Аномальний рентгенівський пульсар- Аномальні рентгенівські пульсари (Аnomalous X ray Pulsars, AXP) - джерела пульсуючого рентгенівського випромінювання. Назва «аномальні» з'явилася внаслідок того, що довгий час не був зрозумілим резервуар енергії, який використовується нейтронною… … Вікіпедія
Пульсар- Схематичне зображення пульсара. Сфера в центрі зображення нейтронна зірка, криві лінії позначають лінії магнітного поля пульсара, блакитні конуси потоки випромінювання пульсара.
рентгенівський (гамма-) пульсар- Джерело космічного рентгенівського (гама) випромінювання, що має періодичний характер, пов'язаний із обертанням компактного об'єкта навколо своєї осі. [ГОСТ 25645.108 84] Тематики випроміню. рентген. та гамма випроміню. космічні EN х (gamma) pulsar … Довідник технічного перекладача
РЕНТГЕНІВСЬКИЙ ТЕЛЕСКОП- прилад для дослідження тимчасових та спектр. св у джерел косм. рентг. випромінювання, а також для визначення координат цих джерел та побудови їх зображення. Існуючі Р. т. працюють у діапазоні енергій e фотонів рентг. випромінювання від 0,1… Фізична енциклопедія
Радіопульсар- Сигнали PSR B1919+21 на частоті 72,7 МГц Радіопульсар космічний джерело імпульсного радіовипромінювання, що приходить на Землю у вигляді сплесків (імпульсів), що періодично повторюються … Вікіпедія
Нейтронна зірка- Будова нейтронної зірки. Нейтронна зірка астрономічний об'єкт, що є одним з кінцевих продуктів.
Білий карлик- Цей термін має й інші значення, див. Білий карлик (значення). Білі карлики проеволюціонували зірки з масою, що не перевищує межу Чандрасекара (максимальна маса, при якій зірка може існувати як білий карлик).
Магнетар- у виставі художника Магнетар чи магнітар нейтронна зірка, що має позов … Вікіпедія
Зоряна еволюція- в астрономії послідовність змін, яким зірка зазнає протягом її життя, тобто протягом сотень тисяч, мільйонів або мільярдів років, поки вона випромінює світло та тепло. Протягом таких колосальних проміжків часу... Вікіпедія
Магнітне поле зірок- Магнітне поле Сонця виробляє корональні викиди маси. Фото NOAA Зіркове магнітне поле магнітне поле, що створюється рухом провідної плазми всередині зірок головно … Вікіпедія
Виявилося, що джерел м'яких повторюваних гамма-сплесків є родичі. Новий клас одиночних нейтронних зірок був виділений у середині 1990-х років одразу кількома групами вчених, які вивчали так звані рентгенівські пульсари. Рентгенівські пульсари всі тоді представляли виключно так: це подвійні системи, де є нейтронна зірка та звичайна зірка. Речовина із звичайної зірки тече на нейтронну, відразу падаючи на її поверхню або попередньо закручуючи в диск. Падаюча плазма розігрівається до дуже високих температурі в результаті генерується потік рентгенівського випромінювання. Нагадаємо, що нейтронна зірка, володіючи магнітним полем, каналює речовину на полярні шапки (приблизно як на Землі магнітосфера спрямовує заряджені частинки в полярні області, і саме там відбуваються полярне сяйва – на півночі та на півдні нашої планети). Компактний об'єкт обертається навколо осі, і ми періодично бачимо то одну полярну шапку, то іншу, і таким чином виникає феномен рентгенівського пульсара.
Але дослідження показали, що є дивна група рентгенівських пульсарів, яка відрізняється від решти. І, трішки забігаючи наперед, можна сказати, що вони виявилися магнітарами. Ці дивні рентгенівські пульсари мали приблизно однакові періоди в районі 5–10 секунд (хоча загалом періоди рентгенівських пульсарів укладені у дуже широкому діапазоні – від мілісекунд до годинника). Світність у них була разів у сто менше, ніж у побратимів. Період обертання постійно лише збільшувався (у той час як у більшості рентгенівських пульсарів він то зменшується, то зростає). І не було жодних свідчень присутності другої зірки в системі: не було видно ні самої зірки, ні модуляцій випромінювання, пов'язаних з орбітальним рухом. Виявилося, що це справді поодинокі нейтронні зірки. Жодного перетікання речовини або, як кажуть, акреції там немає. Просто сама нейтронна зірка має дуже гарячі полярні шапки. Залишалося пояснити чому.
І тут на допомогу приходять сильні магнітні поля. Те саме виділення енергії струму, яке відбувається не через коротке замикання, а потихеньку, як у чайнику або електронагрівачі, або ще якомусь електроприладі. Температура вище там, де знаходиться нагрівальний елемент, де тече струм. А потім за допомогою теплопровідності тепло поширюється по всьому об'єму. Поверхня нейтронної зірки дійсно можна гріти не рівномірно, а сильніше прогрівати, наприклад, полюси (це відбувається через те, що тепло в корі переносять електрони, а їм простіше рухатися вздовж ліній магнітного поля, які на полюсах спрямовані до поверхні). Тоді ми теж бачитимемо рентгенівський пульсар.
Якийсь час обговорювалася гіпотеза, що аномальні рентгенівські пульсари можуть світити завдяки акреції. Тоді у них має бути досить потужний акреційний диск. Речовина могла накопичитися відразу після вибуху наднової. Це могло б пояснити світність та періоди джерел. Не пояснює деякі особливості їх сплесків, а головне – спалахи. Виявилося, що деякі аномальні рентгенівські пульсари можуть давати так звані слабкі спалахи, подібні до джерел м'яких повторюваних гамма-сплесків.
Джерела м'яких повторюваних гамма-сплесків, до речі, між спалахами можуть виглядати як аномальні рентгенівські пульсари. Частина вчених запідозрила, що це «родичі» і ріднить їхнє сильне магнітне поле.
Сильні поля
Чому у разі аномальних рентгенівських пульсарів та джерел м'яких повторюваних гамма-сплесків говорять саме про сильні магнітних полях? Зрозуміло, строго кажучи, навіть слабкі магнітні поля можуть призводити до того, що частини поверхні нейтронної зірки будуть гарячішими. І коротке замикання в принципі можна зробити без дуже сильних магнітних полів. Але, звичайно, якщо поля великі, отже, й струми течуть більші. Енергії виділяється більше, і об'єкти просто помітніші. Це перша причина.
Другу причину ми не детально розглядатимемо, але коротко вона зводиться до того, що сильні струми швидше і помітніше еволюціонують. Тобто для них темп дисипації енергії справді вищий. Проте детальне обговорення цього питання потребує детального обговорення фізики процесу з відповідними викладками.
Третя причина пов'язана з вимірами магнітних полів. На жаль, виміряти прямо магнітні поля настільки далеких об'єктів досить складно. Масово їх вимірюють лише опосередковано. Чим сильніше магнітне поле, тим швидше нейтронна зірка (не взаємодіє з речовиною навколо) уповільнює своє обертання. І за цим гальмуванням обертання нейтронних зірок можна оцінювати поля. Для радіопульсарів, наприклад, це добре працює. Якщо таку ж методику застосувати для джерел м'яких гамма-сплесків, що повторюються, або для аномальних рентгенівських пульсарів, виявиться, що поля у них у сотні разів більше, ніж у звичайних радіопульсарів. Тобто за тих же періодів вони сповільнюються в десятки тисяч разів ефективніше: добуток періоду обертання на його похідну (тобто темп уповільнення) пропорційно квадрату дипольного магнітного поля на поверхні нейтронної зірки.
Є інші причини думати, що магнітні поля магнітарів великі. Можна оцінити запас енергії, необхідної підтримки спалахової активності протягом десятків тисяч років. Необхідна величина відповідає запасам енергії магнітного поля, якщо воно велике. Для виникнення пульсуючого хвоста після гігантського спалаху потрібно утримувати речовину від розльоту – це може зробити потужне магнітне поле. Нарешті спектри магнітарів теж свідчать на користь сильних полів.
Прекрасний результат був отриманий на рентгенівському супутнику ІНТЕГРАЛ, спочатку Сергієм Молковим із співавторами, а потім іншими групами спостерігачів. До цих спостережень ніхто не міг отримати спектри магнітарів на енергії значно більших 10 кеВ, тобто за стандартним рентгенівським діапазоном. Екстраполяція спектрів (і, відповідно, теоретичних моделей) до області енергій жорсткого рентгенівського діапазону передбачала, що джерела будуть слабкими – спектри спадають у сфері жорсткого рентгена. Виявилось, що це не так. Кілька аномальних рентгенівських пульсарів і джерел м'яких гамма-сплесків, що повторюються, продемонстрували потужне випромінювання в жорсткому рентгенівському діапазоні. З'явилися різні моделі, які пояснюють ці дані. Але найуспішніші вимагають присутності сильного магнітного поля.
