Радиотелескоп FAST обнаружил новый миллисекундный пульсар. Авторы и права: Pei Wang / NAOC.

Пульсар – это космический объект, который испускает мощное электромагнитное излучение в радиодиапазоне, характеризующееся строгой периодичностью. Энергия, высвобождаемая в таких импульсах, является небольшой частью всей энергии пульсара. Абсолютное большинство обнаруженных пульсаров находятся в Млечном Пути. Каждый пульсар испускает импульсы с определённой частотой, которая составляет от 640 пульсаций в секунду до одной – каждые пять секунд. Периоды основной части таких объектов находятся в пределах от 0,5 до 1 секунды. Исследования показали, что периодичность импульсов увеличивается на одну миллиардную секунды каждые сутки, что в свою очередь объясняется замедлением вращения в следствии излучения звездой энергии.

Первый пульсар был открыт Джоселин Белл и Энтони Хьюишем в июне 1967 года. Обнаружение такого рода объектов не было предсказано теоретически и стало большим сюрпризом для учёных. В ходе исследований астрофизики обнаружили что такие объекты должны состоять из весьма плотного вещества. Такой гигантской плотностью вещества обладают только массивные тела, например, звёзды. В следствии громадной плотности ядерные реакции проходящие внутри звезды превращают частицы в нейтроны, именно поэтому эти объекты именуются нейтронными звёздами.

Большинство звёзд имеют плотность немного больше чем у воды, ярким представителем тут является наше Солнце, основным веществом в котором является газ. Белые карлики по массе равны Солнцу, однако имеют меньший диаметр, в следствии чего их плотность составляет примерно 40 т/см 3 . Пульсары по массе сопоставимы с Солнцем, но их размеры весьма миниатюрны – примерно 30 000 метров, что в свою очередь увеличивает их плотность до 190 млн. т/см 3 . С такой плотностью Земля имела бы диаметр примерно 300 метров. Вероятнее всего пульсары появляются после взрыва сверхновой, когда оболочка звезды исчезает, а ядро сжимается в нейтронную звезду.

Лучше всего на сегодняшний день изучен пульсар PSR 0531+21, который находится в Крабовидной туманности. Этот пульсар совершает 30 оборотов в секунду, индукция его магнитного поля составляет тысячу Гаусс. Энергия этой нейтронной звезды в сто тысяч раз больше, чем энергия нашей звезды. Вся энергия делится на: радиоимпульсы (0,01%), оптические импульсы (1%), рентгеновское излучение (10%) и низкочастотное радиозлучение / космические лучи (остальное).

Пульсар PSR B1957 + 20 находится в двойной системе. Авторы и права: Dr. Mark A. Garlick; Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto.

Продолжительность радиоимпульса у стандартной нейтронной звезды составляет тридцатую часть от времени между пульсациями. Все импульсы у пульсара значительно отличаются друг от друга, однако общая форма импульса конкретного пульсара свойственна только ему и одинакова на протяжении десятков лет. Эта форма может рассказать очень много всего интересного. Чаще всего любой импульс делится на несколько субимпульсов, которые в свою очередь делятся на микроимпульсы. Размер таких микроимпульсов может доходить до трёхсот метров, а испускаемая ими энергия равна солнечной.

На данный момент пульсар представляется учеными как вращающаяся нейтронная звезда, имеющая мощное магнитное поле, которое захватывает ядерные частицы вылетающие с поверхности звезды и затем ускоряет их до колоссальных скоростей.

Пульсары состоят из ядра (жидкое) и коры толщина которой равна примерно одному километру. В следствии этого нейтронные звёзды больше похожи на планеты нежели на звёзды. Из-за скорости вращения пульсар имеет сплюснутую форму. Во время импульса нейтронная звезда теряет часть своей энергии, и в результате её вращение замедляется. Из-за этого замедления в коре нарастает напряжение и затем кора ломается, звезда становится немного более круглой – радиус уменьшается, а скорость вращения (из-за сохранения момента) увеличивается.

