Пульсары и нейтронные звезды
Объекты глубокого космоса > Пульсары и нейтронные звезды
В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)
Изучите пульсары и нейтронные звезды Вселенной: описание и характеристика с фото и видео, строение, вращение, плотность, состав, масса, температура, поиск.
Пульсары
Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную.
Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций.
Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных черных дыр. Впервые обнаружены в 1967 году.
Что такое пульсар?
Если высматривать на небе пульсар, то кажется обычной мерцающей звездой, следующей по определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами.
Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.
Строение пульсара
Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.
Пульсары нельзя считать звездами, по крайней мере «живыми». Это скорее нейтронные звезды, формирующиеся после того, как у массивной звезды заканчивается топливо, и она разрушается. В результате создается сильный взрыв – сверхновая, а оставшийся плотный материал трансформируется в нейтронную звезду.
Число найденных пульсаров
Диаметр пульсаров во Вселенной достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.
Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.
Почему пульсары вращаются?
Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.
Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).
Художественная интерпретация связи между пульсаром и его спутником
Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.
Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.
Здесь отображены линии магнитного поля, вращающиеся вокруг пульсара. Фиолетовое свечение – гамма-лучи
Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток).
Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля.
При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.
А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.
Поиск пульсаров
Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы.
Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты.
Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.
В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.
Небесная карта, отображающая гамма-пульсары, найденные телескопом GLAST
Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.
Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.
Использование пульсаров
Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».
Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.
Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.
Снимок пульсара PSR B0531+21, сделанный рентгеновской обсерваторией Чандра. В центре вы видите белый пульсар и струи выбрасывающегося материала
Кладбища пульсаров
Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.
Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.
Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.
Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.
Нейтронные звезды появляются после смерти гигантов в виде сверхновых
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.
Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Когда нейтронная звезда выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, картина выглядит еще более впечатляющей. Если вторая звезда уступала по массивности Солнцу, то тянет массу компаньона в «лепесток Роша».
Это шарообразное облако материла, совершающее обороты вокруг нейтронной звезды. Если же спутник был больше солнечной массы в 10 раз, то передача массы также настраивается, но не такая устойчивая.
Материал течет вдоль магнитных полюсов, нагревается и создаются рентгеновские пульсации.
К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.
Типы нейтронных звезд
У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.
Когда рентгеновские пульсары отбирают материал у более массивных соседей, то он контактирует с магнитным полем и создает мощные лучи, наблюдаемые в радио, рентгеновском, гамма и оптическом спектре. Так как источник располагается в компаньоне, то их именуют пульсарами с аккрецией.
Строение магнитного поля нейтронной звезды
Вращающиеся пульсары в небе подчиняются вращению звезд, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с магнитным полем пульсара над полюсами. Так как вещество внутри магнитосферы пульсара ускоряется, это заставляет его вырабатывать гамма-лучи. Отдача энергии замедляет вращение.
Магнитные поля магнетар в 1000 раз сильнее, чем у нейтронных звезд. Из-за чего заставляют вращаться звезду намного дольше.
(4
Нейтронные звезды
Остаток сверхновой Корма-А, в центре которой находится нейтронная звезда
Нейтронные звезды являются остатками массивных звезд, которые достигли конца своего эволюционного пути во времени и пространстве.
Общие сведения
Общая схема внутреннего строения
Эти интересные объекты, рождаются от некогда массивных гигантов, которые в четыре-восемь раз больше нашего Солнца. Происходит это во вспышке сверхновой.
После такого взрыва внешние слои выбрасываются в космос, ядро остается, но она больше не в состоянии поддерживать ядерный синтез. Без внешнего давления от вышележащих слоев, она коллапсирует и катастрофически сжимается.
Несмотря на свой малый диаметр — около 20 км, нейтронные звезды могут похвастаться в 1,5 раза большей массой нежели чем у нашего Солнца. Таким образом, они являются невероятно плотными.
Маленькая ложка вещества звезды на Земле будет весить около ста миллионов тонн. В ней протоны и электроны объединяются в нейтроны – этот процесс называется нейтронизацией.
Состав
Состав их неизвестен, предполагают, что они могут состоять из сверхтекучей нейтронной жидкости. Они обладают чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, гораздо больше, чем у Земли и даже у Солнца.
Это гравитационные силы особенно впечатляют, поскольку она имеет небольшой размер.
Все они вращаются вокруг оси.
При сжатии, угловой момент вращения сохраняется, а из-за уменьшения размеров, скорость вращения возрастает.
Нейтронные звезды в одной картинке
Из-за огромной скорости вращения, внешняя поверхность, представляющая собой твердую «кору» периодически трескается и происходят «звездотрясения», которые замедляют скорость вращения и сбрасывают «излишки» энергии в космос.