Таким чином, сформувалася перша концепція сучасних магнітарів: це нейтронні зірки з великими (і в сенсі величини, і в сенсі просторової протяжності) магнітними полями. Вони досить рідкісні - відомих магнітарів приблизно в сто разів менше, ніж радіопульсарів. Але, справа в тому, що вони просто дуже недовго живуть - стадія активного магнітара триває в десятки разів менше за стадію радіопульсара. Вони дуже швидко сповільнюються, втрачають свою енергію та перестають бути добре видимими об'єктами. Вважали, що кілька відсотків (можливо, до 10%) всіх нейтронних зірок у молодості можуть бути такими магнітарами.
Вже тоді, коли з'явилася перша магнітарна концепція, постало питання, звідки беруться ці сильні магнітні поля. Оскільки якщо нормою є звичайні радіопульсари, то потрібно придумати механізм, як посилити поля ще на два порядки. Такий сценарій було запропоновано вже у перших роботах Томсона, Дункана та їх співавторів. Він заснований на роботі динамо-механізму.
Наочно ідея виглядає так. Ми всі уявляємо магнітні поля як силові лінії, як деякі «шнури», що стирчать з магніту. Будь-який шнур можна перекрутити та скласти. Тоді в нашій області шнур буде запакований щільніше. Те ж саме з магнітним полем - воно стане вдвічі сильнішим, якщо ви проробите таку штуку з силовими лініями. Для цього потрібно, щоб поле було добре пов'язане з речовиною, а речовина робила тривимірний рух. У разі магнітарів це можливо, коли нейтронна зірка, по-перше, дуже швидко обертається, а по-друге, вона рідка, і в ній можлива конвекція. Тоді конвекція та обертання у протонейтронній зірці можуть призводити до того, що магнітні поля посилюватимуться динамо-механізмом. Це хороша ідеяАле вона стикається з дуже великою проблемою – важко пояснити, чому ж нейтронні зірки настільки швидко обертаються спочатку. Необхідно обертання в десятки разів швидше, ніж у середньому при народженні у звичайних пульсарів. Що може змусити новонароджену нейтронну зірку так швидко обертатися?
Її обертання, звичайно, пов'язане з тим, як оберталася зірка-прабатько. І є спосіб додатково розкрутити звичайну зірку. Це можливо, якщо вона входить до подвійної системи. Тоді взаємодія з зіркою-сусідкою може призвести до того, що зірка-прабатько магнітара буде обертатися в кілька разів швидше, ніж їй належить, і потім може виникнути нейтронна зірка, що швидко обертається, яка зможе посилити своє магнітне поле і перетворитися на магнітар. Поки, на жаль, незрозуміло, чи працює цей механізм, чи ні, але принаймні є хороший такий логічний ланцюжок, який призводить до утворення нейтронних зірок з дуже сильними магнітними полями якраз приблизно в 10 % випадків. І є спостереження, які кажуть, що принаймні в деяких випадках магнітари народилися із зірок, які на одній із стадій своєї еволюції додатково розкрутилися у подвійних системах.
РЕНТГЕНІВСЬКІ ПУЛЬСАРИ
- джерела змінного періодич. рентг. нейтронні зірки сильним магн. полем, що випромінюють за рахунок акреції.Магніт. поля на поверхні Р. п. ~ 10 11 -10 14 Гс. Світимостібільшості Р. п. від 1035 до 1039 ерг/с. Періоди дослідження імпульсів Рвід 0,07 с до дек. тис. секунд. Р. п. входять у тісні подвійні зоряні системи (див. Тісні подвійні зірки),Другим компонентом яких брало є нормальна (невироджена) зірка, що поставляє речовина, необхідне для акреції і нормального функціонування Р. п. Галактики і лежачих у її площині, так і в маломасивних подвійних системах, що відносяться до населення II Галактики і належать до її сферич. складової. Р. п. відкриті також у Магелланових Хмарах.
Рис. 1. Запис випромінювання рентгенівського пульсара Кентавр Х-3, отримана з супутника «Ухуру» 7 травня 1971 року. По вертикальній осі - число відліків зачасової інтервал 1 бін = 0,096 с, по горизонтальній - час у бінах. 
Рис. 2. Довгоперіодична змінність рентгенівського випромінювання джерела Кентавр-Х-3 (нижній графік, N - число відліків, з -t). Видно характерні рентгенівські затемнення. На верхньому графіку наведено зміни періоду Р, що доводять рух пульсара навколо центру мас подвійної системи (А 1,387-10 -3).
На поч. На етапі досліджень рентг. об'єктам надавалися найменування за сузір'ями, в яких брало вони знаходяться. Напр., Геркулес Х-1 означає перший рентг. Яскравість об'єкта в сузір'ї Геркулеса, Кентавр Х-3 - третій пояркості в сузір'ї Кентавра. Р. п. в Малій Магелланової Хмарі позначається як SMC Х-1, у Великому Магеллановому Хмарі - LMC Х-4 [часто зустрічається в позначеннях рентг. джерел літера X – від англ. X-rays (рентг. промені)]. Виявлення з супутників великої кількості рентг. джерел вимагало ін. Координати астрономічні). Аналогічний сенс мають цифри у позначенні джерел, відкритих супутником «Аріель» (Велика Британія), напр. А0535 + 26. Позначення типу GX1+4 відносяться пензликам до центру. області Галактики. Цифри відповідають галактич. координатам lі b(в даному випадку l = 1°, b =+4 °). Використовуються та ін позначення. Так, відкритий з борту радянських АМС «Венера-11, -12» в експерименті «Конус» Р. п., що спалахує, з періодом близько 8 секунд отримав найменування FXP0520-66.
Змінність випромінювання рентгенівських пульсарів. Короткоперіодич. перемінність рентг. випромінювання Р. п. ілюструє рис. 1, на якому наведено запис випромінювання одного з перших відкритих Р. п. - Кентавра Х-3 (травень 1971, супутник «Ухуру»). Період проходження імпульсів Р = 4,8 с.
На рис. 2 показана довгоперіодич. змінність Р. п. Кентавр Х-3. Разів дві доби Р. п. періодично «зникає» (затьмарюється) на 11 год (ниж. Р залежить від фази дводенного періоду Т= 2,087 діб за гармонічним законом (верх. графік): де - зміна Р, Р 0- Необурене значення Р, А -амплітуда відносить. зміни Р, t 0відповідає одному з моментів, коли відхилення періоду максимально. Ці два факти інтерпретуються однозначно: Р. п. входить у подвійну систему з орбітальним періодом, рівним Т."Зникнення" пояснюються затемненнями Р. п. порожнина Роша. Періодич. зміни Робумовлені ефектом Доплера при орбітальному русі Р. п. навколо центру мас подвійної системи. ,де i -кут нахилення орбіти подвійної системи (у цій системі близько 90°), v -швидкість орбітального руху Р. п.; v sin i= 416 км/с, ексцентриситет орбіти мал. Рентг. затемнення виявлені далеко не у всіх подвійних системах з Р. п. (для спостереження затемнень необхідно, Р- у більшості подвійних систем з Р. п.
Рис. 3. Спрощена картина акреції на замагнічену нейтронну зірку в подвійній системі. Газ надходить до зірки як у геометрично тонкому диску, і М - кутова швидкість обертання та магнітний момент нейтронної зірки). Умови вморожування плазми в магнітосферу сприятливі не на всій її поверхні.
Після відкриття Р. п. на його околиці зазвичай швидко знаходять змінну оптич. зірку (другий компонент подвійної системи), блиск якої змінюється з періодом, рівним орбітальному або вдвічі меншим (див. нижче). Крім того, спектральні лінії оптич. компонента відчувають доплерівське зрушення, 2 т у фільтрі В(Див. Астрофотометрія).Частина рентг. випромінювання відбивається атмосферою зірки, але осн. частка поглинається нею і переробляється на оптич. Р. Частина енергії йде на ефф. нагрівання речовини на поверхні, що супроводжується формуванням. н. індукова. зоряного вітру.Другий ефект, званий ефектомеліпсоідальності, пов'язаний з тим, що форма зірки, що заповнює порожнину Роша, помітно відрізняється від сферичної. У результаті двічі за орбітальний період до спостерігача звернена б. ч. поверхні та двічі - менша. Така змінність з періодом, удвічі меншим за орбітальний період, спостерігається в подвійних системах, де світність оптичних. компонента набагато перевищує рентг. світність Р. п. Зокрема, саме завдяки такій змінності був відкритий нормальний компонент джерела Кентавр Х-3.
Аккреція на нейтронну зірку із сильним магнітним полем. У тісних подвійних зоряних системах можливі два осн. типу акреції: дискова та сферично-симетрична. Порожнина Роша), то перетікаюча речовина має значить. уд. 