Расстояния до обнаруженных на сегодняшний день пульсаров варьируются в пределах от 100 световых лет до 20 тысяч.

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 , 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:

Астрономы изучали небесный покров с незапамятных времен. Однако, только со значительным скачком в развитии технологий, ученым удалось обнаружить такие объекты, которых у прежних поколений астрономов не было даже в воображении. Одними из них стали квазары и пульсары.

Несмотря на громадные расстояния до этих объектов, ученым удалось изучить их некоторые свойства. Но несмотря на это, они скрывают еще очень много нераскрытых тайн.

Что такое пульсары и квазары

Пульсар, как выяснилось – это нейтронная звезда. Его первооткрывателями стали Э.Хьюиш и его аспирант Д.Белл. Им удалось обнаружить импульсы, представляющие собой потоки излучения узкой направленности, которые становятся видны через определенные временные промежутки, поскольку этот эффект происходит за счет вращения нейтронных звезд.

Значительное уплотнение магнитного поля звезды и самой ее плотности происходит при ее сжатии. Она может уменьшиться до размеров в несколько десятков километров, и в такие моменты вращение происходит с невероятно большой скоростью. Эта скорость в некоторых случаях достигает тысячных долей секунды. Отсюда и получаются электромагнитные излучаемые волны.

Квазары и пульсары можно назвать самыми необычными и загадочными открытиями астрономии. Поверхность нейтронной звезды (пульсара) обладает меньшим давлением, нежели ее центр, по этой причине происходит распад нейтронов на электроны и протоны. Электроны разгоняются до неимоверных скоростей за счет наличия мощного магнитного поля. Порой эта скорость достигает скорости света, следствием чего является выброс электронов от магнитных полюсов звезды. Два узких пучка электромагнитных волн – именно так выглядит перемещение заряженных частиц. То есть электронами в сторону своего направления испускается излучение.

Продолжая перечисление необычных явлений, связанных с нейтронными звездами, следует отметить их внешний слой. В этой сфере встречаются пространства, в которых ядро не может быть разрушено по причине недостаточной плотности вещества. Следствием этого является покрытие самой плотной корой за счет образования кристаллической структуры. В итоге накапливается напряжение и в определенный момент эта плотная поверхность начинает трескаться. Этот феномен ученые прозвали «звездотрясением».

Пульсары и квазары остаются полностью неизученными. Но если удивительные исследования поведали нам о пульсарах или т.н. нейтронных звездах много нового, то квазары держат астрономов в напряжении неизведанности.

Впервые мир узнал о квазарах в 1960 году. Открытие гласило, что это объекты с небольшим угловыми размерами, которым свойственна высокая светимость, а по классу они относятся к внегалактическим объектам. По той причине, что они обладают довольно маленьким угловым размером, многие годы считалось, что это просто звезды.

Точного количества обнаруженных квазаров неизвестно, но в 2005 году проводились исследования, в которых насчитывалось 195 тысяч квазаров. Пока ничего доступного для объяснения о них неизвестно. Существует масса предположений, однако ни одно из них не имеет каких-либо подтверждений.

Астрономы выяснили только то, что за временной отрезок менее 24 часов их блеск отмечает достаточную переменность. По этим данным можно отметить их относительно небольшой размер области излучений, который сопоставим с размерами Солнечной системы. Найденные квазары существуют и на расстоянии до 10 миллиардов световых лет. Разглядеть их удалось по причине их высочайшего уровня светимости.

Самый близкий подобный объект к нашей планете расположился приблизительно на отметке в 2 миллиарда световых лет. Возможно, грядущие исследования и используемые в них новейшие технологии предоставят человечеству новые познания о белых пятнах открытого космоса.

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.

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.

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.

Магнетары

Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.

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

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 - весьма странный объект при диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Что же это за объекты? О них и пойдет речь в статье.

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.

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

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.