Ошеломляющее давление, которое существуют в ядре, может быть похоже на то, которое существовало в момент большого взрыва, но к сожалению, его нельзя смоделировать на Земле. Поэтому эти объекты являются идеальными природными лабораториями, где мы можем наблюдать энергии недоступные на Земле.
Радиопульсары
Радиоульсары были открыты в конце 1967 г. аспирантом Jocelyn Bell Burnell как радиоисточники, которые пульсируют на постоянной частоте.
Радиация, испускаемая звездой, видна как пульсирующий источник излучения или пульсар.
Схематическое изображение вращения нейтронной звезды
Радиопульсары (или просто пульсар) — это вращающиеся нейтронные звезды, струи частиц которых, движутся почти со скоростью света, как вращающийся луч маяка.
После непрерывного вращения, в течение нескольких миллионов лет, пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами. На сегодня известно только около 1000 пульсаров, хотя их могут быть сотни в галактике.
Радиопульсар в Крабовидной туманности
Некоторые нейтронные звезды испускают рентгеновское излучение. Знаменитая Крабовидная туманность — хороший пример такого объекта, образовавшейся во время взрыва сверхновой. Эта вспышка сверхновой наблюдалась в 1054 году нашей эры.
Ветер от Пульсара, видео телескопа Чандра
Радиопульсар в Крабовидной туманности, сфотографированный с помощью космического телескопа Хаббла через фильтр 547nm (зеленый свет) с 7 августа 2000 года по 17 апреля 2001 года.
Пульсар в Крабовидной туманности
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
Магнетар в представлении художника
Планеты у нейтронных звезд
На сегодня известно, что у четырех есть планеты. Когда она находится в двойной системе, то возможно измерить ее массу. Из числа таких двоичных систем в радио или рентгеновском диапазоне, измеренные массы нейтронных звезд были примерно в 1.4 раза больше массы Солнца.
Двойные системы
Аккрецирующая нейтронная звезда, схема
Совсем иной тип пульсаров виден в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях, нейтронная звезда и обычная образуют двойную систему. Сильное гравитационное поле тянет материал из обычной звезды.
Материал, падающий на нее в процессе аккреции, нагревается так сильно, что производит рентгеновские лучи.
Импульсные рентгеновские лучи видны, когда горячие пятна на вращающемся пульсаре проходят через луч зрения с Земли.
Для бинарных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация помогает отличить: является ли он нейтронной звездой, или например черной дырой, потому что черные дыры куда более массивные.
Нейтронная звезда
Нейтронная звезда — очень быстро вращающееся тело, оставшееся после взрыва сверхновой звезды.
При диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Такая огромная плотность возникает от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны.
По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и состав, очень похожи на атомные ядра.Но есть существенная разница: в ядрах нуклоны притягивает сильное взаимодействие, а в звездах – сила гравитации.
Что из себя представляет
Для того, чтобы понять, что же из себя представляют эти загадочные объекты мы настоятельно рекомендуем обратиться к выступлениям
Состав нейтронных звёзд
Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.
Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов.
Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во вселенной.
Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.
Магнитное поле
Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин.
Для примера — магнитное поле Земли -1 гаусс, нейтронной звезды — 10 000 000 000 000 гаусс. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиарды раз слабее.
Типы нейтронных звезд
Пульсары
Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»
Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.
Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.
Магнетары
При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз.
Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии.
Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца.
Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.
Рентгеновские пульсары
Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.
Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты.
Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.
При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси и оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.
Миллисекундные пульсары
Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми.
Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается.
Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.
Экзопланеты у нейтронных звезд
Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны, возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.
Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.
На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.
Исследования
Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские источники. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат.
В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них.
А прерывистость линии обозначает период их обращения.
Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.
Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему.
Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства.
Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.
Пульсары
ПодробностиКатегория: Глубины ВселеннойОпубликовано 06.11.2012 14:39Просмотров: 6365
Пульсары – это космические источники радио-, оптического, рентгеновского и/или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).
Поэтому по виду излучения их разделяют на радиопульсары, оптические пульсары, рентгеновские и/или гамма-пульсары. Природа излучения пульсаров пока полностью не раскрыта, модели пульсаров и механизмов излучения ими энергии изучаются теоретически. На сегодняшний день преобладает мнение о пульсарах как о вращающихся нейтронных звездах с сильным магнитным полем.
Открытие пульсаров
Это произошло в 1967 г. Английский радиоастроном Э. Хьюиш и его сотрудники обнаружили идущие как бы из пустого места в космосе короткие радиоимпульсы, повторяющиеся стабильно с периодом не менее секунды. Сначала результаты наблюдений за этим явлением хранились в тайне, т.к.