Рис. 4. Профілі імпульсів низки рентгенівських пульсарів. Наведено інтервали енергій, для яких отримані дані, та періоди Р.
Рис. 5. Залежність профілю імпульсів від енергії для двох рентгенівських пульсарів.
Рис. 6. Спектри низки рентгенівських пульсарів. Помітна рентгенівська лінія заліза з hv6,5-7 кэВ.
Вільне падіння (при сферично-симетричній акреції) можливе лише на великих відстанях Rвід зірки. З відривом Л м ~ 100-1000 км (радіус магнітосфери) тиск магн. поля нейтронної зірки порівнюється з тиском акреціруючого потоку речовини 
( - Щільність речовини) і зупиняє його. У зоні R< R M
формується замкнута магнітосфера нейтронної зірки (рис. 3, а), поблизу R Mвиникає ударна хвиля, в якій плазма охолоджується випромінюванням Р. п. за рахунок комптонівського розсіювання. Завдяки нестійкості Релея-Тейлора стає можливим проникнення крапель плазми всередину магнітосфери, де відбувається їх подальше дроблення і вморожування в магн. поле. Магніт. полеканалізує потік акрецирующей плазми і спрямовує їх у область магн. б). Зона, на яку випадає речовина, мабуть, . Потік речовини, що випадає на зірку, необхідний для підтримки світності L x ~ 10 35 -10 39 ерг/с, дорівнює на рік. На 1 см 2 поверхні випадає більше тонни речовини у секунду. Швидкість вільного падіння становить 0,4 с.
У Р. п. зі світністю L x < 10 36 эрг/спадающие протоны и электроны тормозятся в атмосфере (образованной веществом, 
Рис. 7. Залежність періоду Р (в с) від часу для низки рентгенівських пульсарів.
У Р. Тиск світла) на падаючі електрони здатна зупинити поток акрецірующего речовини. Поблизу поверхні нейтронної зірки (на висоті менше 1 м) може сформуватися радіаційно-домінірів. ударна хвиля. Якщо світність Р. п. перевищує 1037 ерг/с, то над поверхнею нейтронної зірки в районі магн. полюсів формується акреційна колонка. критичну світність, тому що з боків вона утримується магн. полем, а не силами гравітації. Понад те, якщо магн. поле нейтронної зірки перевищує 10 13 Гс, то на підставі колонки темп-pa плазми та випромінювання досягає 10 10 К. При таких темп-pax відбуваються процеси народження та анігіляції електрон-позитронних пар. Нейтрино, що утворюються в реакції 
, Забирають осн. частку світності. Рентг. світність (що перевищує критичну) становить малу частку нейтринної світності, причому світності SMC Х-1 і LMC Х-4 ~ 10 м ерг/с, тобто набагато перевищують критичну. Ці об'єкти мають, мабуть, і отже. нейтринну світність. Випромінені нейтрино прогрівають надра нейтронної зірки і, поглинаючись у надрах нормального компонента подвійної системи, дають малий внесок у його оптич. світність. Потік акреціруючої речовини в таких об'єктах може досягати (10 - 6
-10 - 5
)на рік. У цьому випадку можлива ситуація, коли за 106-105 років «роботи» Р. п. на нейтронну зірку випадає бл. 1речовини, буде перевищено межу стійкості для нейтронних зірок, відбудеться гравітаційний колапс,супроводжуваний вибухом наднової зіркирідко зустрічається типу та освітою чорної дірки.Це може статися лише при дисковій акреції, коли тиск випромінювання не перешкоджає акреції на великих відстанях від центру, що тяжіє.
Формування профілів імпульсів та спектри випромінювання рентгенівських пульсарів. Р дорівнює періоду обертання нейтронної зірки. Наявність сильного магн. поля може призводити до спрямованості випромінювання. Залежно від співвідношення між енергією фотонів hv, Напруженістю магн. поля Hі темп-рій плазми Т еможуть формуватися як «олівцева», і «ножова» діаграми спрямованості. Найважливіший параметр-гірочастота (циклотронна частота) електрона. Ступінь спрямованості є ф-цією відносин. Діаграма спрямованості визначає форму профілю імпульсів Р. п. Профіліімпульсів ряду Р. п. наведені на рис. 4. Вид профілів у багатьох Р. п. змінюється зі збільшенням енергії фотонів (рис. 5).
Спектр випромінювання нейтронної зірки має бути багатокомпонентним. Випромінюють ударна хвиля, акреційна колонка, поверхня нейтронної зірки поблизу основи колонки, плазма, що тече по магнітосфері до полюсів нейтронної зірки. Ця плазма поглинає жорстке випромінювання колонки і перевипромінює його в «м'якому» рентг. діапазоні як у континуумі (безперервному спектрі), так і в рентг. лініях (характеристичних та резонансних) іонів важких елементів. Якщо потоки плазми на магнітосфері Р. п. високої світності не покривають всю її поверхню, то утворюються «вікна», в які вільно виходить «жорстке» випромінювання, у той час як ін. напрямки для нього закриті через великий оптич. товщі потоків плазми. Обертання нейтронної зірки повинно призводити до пульсацій випромінювання. Це ще один механізм формування профіля рентг. Найважливішим етапом у вивченні Р. п. стало відкриття гіролінії [спектральної лінії, обумовленої циклотронним випромінюванням (або поглинанням) електронів] у спектрі Р. п. Геркулес Х-1. Відкриття гіролінії дало метод прямого експерименту. hv H = 56 кэВ. Відповідно до співвідношення hv H = 1,1 (H/10 11 Гс) кеВ, напруженість магн. поля на поверхні цієї нейтронної зірки 5*1012 Гс.
Прискорення та уповільнення обертання нейтронних зірок. На відміну від радіопульсарів (деякі з них, зокрема пульсариу Крабі та Вітрилях, випромінюють у рентг. діапазоні), що випромінюють рахунок енергії обертання замагніченої нейтронної зірки і збільшують свій період з часом, Р. п., що випромінюють рахунок акреції, прискорюють своє обертання. Дійсно при дисковій акреції речовина, що випадає на магнітосферу, має помітний уд. момент усунення. Вморожуючись магн. поле, акрецірующая плазма рухається до поверхні зірки і передає їй свій момент кол-ва руху. В результаті обертання зірки прискорюється і період проходження імпульсів зменшується. Цей ефектхарактерний всім Р. п. (рис. 7). Однак іноді спостерігається і уповільнення обертання. Це можливо у разі, якщо змінюється темп акреції або напрямом моменту кол-ва руху акрецірующего речовини. Серед механізмів, що призводять до збільшення періоду, обговорюється т.з. пропелерний механізм. Передбачається, Р. А. Сюня.
"РЕНТГЕНІВСЬКІ ПУЛЬСАРИ" у книгах
автора Панишева Лідія ВасилівнаРентгенівські апарати Є. І. Ліпіна
З книги Хвороби собак (незаразні) автора Панишева Лідія ВасилівнаРентгенівські апарати Є. І. Липина Кожен рентгенівський апарат незалежно від свого призначення повинен обов'язково мати такі основні складові: автотрансформатор, що підвищує трансформатор, трансформатор напруження спіралі рентгенівської трубки
РЕНТГЕНІВСЬКІ Промені АБО ПОТОКИ*
З книги МИКОЛА ТЕСЛА. лекції. СТАТТІ. автора Тесла НіколаРЕНТГЕНІВСЬКІ Промені АБО ПОТОКИ* У першому звіті про свої епохальні відкриття Рентген висловив переконання, що ті явища, які він спостерігав, - наслідок деяких нових обурень в ефірі. Ця думка вимагає більш ретельного розгляду, оскільки, ймовірно, вона
автора Шкловський Йосип СамуїловичРозділ 21 Пульсари як джерела радіовипромінювання Мабуть, найважче для пульсарів визначаються дві основні характеристики будь-якого «нормального» джерела радіовипромінювання – потік та спектр. Ці проблеми пов'язані насамперед із самої природою пульсарів. Справа в тому,
Розділ 23 Рентгенівські зірки
З книги Зірки: їх народження, життя та смерть [Видання третє, перероблене] автора Шкловський Йосип СамуїловичРОЗДІЛ 23 РЕНТГЕНІВСЬКІ ЗІРКИ Як уже вказувалося у введенні до цієї книги, бурхливий розвиток позаатмосферної астрономії, так само як і радіоастрономії, привів у повоєнні роки до революції в нашій науці. Мабуть, найбільш вражаючими позаатмосферними досягненнями
6. Пульсари - сенсація №2
З книги Цікаво про астрономію автора Томілін Анатолій Миколайович6. Пульсари – сенсація №2 Почалося все зазвичай. Група кембриджських радіоастрономів, обшариваючи небо на частоті 81,5 мегагерц, у червні 1967 року натрапила на чотири незвичайні імпульсні джерела космічного радіовипромінювання. Респектабельний «Nature» не без задоволення навів
76. Що таке нейтронні зірки та пульсари?
