от вращающейся нейтронной звезды, эти объекты стали назвать пульсарами.

С тех пор во Млечном Пути зарегистрировали уже около 2000 пульсаров. Периоды их вращения лежат в диапазоне от примерно 10 секунд до нескольких милисекунд. Были открыты не только радио-, но и рентгеновские и гамма-пульсары. У нескольких пульсаров обнаружены планеты. Ближайший к Земле пульсар находится от нас на расстоянии 280 св. лет, в созвездии Кита.

Наука о пульсарах

Есть много видов пульсаров и изучают их специалисты из разных областей науки. Мы поговорим только о нескольких их них.

Крабовидная туманность - это остаток сверхновой, свет которой впервые был зарегистрирован японскими и китайскими астрономами в 1054 году. Ее остатки сейчас образуют газовое облако с диаметром 6 св. лет. Голубоватое свечение туманности обусловлено магнитным полем пережившего коллапс ядра взорвавшейся звезды быстро вращающейся нейтронной звезды в центре туманности.

Иногда вращение пульсара ускоряется. Обратившись к аналогии с фигуристом, мы можем заключить, что это свидетельствует о слегка уменьшившихся размерах нейтронной звезды. Это интерпретируется как «звездотрясение» растрескивание и разрывы звездной коры.

В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор из Принстонского университета обнаружили пульсар, вращающийся вокруг другой звезды. Точно фиксируя время импульсов, они смогли задокументировать слабое сокращение орбиты пульсара. Потери энергии точно соответствовали общей теории относительности, по сути, система испускала гравитационные волны (непосредственно эти волны были зафиксированы в 2016 году). За это открытие Халс и Тейлор были награждены Нобелевской премией по физике в 1993 году.

Когда нейтронные звезды являются частью двойных систем, они представляют собой увлекательную научную лабораторию. Например, изучая нейтронную звезду, обращающуюся вокруг большего компаньона в созвездии Летучая Рыба, астрономы могли наблюдать, как свет от звезды-компаньона отклонился и испытал красное смещение из-за сильной гравитации сантиметровой атмосферы нейтронной звезды.

Некоторые астрономы предложили использовать точные значения периодов вращения пульсаров в качестве новых временных стандартов, чтобы улучшить современные атомные часы. Точность атомных часов составляет «всего» 13 знаков после запятой, а у пульсара она может достигать 15 десятичных знаков. Учитывая то, что установление стандартов времени началось с наблюдения за небесными телами, есть в этом что-то правильное с философской точки зрения - вернуть эти стандарты на небо.

Джоселин Белл Бернелл

«Обнаружение первого пульсара было тревожащим, жутким, потому что мы не были уверены в том, что же это было».

 

Каждый год, когда объявляют имена лауреатов Нобелевской премии, возникают споры по поводу исключенных. Любое научное открытие заслуга множества людей, но не все из них сделали решающий вклад и попали в число «неудачников». Обычно эти споры ведутся сдержанно, но в некоторых случаях продолжаются десятилетиями. История Джоселин Белл и история обнаружения пульсаров как раз из таких.

 

 

Белл была аспиранткой в Кембридже. В конце 1960-х годов она принимала участие в строительстве первого радиотелескопа, разработанного ее научным руководителем, Энтони Хьюишем, для обнаружения компактных радиоисточников в небе. Белл отвечала за работу телескопа и первой анализировала полученные данные. В 1967 году она начала замечать сигналы, которые называла «грязью». Невзирая на враждебность старших коллег, она показала, что эти сигналы - регулярно повторявшиеся радиоимпульсы, были настоящими, а не являлись следствием препятствовавшей измерениям деятельности человека. Поначалу эти сигналы обозначали аббревиатурой LGM (от англ. little green men «маленькие зеленые человечки»), не исключая той вероятности, что их посылает внеземная цивилизация. Однако вскоре стало понятно, что эти сигналы отголоски активности объектов, которые ныне зовутся пульсарами.

 

За это открытие Хьюиш и радиоастроном Мартин Райл получили Нобелевскую премию по физике 1974 года, и это была первая награда в этой области, врученная астрономам. Исключение Белл вызвало протесты среди многих влиятельных астрономов, но не у самой Белл (теперь Джоселин Белл Бернелл), которая и в настоящее время активно занимается астрономией и получила за это время много профессиональных наград и степеней, включая звание Дамы-командора Ордена Британской империи (2007).