можно было предположить, что эти импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение – возможно, это сигналы какой-нибудь внеземной цивилизации? Но источника излучения, совершающего орбитальное движение, обнаружено не было, зато группа Хьюиша нашла еще 3 источника подобных сигналов. Таким образом, надежда на сигналы внеземной цивилизации исчезла, и в феврале 1968 г.
в появилось сообщение об открытии быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы с высокостабильной частотой.
Это сообщение вызвало настоящую сенсацию, а в 1974 г. за это открытие Хьюиш получил Нобелевскую премию. Пульсар этот называется PSR J1921+2153. В настоящее время известно около 2 тысяч радиопульсаров, они обычно обозначаются буквами PSR и цифрами, которые выражают их экваториальные координаты.
Что представляет собой радиопульсар?
Астрофизики пришли к общему мнению, что радиопульсар представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения, и в результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара.
Большинство астрономов уверены в том, что пульсары – это крохотные нейтронные звезды с диаметром в несколько километров, вращающиеся с периодами в доли секунды. Их даже называют иногда «звездными волчками».
Из-за магнитного поля излучение пульсара похоже на луч прожектора: когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну радиотелескопа, видны всплески излучения. Сигналы пульсаров на разных радиочастотах распространяются в межзвездной плазме с разной скоростью.
По взаимному запаздыванию сигналов определяют расстояние до пульсара, определяют их расположение в Галактике. Распределение пульсаров приблизительно соответствует распределению остатков сверхновых звезд.
Рентгеновские пульсары
Рентгеновский пульсар представляет собой тесную двойную систему, одним из компонентов которой является нейтронная звезда, а вторым – нормальная звезда, в результате чего происходит перетекание материи с обычной звезды на нейтронную.
Нейтронные звезды — это звезды с очень малыми размерами (20-30 км в диаметре) и чрезвычайно высокими плотностями, превышающими плотность атомного ядра. Астрономы считают, что нейтронные звёзды появляются в результате взрывов сверхновых.
При взрыве сверхновой происходит стремительный коллапс ядра нормальной звезды, которое затем и превращается в нейтронную звезду. Во время сжатия в силу закона сохранения момента импульса, а также сохранения магнитного потока происходит резкое увеличение скорости вращения и магнитного поля звезды.
Таким образом, для рентгеновского пульсара важны именно два этих признака: быстрая скорость вращения и чрезвычайно высокие магнитные поля. Материя, ударяясь о твердую поверхность нейтронной звезды, сильно разогревается и начинает излучать в рентгене.
Близкими родственниками рентгеновских пульсаров являются поляры и промежуточные поляры. Различие между пульсарами и полярами заключается в том, что пульсар — это нейтронная звезда, а поляр — белый карлик. Соответственно, у них ниже магнитные поля и скорость вращения.
Оптические пульсары
В январе 1969 г. район пульсара в Крабовидной туманности был обследован оптическим телескопом с фотоэлектрической аппаратурой, способной регистрировать быстрые колебания блеска. Было отмечено существование оптического объекта с колебаниями блеска, имеющими такой же период, как и радиопульсар в этой туманности.
Этим объектом оказалась звездочка 16-й величины в центре туманности. Она имела какой-то неразборчивый спектр без спектральных линий. Исследуя в 1942 г. Крабовидную туманность, В. Бааде указал на нее как на возможный звездный остаток сверхновой, а И.С.
Шкловский в более поздние годы предполагал, что она является источником релятивистских частиц и фотонов высокой энергии. Но все это были лишь предположения.
И вот звезда оказалась оптическим пульсаром, имеющим одинаковые с радиопульсаром период и интеримпульсы, а физически она должна быть нейтронной звездой, расход энергии которой достаточен для поддержания свечения и всех видов излучений Крабовидной туманности.
После открытия оптического пульсара были проведены поиски и в других остатках сверхновых, особенно в тех, где уже найдены радиопульсары. Но только в 1977 г. австралийским астрономам с помощью специальной техники удалось нащупать пульсацию в оптическом диапазоне исключительно слабой звездочки 25-й величины в остатке сверхновой Паруса X. Третий оптический пульсар нашли в 1982 г. в созвездии Лисички по радиоизлучению. Остатка сверхновой не найдено.
Что же собой представляет оптический пульсар? Центральные компоненты спектральных линий SS 433 показывают перемещения с периодом 13 суток и изменения скорости движения от -73 до +73 км/с.