З книги Твіти про всесвіт автора Чаун Маркус76. Що таке нейтронні зірки та пульсари? Дивний факт: ви можете помістити все людство в об'єм, який відповідає шматочку цукру. Чому? Тому що речовина може бути запаморочливо порожнім.Якщо говорити примітивно, ви можете уявити атом як
Що таке рентгенівське проміння?
З книги Все про все. Том 1 автора Лікум АркадійЩо таке рентгенівське проміння? Рентгенівські промені були відкриті в 1895 році в Німеччині Вільгельмом Рентгеном, на честь якого і названі. Це промені, на кшталт світлових, мають проникаючу здатність. Вони відрізняються від світлових променів довжиною хвиль та енергією. Найкоротша
З книги Велика Радянська Енциклопедія(ПУ) автора БСЕПульсари
Із книги Темна місія. Секретна історія NASA автора Хоагленд Річард КолфілдПульсари
5. Наднові зірки, пульсари та чорні дірки
З книги Всесвіт, життя, розум автора Шкловський Йосип Самуїлович5. Наднові зірки, пульсари і чорні дірки У попередньому розділі була накидана картина еволюції «нормальної» зірки від моменту її зародження у вигляді згустку газопилової туманності, що стискається, до глибокої «старості» - надщільного холодного «чорного» карлика. Проте
§ 2.19 Пульсари
З книги Балістична теорія Ритца та картина світобудови автора Семіков Сергій ОлександровичРеферат на тему: «Пульсари»
План реферату
- Вступ
- Відкриття
- Рентгенівські пульсари
- Радіопульсари
- Джерело енергії
- Магнітно-дипольне випромінювання
- Магнітосфера
- Пульсари та космічні промені.
- Список літератури
Вступ
Протягом століть єдиним джерелом відомостей про зірок та Всесвіту було для астрономів видиме світло. Спостерігаючи неозброєним оком або за допомогою телескопів, вони використовували лише дуже невеликий інтервал хвиль з усього різноманіття електромагнітного випромінювання, яке випускається небесними тілами. Астрономія перетворилася з середини нашого століття, коли прогрес фізики та техніки надав їй нові прилади та інструменти, що дозволяють вести спостереження у найширшому діапазоні хвиль – від метрових радіохвиль до гамма-променів, де довжини хвиль становлять мільярдні частки міліметра. Це викликало наростаючий потік астрономічних даних. Фактично всі найбільші відкриття останніх років– результат сучасного розвиткуновітніх областей астрономії, що стала зараз всехвильовою. Ще з початку 30-х років, щойно виникли теоретичні уявлення про нейтронні зірки, очікувалося, що вони мають проявити себе як космічні джерела рентгенівського випромінювання. Ці очікування виправдалися через 40 років, коли було виявлено барстери і вдалося довести, що їхнє випромінювання народжується на поверхні гарячих нейтронних зірок. Але першими відкритими нейтронними зірками виявилися все ж таки не барстери, а пульсари, що виявили себе - зовсім несподівано - як джерела коротких імпульсів радіовипромінювання, що йдуть один за одним з разюче строгою періодичністю.
Відкриття
Влітку 1967 р. в Кембриджському університеті (Англія) увійшов до ладу новий радіотелескоп, спеціально побудований Е. Хьюіш і його співробітниками для одного спостережного завдання - вивчення мерехтінь космічних радіоджерел. Це явище подібно до відомого всім мерехтіння зірок виникає через випадкові неоднорідності щільності в середовищі, крізь яку проходять електромагнітні хвилі по шляху до нас від джерела. Новий радіотелескоп дозволяв проводити спостереження великих ділянок піднебіння, а апаратура для обробки сигналів була здатна реєструвати рівень радіо-потоку через кожні кілька десятих часток секунди. Ці дві особливості їхнього інструменту і дозволили кембриджським радіоастрономам відкрити щось зовсім нове – пульсари.
Перші чітко помітні серії періодичних імпульсів було помічено 28 листопада 1967 р. аспіранткою кембриджської групи Дж. Белл. Імпульси слідували один за одним з чітко витримуваним періодом 1,34 с. Це було зовсім несхоже на звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних мерехтінь. Прийняті сигнали нагадували швидше за перешкоду земного походження. Наприклад, системи запалення в автомобілях, що проїжджають повз. Але це та інші прості пояснення невдовзі довелося залишити. Були виключені і сигнали літаків або космічних апаратів. Потім, коли з'явилися підстави вважати, що імпульси мають космічне походження, виникло припущення позаземної цивілізації, посилає Землю свої сигнали. Були серйозні спроби розпізнати будь-який код у імпульсах. Це виявилося неможливим, хоча, як розповідають, до справи було залучено найкваліфікованіших фахівців. До того ж невдовзі виявили ще три подібні пульсуючі радіоджерела. Ставало очевидним, що джерела випромінювання є небесними тілами.
Перша публікація кембриджської групи виникла лютому 1968 р., і у ній ролі можливих кандидатів роль джерел пульсуючого випромінювання згадуються нейтронні зірки. Періодичність радіосигналу пов'язують із швидким обертанням нейтронної зірки. Джерело обертається як ліхтар маяка, і це створює уривчастість видимого випромінювання, що приходить до нас окремими імпульсами. Відкриття пульсарів відзначено Нобелівською премією з фізики у 1978 р.
Інтерпретація: нейтронні зірки
В астрономії відомо чимало зірок, блиск яких постійно змінюється, то зростаючи, то падаючи. Є зірки, їх називають цефеїдами (по першій з них, виявленої в сузір'ї Цефея), із строго періодичними варіаціями блиску. Посилення та ослаблення яскравості відбувається у різних зірок цього класу з періодами від кількох днів до року. Але до пульсарів ще ніколи не зустрічалися зірки з таким коротким періодом, як у першого «кембриджського» пульсара.
Слідом за ним у дуже короткий час було відкрито кілька десятків пульсарів, і періоди деяких із них були ще коротшими. Так, період пульсара, виявленого 1968 р. у центрі Крабовидної туманності, становив 0,033 з. Наразі відомо близько чотирьох сотень пульсарів. Переважна більшість-до 90%- має періоди не більше від 0.3 до 3 з, отже типовим періодом пульсарів можна вважати період 1 з. Але особливо цікаві пульсари-рекордсмени, період яких менший за типовий. Рекорд пульсара Крабовидної туманності протримався майже півтора десятиліття. Наприкінці 1982 р. у сузір'ї Лисички було виявлено пульсар із періодом 0,00155 з, т. е. 1,55 мс. Обертання з таким разюче коротким періодом означає 642 об/с. Дуже короткі періоди пульсарів послужили першим і найвагомішим аргументом на користь інтерпретації цих об'єктів як нейтронних зірок, що обертаються. Зірка з таким швидким обертанням має бути виключно щільною. Справді, саме її існування можливе лише за умови, що відцентрові сили, пов'язані з обертанням, менші за сили тяжіння, що зв'язують речовину зірки.
Настільки компактними, стислими до такого високого ступеня можуть бути лише нейтронні зірки: їхня щільність дійсно близька до ядерної. Цей висновок підтверджується всією п'ятнадцятирічної історією вивчення пульсарів. Воно безсумнівно викликане сильним стиском зірки за її перетворення з «звичайної» зірки на нейтронну. Зірки завжди мають обертання з тією чи іншою швидкістю або періодом: Сонце, наприклад, обертається навколо своєї осі з періодом близько місяця. Коли зірка стискається, її обертання прискорюється. З нею відбувається те, що з танцюристом на льоду: притискаючи до себе руки, танцюрист прискорює своє обертання. Тут діє один з основних законів механіки – закон збереження моменту імпульсу (або моменту кількості руху).
Нейтронна зірка утворюється шляхом стиснення центральної області, ядра зірки, що вичерпала запаси ядерного палива. Ядро встигає ще попередньо стиснутися до розмірів білого карлика, подальше стиснення до розміру нейтронної зірки означає зменшення радіусу в тисячу разів. Відповідно в мільйон разів має зрости частота обертання і в стільки ж разів має зменшитися його період. Замість, скажімо, місяця зірка робить тепер один оберт навколо своєї осі всього за три секунди. Швидше вихідне обертання дає ще короткі періоди. Зараз відомі не тільки пульсари, що випромінюють у радіодіапазоні, - їх називають радіопульсарами, а й рентгенівські пульсари, що випромінюють регулярні імпульси рентгенівських променів. Вони також виявилися нейтронними зірками; у їхній фізиці багато такого, що ріднить їх із барстерами. Але і радіопульсари, і рентгенівські пульсари відрізняються від барстерів в одному принциповому відношенні: вони мають дуже сильні магнітні поля. Саме магнітні поля - разом із швидким обертанням - і створюють ефект пульсацій, хоч і діють ці поля по-різному в рентгенівських радіопульсарах і пульсарах.
Ми розповімо спочатку про рентгенівські пульсари, механізм випромінювання яких більш-менш ясний, а потім про радіопульсари, які вивчені поки значно меншою мірою, хоча вони і відкриті раніше рентгенівських пульсарів і барстерів.
Рентгенівські пульсари
Рентгенівські пульсари – це тісні подвійні системи, в яких одна із зірок є нейтронною, а інша – яскравою зіркою-гігантом. Відомо близько двох десятків цих об'єктів. Перші два рентгенівські пульсари - у сузір'ї Геркулеса і сузір'їв Центавра - відкриті в 1972 р. (за три роки до виявлення барстерів) за допомогою американського дослідницького супутниця «Ухуру»). Пульсар у Геркулесі надсилає імпульси з періодом 1,24 с. Це період обертання нейтронної зірки. У системі є ще один період - нейтронна зірка та її компаньйон здійснюють звернення навколо їхнього загального центру тяжкості з періодом 1,7 дня. Орбітальний період був визначений у цьому випадку завдяки тому (випадковому) обставині, що «звичайна» зірка при своєму орбітальному русі регулярно опиняється на промені зору, що з'єднує нас і нейтронну зірку, і тому вона затуляє тимчасово рентгенівське джерело. Це, очевидно, тоді, коли площину зоряних орбіт становить лише невеликий кут з променем зору. Рентгенівське випромінюванняприпиняється приблизно на 6 годин, потім знову з'являється і так кожні 1,7 дні.
(Між іншим, спостереження рентгенівських затемнень для барстерів до останнього часу не вдавалося. І це було дивно: якщо орбіти подвійних систем орієнтовані в просторі хаотично, то слід очікувати, що з більш ніж трьох десятків барстерів принаймні дещо мають площини орбітального руху, приблизно паралельні променю зору (як у пульсара в Геркулесі), щоб звичайна зірка могла періодично закривати від нас нейтронну зірку.Тільки у 1982 р., тобто через 7 років після відкриття барстерів, один приклад затемненого барстера був, нарешті, виявлений.) Тривалі спостереження дозволили встановити ще один - третій - період рентгенівського пульсара в Геркулесі: цей період становить 35 днів, з яких II днів джерело світить, а 24 дні немає. Причина цього явища поки що невідома. Пульсар у сузір'ї Центавра має період пульсацій 4,8 с. Період орбітального руху становить 2,087 дня - він теж знайдений за рентгенівськими затемненнями. Довгоперіодичних змін, подібних до 35-денного періоду пульсара в сузір'ї Геркулеса у цього пульсара не знаходять. Компаньйоном нейтронної зірки у подвійній системі цього пульсара є яскрава видима зірка-гігант із масою 10-20 Сонців. Найчастіше компаньйоном нейтронної зірки в рентгенівських пульсарах є яскрава блакитна зірка-гігант. Цим вони відрізняються від барстерів, які містять слабкі зірки-карлики. Але як і в барстерах, у цих системах можливе перетікання речовини від звичайної зірки до нейтронної зірки, і їхнє випромінювання також виникає завдяки нагріванню поверхні нейтронної зірки потоком речовини, що акрекується. Це той самий фізичний механізм випромінювання, що у випадку фонового (не спалахового) випромінювання барстера. У деяких із рентгенівських пульсарів речовина перетікає до нейтронної зірки у вигляді струменя (як у барстерах). У більшості випадків зірка-гігант втрачає речовину у вигляді зоряного вітру — вихідної від її поверхні на всі боки потоку плазми, іонізованого газу. (Явлення такого роду спостерігається і в Сонця, хоча сонячний вітер і слабший - Сонце не гігант, а карлик.) Частина плазми зоряного вітру потрапляє в околиці нейтронної зірки, в зону переважання її тяжіння, де і захоплюється нею.
Однак при наближенні до поверхні нейтронної зірки заряджені частинки плазми починають зазнавати впливу ще одного силового поля магнітного поля нейтронної зірки-пульсара. Магнітне поле здатне перебудувати акреційний потік, зробити його несферично-симетричним, а спрямованим. Як ми зараз побачимо, через це виникає ефект пульсацій випромінювання, ефект маяка. Є всі підстави вважати, що нейтронні зірки рентгенівських пульсарів мають дуже сильне магнітне поле, що досягає значень магнітної індукції, що більше середнього магнітного поля Сонця. Але такі поля природно виходять у результаті сильного стиску при перетворенні звичайної зірки на нейтронну.
Магнітне поле з індукцією можна порівняти з полем Сонця, вважається більш менш типовим для звичайних зірок; у деяких «магнітних» зірок виявлені поля у кілька тисяч разів більші, так що цілком можна очікувати, що певна (і не надто мала) частка нейтронних зірок дійсно повинна мати дуже сильне, магнітне поле. Такого висновку дійшов радянський астрофізик М. С. Кардашев ще 1964 р.
За своєю структурою, тобто за геометрією силових ліній, магнітне поле пульсара схоже, як очікується, на магнітне поле Землі або Сонця: у нього є два полюси, з яких в різні сторонирозходяться силові лінії. Таке поле називають дипольним.
Речовина, що акрекується нейтронною зіркою, - це зоряний вітер, воно іонізоване, і тому взаємодіє під час свого руху з її магнітним полем. Відомо, що рух заряджених частинок упоперек силових ліній поля утруднений, а рух уздовж силових ліній відбувається безперешкодно. З цієї причини речовина, що акрекується, рухається поблизу нейтронної зірки практично по силових лініях її магнітного поля. Магнітне поле нейтронної зірки як би створює вирви біля її магнітних полюсів, і в них спрямовується акреційний потік. На таку можливість вказали ще в 1970 р. радянські астрофізики Г. С. Біснуватий-Коганта. А. М. Фрідман. Завдяки цьому нагрівання поверхні нейтронної зірки виявляється нерівномірним: у полюсів температура значно вища, ніж на всій іншій поверхні. Гарячі плями біля полюсів мають, згідно з розрахунками, площу близько одного квадратного кілометра; вони і створюють головним чином випромінювання зірки – адже світність дуже чутлива до температури – вона пропорційна температурі четвертого ступеня.
Як і Землі, магнітна вісь нейтронної зірки нахилена до її осі обертання. Через це виникає ефект маяка: яскрава пляма то видно, то не видно спостерігачеві. Випромінювання нейтронної зірки, що швидко обертається, є спостерігачеві уривчастим, пульсуючим. Цей ефект було передбачено теоретично радянським астрофізиком В. Ф. Шварцманом за кілька років до відкриття рентгенівських пульсарів. Насправді випромінювання гарячої плями відбувається, звичайно, безперервно, але воно не рівномірне за напрямками, не ізотропно, і рентгенівські промені від нього не спрямовані весь час на нас, їх пучок обертається у просторі навколо осі обертання нейтронної зірки, пробігаючи по Землі один раз за період.
Від рентгенівських пульсарів ніколи не спостерігали спалахів, подібних до спалахів барстерів. З іншого боку, від барстерів ніколи не спостерігали регулярних пульсацій. Чому ж барстери не пульсують, а пульсари не спалахують? Вся справа, ймовірно, у тому, що магнітне поле нейтронних зірок у барстерах помітно слабше, ніж у пульсарах, і тому воно не впливає скільки-небудь помітно на динаміку акреції, допускаючи більш менш рівномірний прогрів усієї поверхні нейтронної зірки. Її обертання, яке може бути настільки ж швидким, як і у пульсарів, не позначається на рентгенівському потоці, оскільки цей потік ізотропен. З іншого боку, припускають, що поле магнітною індукцією
здатне якось - хоча, правда, і не зовсім ясно поки що, як саме, - придушувати термоядерні вибухи в приполярних зонах нейтронних зірок. Відмінність у магнітному полі пов'язана, ймовірно, з різницею віку барстерів та пульсарів. Про вік подвійної системи можна судити за звичайною зіркою-компаньйоном. Нейтронні зірки у рентгенівських пульсарах мають компаньйонами яскраві зірки-гіганти; у барстерах ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі по блиску зірки малих мас. Вік яскравих гігантів не перевищує кількох десятків мільйонів років, тоді як вік слабких зірок-карликів може налічувати мільярди років: перші набагато швидше витрачають своє ядерне паливо, ніж другі. Звідси випливає, що барстери - це старі системи, в яких магнітне поле встигло згодом якоюсь мірою ослабнути, а пульсари - це молоді системи і тому магнітні поля в них. сильніше. Можливо, барстери колись у минулому пульсували, а пульсарам ще належить спалахувати в майбутньому.