Видимо, здесь также присутствует тесная двойная система, состоящая из оптически наблюдаемого горячего сверхгиганта классов О или В и невидимого в оптике рентгеновского компонента.
Сверхгигант имеет массу более десяти солнечных, он раздулся до предельных границ собственной зоны тяготения, пополняет своим газом диск, окружающий по экватору вращения рентгеновский компонент. Плоскость диска перпендикулярна оси вращения компактного объекта, каким является рентгеновский компонент, а не лежит в орбитальной плоскости двойной системы.
Поэтому диск и обе газовые струи ведут себя как наклонно вращающийся волчок, причем ось их вращения прецессирует (описывает конус), совершая один оборот за 164 суток (это известное явление прецессии вращающихся тел). Рентгеновский компонент, пожирающий газ диска и выбрасывающий струи, может быть нейтронной звездой.
Гамма-пульсары
Гамма-пульсары относятся к числу самых мощных космических источников гамма-излучения. Астрофизики очень хотят выяснить, каким образом эти нейтронные звезды ухитряются так сильно светить в гамма-диапазоне.
До запуска телескопа Ферми было известно лишь около десятка гамма-пульсаров, в то время как общее число пульсаров составило примерно 1800. Теперь новая обсерватория стала открывать гамма-пульсары десятками.
Ученые надеются, что ее работа дастмножество ценных сведений, которые помогут лучше понять природу гамма-пульсаров и других космическихгенераторов гамма-квантов.
В 2012 г. астрономы обнаружили при помощи орбитального гамма-телескопа “Ферми” быстрейший на сегодня гамма-пульсар в созвездии Центавра, совершающий один оборот за 2,5 миллисекунды и пожирающий при этом останки звезды-компаньона размером с Юпитер.
(Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — < 5·10−3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
На картинке гамма-излучение показано фиолетовым цветом.
Подытожим…
Нейтронные звезды – удивительные объекты. Их в последнее время наблюдают с особенным интересом, т.к. загадку представляет не только их строение, но и огромная их плотность, сильнейшие магнитные и гравитационные поля.
Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Пульсар – это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита.
Если бы на него ничего не падало и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле.
Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, а вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей.
Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 1010-1014 гаусс.
Сравним: земное поле составляет 1 гаусс, солнечное – 10-50 гаусс). Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звездами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды необязательно совпадает с осью ее вращения, то при вращении звезды поток радиоволн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маяка – лишь на миг прорезая окружающую мглу.
Нейтронные звёзды (пульсары) (стр. 1 из 2)
ВСОШ № 115
РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ
ТЕМА РЕФЕРАТА:
«НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ»
(пульсары)
ВЫПОЛНИЛ:
Тряпельников В.А.
11 «А» КЛАСС
МОСКВА
2004
Нейтронные звёзды
Открытие в 1932 году новой элементарной частицы – нейтрона заставило астрофизиков задуматься над тем, какую роль он может играть в эволюции звезд.
Два года спустя было высказано предположение о том, что взрывы сверхновых звезд связаны с превращением обычных звезд в нейтронные.
Затем были выполнены расчеты структуры и параметров последних, и стало ясно, что если небольшие звезды (типа нашего Солнца) в конце своей эволюции превращаются в белых карликов, то более тяжелые становятся нейтронными.
В августе 1967 года радиоастрономы при изучении мерцаний космических радиоисточников обнаружили странные сигналы – фиксировались очень короткие,
длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радио – излучения, повторявшиеся через строго определенный интервал времени (порядка одной секунды). Это было совершенно не похоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных колебаний радиоизлучения.
После тщательной проверки всей аппаратуры пришла уверенность, что импульсы имеют внеземное происхождение.
Астрономов трудно удивить объектами, излучающими с переменной интенсивностью, но в данном случае период был столь мал, а сигналы—столь регулярны, что ученые всерьез предположили, что они могут быть вес-
точками от внеземных цивилизаций. А потому первый пульсар получил название LGM-1 (от английского «Little Green Men» — «Маленькие Зеленые Человечки»!), хотя попытки найти какой – либо смысл в принимаемых импульсах окончились безрезультатно. Вскоре были обнаружены еще три пульсирующих радиоисточника.
Их период опять оказался много меньше характерных времен колебания и вращения всех известных астрономических объектов. Из-за импульсного характера излучения новые объекты стали называть пульсарами. Это открытие буквально всколыхнуло астрономию, и из многих радио обсерваторий начали поступать сообщения об обнаружении пульсаров.
После открытия пульсара в Крабовидной Туманности, возникшей из-за взрыва сверхновой звезды. В1054 году эта звезда была видна днем, (о чем упоминают в своих летописях китайцы, арабы и североамериканцы), стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны с вспышками сверхновых звезд, Скорее всего, сигналы шли от объекта, оставшегося после взрыва.