Відомо, що наймолодші та найяскравіші зірки Галактики знаходяться у її диску, поблизу галактичної площини. Природно тому очікувати, як і рентгенівські пульсари зі своїми яскравими зірками-гігантами розташовуються переважно біля галактичної площині. Їхній загальний розподіл по небесній сфері має відрізнятися від розподілу барстерів, старих об'єктів, які - як і всі старі зірки Галактики - концентруються не до її площини, а до галактичного центру. Спостереження підтверджують ці міркування: рентгенівські пульсари справді перебувають у диску Галактики, у порівняно вузькому шарі з обох боків галактичної площині. Такий самий розподіл на небі виявляють і пульсари, що випромінюють радіоімпульси, - радіопульсари.
Радіопульсари
Розподіл радіопульсарів на небесній сфері дозволяє укласти перш за все, що ці джерела належать нашій Галактиці: вони явно концентруються до її площини, що служить, екватором галактичної координатної сітки. Об'єкти, які ніяк не пов'язані про галактику, ніколи не показали б жодної, переважної орієнтації такого роду. Розподіл у напрямах свідчить у разі реальному просторовому розташуванні джерел: така картина може виникнути лише тоді, коли джерела перебувають у диску Галактики. Деякі з них лежать помітно вище або нижче за екватор; але вони теж розташовані в диску, біля площини Галактики, тільки ближче до нас, ніж більшість інших пульсарів. Адже разом із Сонцем ми знаходимося майже точно в галактичній площині, і тому напрямок від нас на близькі об'єкти всередині хоча б і вузького шару може бути, взагалі кажучи, будь-яким. Близьких пульсарів порівняно мало, і вони не затемнюють загальну картину. Якщо радіопульсари розташовуються поблизу галактичної площини, серед наймолодших зірок Галактики, то розумно вважати, що й самі є молодими. Про один з них, пульсар Крабовидної туманності, безумовно відомо, що він існує всього близько тисячі років - це залишок спалаху наднової 1054; його вік значно менше часу життя яскравих зірок-гігантів, - 10 мільйонів років, не кажучи вже про зірок-карликів, середній вік яких ще у 1000 разів більший. Сувора періодичність проходження імпульсів, розташування в площині Галактики та молодість – все це зближує радіопульсари з рентгенівськими пульсарами. Але у багатьох інших відносинах вони різко відрізняються одна від одної. Справа не тільки в тому, що одні випромінюють радіохвилі, а й інші рентгенівські промені. Найважливіше те, що радіопульсари – це одиночні, а не подвійні зірки. Відомо всього три радіопульсари, що мають зірку-компаньйона. У всіх інших, а їх понад триста п'ятдесят, жодних ознак двоїстості не помічається. Звідси негайно випливає, що фізика радіопульсарів має бути зовсім іншою, ніж у барстерів або рентгенівських пульсарів. Принципово іншим має бути джерело їхньої енергії - це принаймні не акреція. Інший найважливіший факт: спектр випромінювання радіопульсарів дуже далекий від будь-якої подібності універсального чорнотільного спектру, який характерний для випромінювання нагрітих тіл. Це означає, що випромінювання радіопульсарів не пов'язане з нагріванням нейтронної зірки, з температурою, з тепловими процесами на її поверхні. Випромінювання електромагнітних хвиль, не пов'язане з нагріванням тіла, називають нетепловим. Таке випромінювання не рідкість в астрофізиці, фізиці та техніці. Ось простий приклад. Антена радіостанції або телецентру - це провідник певного розміру та форми. У ньому є вільні електрони, які під дією спеціального генератора здійснюють узгоджені рухи вздовж провідника туди і назад із заданою частотою. Оскільки електрони коливаються «в унісон», то й випромінюють вони узгоджено: всі електромагнітні хвилі, що випромінюються в простір, мають однакову частоту - частоту коливань електронів. Отже спектр випромінювання антени містить лише одну частоту або довжину хвилі. Відомості про спектр випромінювання радіопульсарів вдалося отримати передусім завдяки спостереженням найяскравішого їх - пульсара Крабовидної туманності. Чудово, що його випромінювання реєструється у всіх діапазонах електромагнітних хвиль - від радіохвиль до гамма-променів. Найбільше енергії він випускає саме в області гамма-променів (так що пульсар цілком заслуговує назви гамма-пульсара); прийнятий гамма-потік у рентгенівській області у 5-10 разів менше. В області видимого світла він ще вдесятеро менший.
Можна перевірити, що при якій температурі випромінювання нагрітого тіла не може мати такий розподіл енергії по областях спектру.
Крім пульсара Крабовидної туманності, «мілісекундного» пульсара в сузір'ї Лисички та ще одного пульсара в сузір'ї Вітриль, всі інші радіопульсари реєструються лише завдяки випромінюванню в радіодіапазоні. Не виключено, що вони випромінюють і в інших областях спектру - у видимому світлі, в рентгенівських і гамма-променях, подібно до пульсар Крабовидної.туманності (хоча, ймовірно, і не так інтенсивно, як він); але вони знаходяться далі від нас, а чутливість існуючих радіотелескопів вища за чутливість оптичних, рентгенівських і гамма-телескопів.
Цікаво, що вже й одних лише даних про світність пульсарів у радіодіапазоні - без будь-яких відомостей про випромінювання на більш коротких довжинах хвиль достатньо, щоб переконатися в нетепловому, нечорнотливому характері їхнього випромінювання.
Джерело енергії
Періодичність імпульсів радіопульсара витримується з надзвичайною точністю. Це найточніший годинник у природі. І все ж для багатьох пульсарів вдалося зареєструвати і регулярні зміни їх періодів. Звичайно, це виключно малі зміни і відбуваються вони вкрай повільно, тому регулярність проходження імпульсів порушується лише дуже слабо. Характерний час зміни періоду становить більшості пульсарів приблизно мільйон років; це означає, що лише за мільйон років очікується помітного - скажімо, удвічі - зміни періоду.
У всіх відомих випадках радіопульсари збільшують, а чи не зменшують свій період. Іншими словами, їхнє обертання сповільнюється з часом. Щось гальмує обертання нейтронної зірки, щось витрачається її енергія обертання. Так чи не є обертання джерелом, що живить випромінювання пульсара?
Щоб це перевірити, потрібно зробити насамперед енергетичну оцінку. Якщо пульсар дійсно випромінює за рахунок обертання, то кінетична енергія обертання повинна забезпечувати потужність випромінювання, що спостерігається, його світність.
Для пульсара крабовидної туманності, період якого становить одну тридцяту секунди, оцінку потрібно зробити окремо. Він і характерний час збільшення періоду не мільйон років; як показують спостереження, воно можна порівняти з його віком, тобто близько до тисячі років. І тут потужність Ж виявиться у мільйон разів більше, ніж у співвідношенні (1.5); вона перевищує на кілька порядків повну світність цього пульсара у всіх діапазонах хвиль.
Можна, таким чином, сказати, що припущення про обертання як джерело енергії пульсара витримує першу перевірку: кінетична енергія обертання нейтронної зірки досить велика і здатна служити резервуаром, з якого випромінювання черпає свою енергію. При цьому на випромінювання витрачається лише невелика частка загальної витрати енергії.
Магнітно-дипольне випромінювання
Яким чином енергія обертання перетворюється на енергію електромагнітних хвиль? Відповідно до ідеї, висунутої італійським астрофізиком Ф. Пачіні та англійським теоретиком Т. Голдом, вирішальна роль у цьому повинна належати магнітному полю нейтронної зірки. Як ми вже говорили, нейтронна зірка може мати дуже значне магнітне поле. Швидше за все, поле має дипольний характер, яке вісь нахилена до осі обертання нейтронної зірки, як і в рентгенівського пульсара Система силових ліній магнітного поля обертається з тією кутовою швидкістю, з якою обертається сама нейтронна зірка. Поза світлового циліндра магнітне поле похилого диполя, що обертається, вже не може залишатися тим же, що і всередині його. На світловому циліндрі відбувається перетворення дипольного магнітного поля на електромагнітні хвилі, які поширюються зовні, забираючи з собою певну енергію. Ця енергія черпається із енергії обертання нейтронної зірки. Такі магнітно-дипольне випромінювання давно вивчене в електродинаміці. Відомо, що частота випромінюваних хвиль дорівнює частоті обертання магнітного диполя, довжина хвилі дорівнює радіусу світлового циліндра. Отже, нейтронна зірка, що обертається, з похилим магнітним полем здатна випромінювати електромагнітні хвилі. У цьому енергія її обертання перетворюється на енергію випромінювання. Але магнітно-дипольні хвилі - це зовсім не те випромінювання, яке спостерігають у пульсарів: його частота занадто мала, а довжина хвилі занадто велика - десятки та сотні кілометрів. Магнітно-дипольні хвилі повинні зазнати якихось дуже суттєвих перетворень, перш ніж виникне випромінювання пульсарів. Ці перетворення відбуваються, мабуть, в магнітосфері пульсара - в навколишній нейтронну зірку хмарі, що обертається, заряджених частинок.
Магнітосфера
Можливість і навіть необхідність існування такої хмари довели американські астрофізики-теоретики П. Голдрайх та В. Джуліан. Вони вивчили електромагнітні явища, які відбуваються не так на світловому циліндрі, де народжується магнітно-дипольне випромінювання, а поблизу самої поверхні нейтронної зірки. Тут намагнічена нейтронна зірка здатна «працювати» подібно до динамомашині: її обертання викликає появу сильних електричних полів, а з ними і струмів, тобто спрямованих рухів заряджених частинок.
Така ж оцінка для протона показує, що електрична сила, що діє на нього, в мільярд разів більше сили тяжіння до нейтронної зірки. Це означає, що сили тяжіння абсолютно несуттєві для заряджених частинок у порівнянні з електричними силами біля поверхні нейтронної зірки. Електричні сили тут надзвичайно великі, і вони здатні безперешкодно керувати рухом електронів і протонів: вони можуть відривати їх від поверхні нейтронної зірки, прискорювати їх, повідомляючи частинкам величезні енергії. Електрична сила, що діє в полі на частинку про заряд, здійснює на шляху частки роботу.
Це дійсно величезна енергія, яка на багато порядків перевищує навіть енергію спокою електрона і протона. Гігантська енергія частинок відповідає їх швидкостям руху, що наближається до швидкості світла, а фактично збігаються з нею. Частинки високих енергій, що відриваються від поверхні нейтронної зірки та прискорюються сильним електричним полем, створюють потік, що виходить від нейтронної зірки і схожий на сонячний або зірковий вітер. Магнітне поле захоплює цей потік у обертання разом з нейтронною зіркою. Так навколо неї виникає магнітосфера, що розширюється і обертається. Народження та прискорення частинок, що утворюють магнітосферу, потребує значної енергії, що черпається з кінетичної енергії обертання нейтронної зірки. Теоретичний аналіз, виконаний П. Голдрайхом та Ст; Джуліаном показує, що на це витрачається приблизно стільки ж енергії, скільки і на магнітно-дипольне випромінювання. При цьому саме магнітно-дипольне випромінювання поповнює запас енергії магнітосфери, воно практично не виходить назовні і поглинається магнітосферою, передаючи свою енергію її частинкам. Немає сумніву, що саме в магнітосфері нейтронної зірки і розігруються різноманітні фізичні процеси, що визначають всі прояви пульсара. Повної та вичерпної теорії цих процесів поки що немає; теорія радіопульсарів перебуває у розвитку, і навіть головні питання вона ще може дати закінченого і переконливого відповіді. Нас насамперед цікавить, як виникає спрямованість у випромінюванні пульсара, що створює цей природний радіомаяк. Зараз можна викласти лише попередні міркування, які претендують на сувору доказовість, але містять, тим щонайменше, ряд важливих ідей. Ймовірно, потрібно виходити з того, що частинки високої енергії, що заповнюють магнітосферу пульсара, здатні випромінювати електромагнітні хвилі дуже високої частоти, або квантовою мовою, фотони дуже високої енергії. Один із фізичних механізмів випромінювання пов'язаний з рухом частинок у сильних магнітних полях. Частинки йдуть головним чином уздовж магнітних силових ліній, оскільки силові лінії вигнуті, рух частинок може бути прямолінійним і рівномірним. Відхилення ж від прямолінійного та рівномірного рухуозначає прискорення (або гальмування) частки і, отже, супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль. Відповідно до розрахунків електромагнітні хвилі такого походження належать до гамма-діапазону. У свою чергу, гамма-фотони здатні народжувати (у присутності сильного магнітного поля) пари електронів і позитронів. Електрони і позитрони також випромінюють електромагнітні хвилі при своєму русі в магнітному полі, а ці нові хвилі здатні народжувати нові пари частинок і т.д. Такий каскад процесів розвивається головним чином поблизу магнітних полюсів нейтронної зірки, де сходяться магнітні силові лінії та поле особливо велике. Тут формуються, як можна вважати, спрямовані потоки частинок, що узгоджено рухаються, які - як в антені - випромінюють узгоджено і спрямовано, створюючи промінь пульсара. Магнітна вісь зірки не збігаються з її віссю обертання, і тому цей промінь обертається подібно до променя маяка. Але як насправді це відбувається, ще належить з'ясувати.
Основна частка енергії обертання, що втрачається нейтронної зіркою, перетворюється над спостерігається випромінювання пульсара, а енергію частинок, прискорюваних у магнітосфері нейтронної зірки. Радіопульсари є таким чином потужним джерелом частинок високих енергій. Електрони високих енергій, що народжуються пульсаром крабовидної туманності, безпосередньо проявляють себе у світінні туманності. Про це йдеться попереду, а тут варто сказати кілька слів про еволюцію та подальшу долю радіопульсарів. З часом пульсар втрачає свою енергію обертання і магнітну енергію, тому поступово і частота обертання, і магнітне поле нейтронної зірки зменшуються. Через це зменшується електричне поле біля поверхні зірки, знижується ефективність відриву частинок та його прискорення. Рано чи пізно частки високих енергій перестануть народжуватися, і радіовипромінювання пульсара припиниться. Якби радіопульсар становив пару разом із звичайною зіркою, він міг би перетворитися на барстер, випромінювання якого живиться акреційним потоком, що захоплюється з поверхні зірки-компаньйона. Але (за дуже рідкісним винятком, як говорилося) радіопульсари – це поодинокі нейтронні зірки, а не члени тісних подвійних систем. І тим не менше світіння, хоч і досить слабке, все ж таки може виникати. На думку радянського астрофізика А. І. Цигана воно може бути зобов'язане акреції нейтрального міжзоряного газу, крізь який рухається згаслий радіопульсар. Пошуки таких колишніх пульсарів, а нині гамма-зірок - одне з найцікавіших завдань гамма-астрономії.
Пульсари та космічні промені.
Ще 1934г. В. Бааде та Ф. Цвіккі вказали на можливий зв'язок між спалахами наднових, нейтронними зірками та космічними променями – частинками високих енергій, що приходять на Землю з космічного простору.
Космічні промені були відкриті понад 60 років тому і з тих пір є предметом ретельного вивчення. Інтерес до них пов'язаний насамперед із можливістю використовувати їх для дослідження взаємодій елементарних частинокпри високих енергіях, недосяжні в лабораторних прискорювальних пристроях. Частинки високих енергії, що приходять до Землі з міжпланетного та міжзоряного простору, породжують у земній атмосфері нові, вторинні частинки, які теж мають чималі енергії. Але найбільше цікаві, очевидно, вихідні, первинні частки. Вони є головним чином протони; серед них є в невеликій кількості і атомні ядра таких елементів, як гелій, літій, берилій, вуглець, кисень і т. д., аж до урану.
Електронів у космічних променях трохи більше 1-2 %. Потік космічних променів ізотропен - він приходять до Землі рівномірно з усіх боків (крім звичайно частинок, що випускаються Сонцем).
Космічні промені, поширюючись у міжзоряних магнітних полях, здатні створювати синхротронне випромінювання. Загальне радіовипромінювання Галактики відоме з кінця 40-х років.
Проте радіопотужність Галактики незрівнянно більша. Пояснення загального радіовипромінювання Галактики як синхротронного випромінювання електронів космічних променів запропоновано В. Л„ Гінзбургом у 1950-1951 рр. Основне питання фізики космічних променів від початку її розвитку - природа їх високої енергії. Він досі ще не вирішений. Обговорюється цілий ряд цікавих можливостей: прискорення частинок у міжзоряних магнітних полях (як це передбачав ще в 40-ті роки Е. Фермі), в оболонках, що скидаються при спалахах наднових (ця ідея розвивається зараз багатьма авторами), в ядрі Галактики або навіть поза нею - у квазарах. Відкриття пульсарів, аналіз їх електродинаміки, дані про частинки високої енергії в Крабовидної туманності, одержувані з аналізу її синхротронного випромінювання, все це вказує на пульсари як на ефективне джерело космічних променів. Давня ідея В. Баад і Ф. Цвіккі про Єдність походження нейтронних зірок і космічних променів набуває зараз нових підстав.