Прошло немало времени, прежде чем астрофизики поняли, что пульсары — это и есть быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые они так долго искали.
ФИЗИКА ПУЛЬСАРА
Пульсар – это огромный намагниченный волчок, крутящейся во круг оси не совпадающей с осью магнита. Если бы на него не падало и он ни чего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле.
Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, да и вращающееся магнитное поле создаёт огромное по напряжённости электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причём все эти заряженные частицы, носящиеся во круг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля.
И только в пределах не большого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звёзды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими (10-10, 10-14) десять в десятой, десять в четырнадцатой степени ГАУСС, к примеру, земное магнитное поле составляет один(1) ГАУСС, солнечное десять, пятьдесят (10-50) ГАУСС.
) Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звёздами.
Поскольку магнитная ось нейтронной звезды не совпадает с осью её вращения, то при вращении звезды поток радио волн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маячка – лишь на миг прорезая окружающую мглу.
ВСЕСИЛЬНАЯ ГРАВИТАЦИЯ
Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся газовую
туманность.
В итоге от гиганта, во много раз превышавшего размерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около 20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационным полем, в 100 млрд.
раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой, полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтронной звезды – самая плотная форма материи (чайная ложка такого супер ядра весит около миллиарда тонн).
Очень короткий период излучаемых пульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, что это и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиеся с бешеной скоростью.
Только плотные и компактные объекты (размером всего несколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживать такую скорость вращения, не разлетаясь на куски из за центробежных сил инерции.
Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, в десять раз плотнее обычной воды.
Это огромное различие вполне объяснимо – ведь атомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного, но тяжёлого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, так как протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелее электронов.
Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом, рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов.
Сверхплотная ядерная жидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но в нейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению.
Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давление и температура падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Как полагают, состоит она в основном из ядер железа.
ОТКРЫТЫЙ ВОПРОС
Хотя нейтронные звезды интенсивно изучаются уже около трех десятилетий, их внутренняя структура доподлинно не – известна.
Более того, нет твердой уверенности и в том, что они действительно состоят в основном из нейтронов.
С продвижением вглубь звезды давление и плотность увеличиваются, и материя может быть настолько сжата, что она распадается на кварки – строительные блоки протонов и нейтронов.
Согласно современной квантовой хромо динамике кварки не могут существовать в свободном состоянии, а объединяются в неразлучные «тройки» и «двойки».
Но, возможно, у границы внутреннего ядра нейтронной звезды ситуация меняется и кварки вырываются из своего заточения.
Чтобы глубже понять природу нейтронной звезды и экзотической кварковой материи, астрономам необходимо определить соотношение между массой звезды и ее радиусом (средняя плотность).
Исследуя нейтронные звезды со спутниками, можно достаточно точно измерить их массу, но определить диаметр — намного труднее.
Совсем недавно ученые, используя возможности рентгеновского спутника «ХММ – Ньютон», нашли способ оценки плотности нейтронных звезд, основанный на гравитационном красном смещении.
Необычность нейтронных звезд состоит еще и в том, что при уменьшении массы звезды ее радиус возрастает, в результате наименьший размер имеют наиболее массивные нейтронные звезды.
СУДОРОГИ ГИГАНТОВ
Пульсары считаются одной из ранних стадий жизни нейтронной звезды. Благодаря их изучению ученые узнали и о магнитных полях, и о скорости вращения, и о дальнейшей
судьбе нейтронных звезд. Постоянно наблюдая за поведением пульсара, можно точно установить: сколько энергии он теряет, насколько замедляется, и даже то, когда он прекратит свое существование, замедлившись настолько, что не сможет излучать мощные радиоволны. Эти исследования подтвердили многие теоретические предсказания относительно нейтронных звезд.
Уже к 1968 году были обнаружены пульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. Периодичность импульсов радио пульсара выдерживается с удивительной
точностью, и поначалу стабильность этих сигналов была выше земных атомных часов. И все же по мере прогресса в области измерения времени для многих пульсаров удалось
зарегистрировать регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения, и только за миллионы лет можно ожидать увеличения периода вдвое.
Отношение текущей скорости вращения к замедлению вращения — один из способов оценки возраста пульсара.
Несмотря на поразительную стабильность радиосигнала, некоторые пульсары иногда испытывают так называемые «нарушения».
За очень короткий интервал времени (менее 2 минут) скорость вращения пульсара увеличивается на существенную величину, а затем через некоторое время возвращается к той величине, которая была до «нарушения». Полагают, что «нарушения» могут быть вызваны перегруппировкой массы в пределах нейтронной звезды.
Но в любом случае точный механизм пока неизвестен. Так, пульсар «Вела» примерно раз в три года подвергается большим «нарушениям», и это делает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.
МАГНЕТАРЫ
Некоторые нейтронные звезды, названные источниками повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения – SGR, испускают мощные всплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии, выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколько десятых секунды.
Солнце может излучить только за целый год. Четыре известные SGR находятся в пределах нашей Галактики и только один – вне ее.
Эти невероятные взрывы энергии могут быть вызваны «звездо – трясениями» – мощными версиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезд и из
Нейтронная звезда пульсар
Нейтронная звезда пульсар предсказаны теоретиками, в частности, академиком Л. А. Ландау в 1932 году.
Превращения звезд
Звезды не вечны. В зависимости от того, какой была звезда и как протекало ее существование, звезда превратится или в белого карлика, или в нейтронную звезду.
Нейтронная звезда пульсар
Если звезда коллапсирует, то образует черную дыру в пространстве.
Черная дыра
Таковы представления о «смерти» звезд, развитые академиком Я. Б. Зельдовичем и его учениками. Белые карлики известны очень давно.
В течение трех десятков лет вокруг этого предсказания шли споры. Споры, но не поиски. Искать нейтронные звезды средствами наземных обсерваторий было бессмысленно: видимых лучей они, вероятно, не излучают, а лучи других участков электромагнитного спектра бессильны преодолеть броневой щит земной атмосферы.
Вселенная из космического пространства
Поиски начались лишь тогда, когда возникла возможность взглянуть на Вселенную из космического пространства.
В конце 1967 года астрономы сделали сенсационное открытие. В определенной точке неба внезапно загорался и через сотые доли секунды погасал точечный источник радиолучей. Примерно через секунду вспышка повторялась. Эти повторения следовали друг за другом с точностью корабельного хронометра. Казалось, сквозь черную ночь Вселенной наблюдателям подмигивает далекий маяк.
Потом таких маяков стало известно довольно много. Оказалось, что они отличаются друг от друга периодичностью лучевых импульсов, составом излучения. Большинство пульсаров — так назвали эти вновь обнаруженные звезды — имело полную продолжительность периода от четверти секунды до четырех секунд.
Сегодня число известных науке пульсаров составляет около 2000. И возможности новых открытий далеко не исчерпаны.
Пульсары и есть нейтронные звезды. Трудно представить себе какой-то иной механизм, с железной точностью зажигающий и гасящий вспышку пульсара, нежели вращение самой звезды. С одной стороны звезды «установлен» источник излучения, и при каждом обороте ее вокруг оси исторгаемый луч на мгновение падает и на нашу Землю.
Но какие же звезды способны вращаться со скоростью нескольких оборотов в секунду? Нейтронные — и никакие другие.
Наше Солнце, к примеру, совершает один оборот без малого за 25 суток; увеличьте скорость — и центробежные силы попросту разорвут его, разнесут на части.
Восход солнца
Однако на нейтронных звездах, происходит сжатие вещества до плотности, невообразимой в обычных условиях. Каждый кубический сантиметр вещества нейтронной звезды в земных условиях весил бы от 100 тысяч до 10 миллиардов тонн!
Роковое сжатие резко уменьшает диаметр звезды. Если в своей сияющей жизни звезды имеют диаметры в сотни тысяч и миллионы километров, то радиусы нейтронных звезд редко
превосходят 20—30 километров. Такой небольшой «маховик», и к тому же накрепко склепанный силами всемирного тяготения, можно раскрутить и со скоростью в несколько оборотов в секунду — он не развалится.
Нейтронная звезда должна вращаться очень быстро. Видели ли вы, как крутится балерина, поднявшись на одном носке и плотно прижав руки к телу? Но вот она раскинула руки — ее вращение сразу же замедлилось.
Физик скажет: увеличился момент инерции. У нейтронной звезды по мере уменьшения ее радиуса момент инерции, напротив, уменьшается, она как бы «прижимает руки» все ближе и ближе к телу. Скорость ее вращения при этом быстро возрастает. И когда диаметр звезды уменьшится до указанной выше величины, число ее оборотов вокруг оси должно оказаться как раз таким, какое обеспечивает «эффект пульсара».
Физикам очень хотелось бы оказаться на поверхности нейтронной звезды и поставить несколько опытов. Ведь там должны существовать условия, подобных которым нет больше нигде: фантастическая величина гравитационного поля и фантастическая напряженность поля магнитного.