Список літератури:
- А. Д. Чернін «Зірки та фізика»
- Р. Кіппенхан "100 мільярдів сонців"
- У. Корлісс «Загадки всесвіту»
На початковому етапі досліджень рентг, що відкривається. об'єктам надавалися найменування по сузір'ях, в яких брало вони перебувають. Напр., Геркулес X-1 означає перший рентг. Яскравість об'єкта в сузір'ї Геркулеса, Кентавр Х-3 - третій за яскравістю в сузір'ї Кентавра. Р.П. у Малій Магеллановій Хмарі позначається як SMC X-1, у Великій Магеллановій Хмарі - LMC X-4. Виявлення із супутників великої кількості рентг. джерел зажадало ін. системи позначень. Напр., 4U 1900-40 відповідає позначенню Р.П. Вітрила Х-1 у четвертому каталозі "Ухуру". Перші чотири цифри позначають пряме сходження (19 год 00 хв), а дві дві разом із знаком дають відмінювання об'єкта. Аналогічний сенс мають цифри позначення джерел, відкритих супутником " Аріель " (Великобританія), напр. A 0535+26. Позначення типу GX 1+4 відносяться до джерел центральної області Галактики. Цифри відповідають галактич. координат (див. ) l і b (в даному випадку l=1 o , b= +4 o). Використовуються та інших. позначення. Так, відкритий з борту радянських АМС "Венера-11, -12" в експерименті "Конус" Р.п. з періодом 8 с (див.) отримав найменування FXP 0520-66.
Змінність випромінювання Р.П.
, де i- кут способу орбіти подвійної системи (у цій системі близький до 90 o), v - швидкість орбітального руху Р.п.; v sin i=416 км/с, ексцентриситет орбіти мал. Рентг. затемнення виявлені далеко не у всіх подвійних системах із Р.п. (Для спостереження затемнень необхідно, щоб промінь зору був близький до площини орбіти подвійної системи), а періодич. зміни P- у більшості подвійних систем із Р.п. Після відкриття Р.П. у його околиці зазвичай швидко знаходять змінну оптич. зірку (другий компонент подвійної системи) Ю блиск до-рой змінюється з періодом, рівним орбітальному або вдвічі меншим (див. нижче). З іншого боку, спектр. лінії оптич. компонента відчувають доплерівське зрушення, що періодично змінюється з орбітальним періодом удойної системи. Оптич. змінність подвійних систем із Р.п. обумовлена двома ефектами. Перший ефект (ефект відображення) спостерігається в системах, в яких брало світність оптич. зірки менше світності Р.п. Сторона зірки, звернена до Р.п., прогрівається рентг. випромінюванням та в оптич. променях виявляється яскравіше, ніж протилежний бік. Обертання подвійної системи призводить до того, що спостерігається то яскравіша, то менш яскрава сторона зірки. Такий ефект найвиразніше проявляється у системі, що включає Р.п. Геркулес Х-1 та зірку HZ Геркулеса. на од. поверхні цієї зірки зверненої до рентг. джерелу, що падає в тридцять разів більше енегрії у вигляді рентг. випромінювання, чим надходить із надр зірки. В результаті амплітуда оптич. змінності перевищує 2 mу фільтрі B. Частина рентг. випромінювання відбивається атмосферою зірки, але осн. частка поглинається нею і переробляється на оптич. випромінювання. Це випромінювання слабо пульсує з періодом P. Частина енергії йде ефективне нагрівання речовини лежить на поверхні, що супроводжується формуванням т.зв. індукованого зоряного вітру.
Другий ефект, званий ефектом еліпсоїдальності, пов'язаний з тим, що форма зірки, що заповнює критич. порожнина Роша, помітно відрізняється від сферичної. В результаті двічі за орбітальний період до спостерігача звернена більша частина поверхні та двічі менша. Така змінність з періодом, удвічі меншим за орбітальний період подвійної системи, спостерігається в подвійних системах, де світність оптич. компонента набагато перевищує рентг. світність Р.П. Зокрема, саме завдяки такій змінності відкрили нормальний компонент джерела Кентавр Х-3.
Аккреція на нейтронну зірку із сильним магнітним полем.
У тісних подвійних зоряних системах можливі два осн. типу акреції: дискова та сферично-симетрична. Якщо перетікання речовини йде переважно через внутрішньо. точку Лагранжа, то перетікаюча речовина має значить. уд. моментом кількості руху та навколо нейтронної зірки утворюється. Якщо норм. зірка втрачає речовину за допомогою зоряного вітру, то можливе формування ударної хвилі та близька до сферично-симетричної акреції за нею.
 |
|
Рис. 3. Спрощена картина акреції на замагнічену нейтронну зірку у подвійній системі. Газ надходить до зірці як у геометрично тонкому диску, так і сферично-симетричним чином. Реальна магнітосфера має складнішу форму, ніж зображено на рис. а (, M- кутова швидкість обертання та магнітний момент нейтронної зірки). Умови вморожування плазми в магнітосфері сприятливі не на всій її поверхні. Вморожена плазма тече вздовж ліній до магнітних полюси (стрілки). Поблизу полюсів акреційний канал є незамкнутим вінцем (б). |
У Р.П. зі світністю L X
У Р.П. зі світністю, близькою до ерг/с, колосальне енерговиділення у зоні магн. полюсів призводить до того, що сила на електрони, що падають, здатна зупинити потік акрецірующего речовини. Поблизу поверхні нейтронної зірки (на висоті 1 м) може сформуватись радіаційно-домінована ударна хвиля. У такій ударній хвилі тиск випромінювання набагато перевищує тиск плазми. Електрони, що падають на зірку, гальмуються силою тиску випромінювання, обумовленої томсонівським розсіюванням випромінювання, що йде знизу. Одночасно зупиняються пов'язані з електронами елестростатич. силами протони, що несуть основну кінетич. енергію. Ця енергія витрачається збільшення енергії фотонів, внаслідок їх багаторазових розсіянь на високошвидкісних електронах (комптонізації). Частина "жорстких" фотонів йде до спостерігача, а частина потрапляє до щільних шарів атмосфери (нейтронної зірки), нагріваючи її. У цих шарах внаслідок народжуються численні "м'які" фотони, які (зазнаючи томсонівське розсіювання на падаючих електронах) і гальмують падаючу речовину.
Якщо світність Р.п. перевищує 1037 ерг/с, то над поверхнею нейтронної зірки в районі магн. полюсів формується акреційна колонка. Радіаційно-димонована ударна хвиля виникає на великій висоті над поверхнею нейтронної зірки (сотні метрів і навіть кілометри). У ній відбувається гальмування потоку. Під ударною хвилею здійснюється режим осідання. Випромінювання йде через бічну поверхню колонки, речовина ж у ній повільно осідає, виділяючи гравітації. енергію, що перетворюється на тепло та випромінювання. Силам гравітації протидіє градієнт тиску випромінювання, замкненого у радіаційно-димонованій колонці. Акреційна колонка може забезпечити світність, що набагато перевищує , т.к. з боків стовпчик утримується магн. полем, а чи не силами гравітації. Понад те, якщо магн. поле нейтронної зірки перевищує 10 13 Гс, то на підставі колонки темп-ра плазми досягає 10 10 К. При таких темп-рах відбуваються процеси народження та анігіляції електрон-позитронних пар. Нейтрино, які у реакціях , виносять осн. частку світності. Рентг. світність (що перевищує критичну) становить малу частку нейтринної світності. Зазначимо у зв'язку з цим існування Р.П. SMC X-1 та LMC X-4, що мають рентг. світності ~ 1039 ерг/с, тобто. набагато перевищують критичну. Ці об'єкти мають, мабуть, і значну нейтринну світність. Випромінені нейтрино прогрівають надра нейтронної зірки і, поглинаючись у надрах норм. компонента подвійної системи, що дають малий внесок у його оптич. світність. Потік акреціруючої речовини в таких об'єктах може досягати
на рік. І тут можлива ситуація, коли з 10 6 -10 5 років роботи Р.п. на нейтронну зірку випаде прибл. речовини, що буде перевищено межу стійкості для нейтронних зірок, відбудеться , що супроводжується вибухом наднової типу, що рідко зустрічається, і утворенням чорної діри. Це може статися ліль при дисковій акреції, коли тиск випромінювання не перешкоджає акреції на великих відстанях від центру, що тяжіє. Формування профілів імпульсів та спектри випромінювання Р.п. Виділення енергії в обмеженій зоні поблизу полюсів нейтронної зірки разом з її обертанням призводить до феномену пульсара: спостерігач бачить випромінювальну зону під різними кутами і приймає змінний у часі потік рентг. випромінювання. Період P дорівнює періоду обертання нейтронної зірки. Наявність сильного магн. поля може призводити до спрямованості випромінювання. Залежно від співвідношення між енергією фотонів, напругою магн. поля і температурою плазми можуть формуватися як олівцева, так і ножова діаграми спрямованості. Найважливішим параметром явл. гірочастота (циклотронна частота) електрона. Ступінь спрямованості явл. функцією відносин та . Діаграма спрямованості визначатиме форму профілю імпульсів Р.п. Профілі імпульсів Р.п. наведено на рис. 4. Вид профілів багатьох Рп. змінюється