По расчетам ученых, если сжимавшаяся звезда имела магнитное поле весьма скромной величины — в один эрстед (магнитное поле Земли, покорно поворачивающее синюю стрелку компаса на север, равно примерно половине эрстеда), то у нейтронной звезды напряженность поля может достигать и 100 миллионов и триллиона эрстед!
В 20-х годах ХХ века, в период своей работы в лаборатории Э. Резерфорда, известный советский физик академик П. Л. Капица поставил опыт получения сверхсильных магнитных полей. Ему удалось получить в объеме двух кубических сантиметров магнитное поле небывалой напряженности — до 320 тысяч эрстед. Конечно, сейчас этот рекорд превзойден.
Путем сложнейших ухищрений, обрушив на единственный виток соленоида целую электрическую ниагару — мощность в миллион киловатт — и взрывая при этом вспомогательный пороховой заряд, ухитряются получить напряженность магнитного поля до 25 миллионов эрстед.
Существует это поле несколько миллионных долей секунды. А на нейтронной звезде возможно постоянное поле в тысячи раз больше!
Строение нейтронной звезды
Советский ученый академик В. Л. Гинзбург нарисовал довольно подробную картину строения нейтронной звезды.
Поверхностные ее слои должны находиться в твердом состоянии, и уже на глубине километра с повышением температуры твердая кора должна сменяться нейтронной жидкостью, содержащей в своем составе некоторую примесь протонов и электронов, жидкостью удивительнейшей по своим свойствам, сверхтекучей и сверхпроводимой.
Строение нейтронной звезды пульсар
В земных условиях единственный пример сверхтекучей жидкости — это поведение так называемого гелия-2, жидкого гелия, при температурах, близких к абсолютному нулю. Гелий-2 способен мгновенно вытечь из сосуда сквозь мельчайшее отверстие, способен, пренебрегая силой тяжести, подниматься по стенке пробирки вверх.
Сверхпроводимость также известна в земных условиях лишь при очень низких температурах. Как и сверхтекучесть, она — проявление в наших условиях законов мира элементарных частиц.
В самом центре нейтронной звезды, по мнению академика В. Л. Гинзбурга, может находиться не сверхтекучее и не сверхпроводящее ядро.
Два гигантских поля — гравитационное и магнитное, создают вокруг нейтронной звезды своеобразный венец. Ось вращения звезды не совпадает с магнитной осью, это и вызывает «эффект пульсара».
Если представить, что магнитный полюс Земли, (подробнее: Магнитный полюс Земли) находится на месте озера Байкал и что на этом месте установлена антенна радиопередатчика, направленная в зенит, с достаточно узким лучом направленности, то любая область пространства, попадающая в зону «видимости» этого луча, будет периодически получать сигналы передатчика.
Таким образом, нейтронная звезда пульсар излучает узконаправленные потоки радиоизлучения, которые в результате вращения нейтронной звезды попадают в поле зрения наблюдателя через равные промежутки времени.
(Пока оценок нет)
Загрузка…
Астрофизики проследили, как нейтронные звёзды «уходят в тень»
Интернациональная команда астрофизиков, в которую входили российские учёные из Института космических исследований РАН, МФТИ и Пулковской обсерватории РАН, засняла очень быстро угасающее излучение пульсаров после мощных вспышек — переход в так называемый режим пропеллера. Теоретические предсказания этого эффекта были сделаны более сорока лет тому назад, но только сейчас это явление было впервые достоверно зарегистрировано для пульсаров 4U 0115+63 и V 0332+53, излучающих в рентгеновском диапазоне.
Пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 принадлежат к особому типу источников — вспыхивающим (или транзиентным) рентгеновским пульсарам. Они то слабо светятся в рентгеновском диапазоне, то ярко вспыхивают, а то и совсем пропадают.
По тому, как пульсары переходят из одного состояния в другое, можно судить об их магнитных полях и температурах окружающего вещества.
Значения этих параметров столь высоки, что их невозможно получить и измерить напрямую в земных лабораториях.
Название пульсара начинается с буквы, которая обозначает первую нашедшую его обсерваторию, а затем идут цифры — координаты пульсара. «V» — это спутник Vela 5B, военный американский спутник, предназначенный для слежения за территорией СССР.
«4U», в свою очередь, расшифровывается, как «4-й каталог UHURU», первой специализированной рентгеновской обсерватории на орбите.
А когда открыли первый пульсар, его изначально назвали LGM-1, от «little green men» («маленькие зелёные человечки»): он посылал радиоимпульсы через равные промежутки времени, и исследователи решили, что это может быть сигнал от разумных цивилизаций.
Рентгеновский пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с сильным магнитным полем. Нейтронная звезда может образовывать пару с обычной звездой и перетягивать на себя её газ — астрофизики называют это аккрецией.
Газ спиралью закручивается вокруг нейтронной звезды, образуя аккреционный диск, и тормозится на границе магнитосферы нейтронной звезды. Вещество при этом немного проникает внутрь магнитосферы, «вмораживается» в неё и стекает по магнитным линиям к полюсам.
Падая на магнитные полюса, оно разогревается до сотен миллионов градусов и излучает в рентгеновском диапазоне.
Так как магнитная ось нейтронной звезды находится под углом к оси вращения, рентгеновские лучи вращаются подобно лучам маяка и «с берега» выглядят как повторяющиеся сигналы с периодом от тысячных долей секунды до нескольких минут.
Нейтронная звезда — один из возможных остатков от вспышки сверхновой звезды. В конце эволюции некоторых звёзд их вещество из-за гравитации сжимается настолько сильно, что электроны фактически сливаются с протонами и образуют нейтроны. Магнитное поле нейтронной звезды может превышать максимально достижимое на Земле в десятки миллиардов раз.
Двойная система с обычной звездой, заполнившей свою полость Роша
Чтобы в системе из двух звёзд наблюдался рентгеновский пульсар, материя должна перетекать с обычной звезды на нейтронную.
Обычная звезда при этом может быть гигантом или сверхгигантом и обладать мощным звёздным ветром, то есть выбрасывать в космос много вещества.
Или это может быть небольшая звезда наподобие Солнца, которая заполнила свою полость Роша — область, за границей которой вещество уже не удерживается силой притяжения этой звезды и перетягивается гравитацией нейтронной звезды.
Рентгеновские пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 излучают так нестабильно (т. е. демонстрируют вспышки излучения), потому что у каждого из них довольно необычная звезда-компаньон — звезда класса Ве. Ве-звезда вращается вокруг своей оси настолько быстро, что время от времени у неё «поднимается юбка» — вдоль экватора образуется и растёт газовый диск — и звезда заполняет полость Роша.
Газ начинает стремительно аккрецировать на нейтронную звезду, интенсивность её излучения резко возрастает, происходит вспышка. Постепенно «юбка» изнашивается, аккреционный диск истощается, и вещество уже не может падать на нейтронную звезду из-за влияния магнитного поля и центробежных сил. Возникает так называемый «эффект пропеллера».
В таком режиме аккреция не происходит и рентгеновский источник пропадает.
С помощью рентгеновского телескопа на космической обсерватории Swift российские учёные смогли измерить пороговую интенсивность излучения, то есть, светимость, ниже которой пульсар переходит в «режим пропеллера». Эта величина зависит от магнитного поля и от периода вращения пульсара.
Период вращения исследуемых источников известен по измерению времени прихода излучаемых ими импульсов — 3,6 сек для 4U 0115+63 и 4,3 сек для V 0332+53, что позволило рассчитать напряжённость магнитного поля. Результаты совпали со значениями, полученными другими методами.
Однако светимость пульсаров упала не в 400 раз, как ожидалось, а всего лишь в 200 раз.
Авторы предположили, что либо нагретая вспышкой поверхность нейтронной звезды охлаждается и тем самым служит дополнительным источником излучения, либо эффект пропеллера не может полностью заблокировать перетекание вещества от обычной звезды и существуют другие каналы «утечки».
Переход в режим пропеллера является очень трудно уловимым, поскольку в этом режиме пульсар почти не излучает.
Во время прошлых вспышек источников 4U 0115+63 и V 0332+53 уже была попытка поймать этот переход, но из-за низкой чувствительности доступных на тот момент приборов «выключенное состояние» засечь не удалось.
Достоверное подтверждение тому, что эти пульсары действительно «выключаются», получено только сейчас. Более того, показано, что информация о переходе в «режим пропеллера» может быть использована для определения напряжённости и структуры магнитного поля нейтронных звёзд.
Александр Лутовинов, профессор РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в Институте космических исследований РАН и преподаватель МФТИ поясняет: «Одним из фундаментальных вопросов образования и эволюции нейтронных звёзд является структура их магнитных полей.
В процессе исследования мы определили для двух нейтронных звёзд дипольную составляющую магнитного поля, которая как раз отвечает за эффект пропеллера.
Мы показали, что эту независимо полученную величину можно сравнить с величиной магнитного поля, уже известной по измерениям циклотронных линий, и таким образом оценить вклад других составляющих более высокого порядка, которые входят в структуру поля». Результаты измерений, расчёты и выводы опубликованы в журнале .