Пульсары


	Загрузить архив:
	Файл: pulsars.zip (21kb [zip], Скачиваний: 78) скачать

2Р Е Ф Е Р А Т

2по астрономии

2Тема: " Пульсары "

2Ученика XX класса X

2Ивaновa Ивaнa

2г. МОСКВА, 1995 г.

3С О Д Е Р Ж А Н И Е.

1. Новый радиотелескоп в Кембридже.

2. Открытие первого пульсара (рассказывает Джоселин Белл).

3. Пульсары имеет малые размеры.

4. Можно ли увидеть пульсары ?

5. Пульсар в Крабовидной туманности - видимая звезда.

6. Что такое пульсары ?

7. Томас Голд объясняет пульсары.

8. Вопросы на которые нет ответов.

а) действительно ли пульсары нетронные звезды.

б) есть ли у пульсаров планеты.

в) как образуются пульсары.

_2Пульсары.

Сообщение, опубликованное в феврале 1968 года в английском

журнале "Nature", было столь удивительно, что его тут же подхва-

тила вся мировая пресса.Группа ученых Кембриджа,руководимая

Энтони Хьюишем, извещала о том, что ей удалось принять радиосиг-

налы из глубин вселенной.

После второймировой войны начался расцвет радиоастроно-

мии. Космический газ - межзвездное вещество - обладаетспособ-

ностью испускатьипоглощать излучения в области радиочастот.

Подобно свету,это излучение проходит сквозь земную атмосферу и

может служить дополнительным источником информации о Вселенной.

Исследуя космическое радиоизлучение,можнополучатьсведения о

свойствах межзвездного вещества в нашей Галактике; удается также

принимать и анализироватьрадиоизлучениемежзвездного газав

других звездных системах. Галактики, дающие особенно интенсивное

радиоизлучение,получили название радиогалактик.

Приходящее к нам радиоизлучение испытывает влияние вещества,

выбрасываемого Солнцем и движущегося в межпланетном пространстве

к границам Солнечной системы.Наблюдаемые из-за этого временные

флуктуациирадиоизлученияво многомподобнымерцанию света

звезд, обусловленномудвижениямивоздушных масс в атмосфере.

Именно для исследования подобныхфлуктуаций, обусловленных

межпланетным веществом, и был предназначен радиотелескоп, строи-

тельство которого было начато в Кембридже в 60-е годы. На площа-

ди в два гектара было установлено более двух тысяч отдельных ан-

тенных элементов. Поскольку с помощью этого антенного поля пред-

полагалосьисследовать флуктуацииизлучениярадиоисточников,

вызванные солнечным ветром,приемное устройство было рассчитано

на регистрациюбыстрыхизменений приходящего радиоизлучения.

Прежние радиотелескопы не давали такой возможности,и поэтому

кембриджский радиотелескоп как будто специально был приспособлен

для открытия быстропеременных сигналов от пульсаров -открытие,

которое отодвинуло на второй план ту задачу, ради которой радио-

телескоп был построен:исследования флуктуацийрадиоизлучений,

обусловленых солнечным ветром.

Поскольку поворачивать гигантскую антенну невозможно, подоб-

ный радиотелескоппринимает радиоизлучение из узкой полосы не-

- 2 -

бесной сферы, которая проходит над антенной радиотелескопа, пока

Земля совершает свое суточное вращение.В июле 1967 года строи-

тельство было закончено и начались наблюдения. Круглые сутки ре-

гистрировалась интенсивность приходящего радиоизлучения с длиной

волны 3.7 метра. За неделю на 210 метрах диаграммной ленты само-

писец рисовал кривые интенсивности излучения от 7 участков неба.

Усилия были направлены на поиск стабильных радиоисточников,из-

лучения которых"мерцают",взаимодействуя с солнечным ветром.

Наблюдениями на телескопе итрудоемкой обработкойрезультатов

занималасьаспирантка ДжоселинБелл.Ее интересовали быстрые

флуктуации радиоизлучений от космических источников,попадающих

в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.

Девять лет спустя Джоселин Белл в своейречина одномиз

приемов вспоминала о том времени, когда она под руководством Хь-

юиша работала в Кембридже над диссертацией.Она рассказывалао

выходящей из-под пера самописца нескончаемой ленте,которую ей

приходилось просматривать. После первых трех десятков метров она

научилась распознавать радиоисточники, мерцающие из-за солнечно-

го ветра, и отличать их от радиопомех земного происхождения.

"Через шесть или восемь недель после начала исследований я обра-

тила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированно-

го самописцем.Эти отклонения не очень походили на мерцания ра-

диоисточника;не были они похожи и на земные радиопомехи. Кроме

того, мневспомнилось,что подобныеотклонениямне однажды

встречались и раньше,когда регистрировалось излучение от этого

же участка неба." Дж. Белл хотела вернуться к этой записи, но ее

задержали другие дела.Только в концеоктября 1967годаона

вновь занялась этим явлением и попыталась записать сигнал с бо-

лее высоким временным разрешением.Однако источник на этотраз

найти не удалось: он вновь дал о себе знать лишь к концу ноября.

"На ленте,выходящей из-под пера самописца,я видела, что

сигнал состоит из ряда импульсов.Мое предположение о том,что

импульсы следуют один за другим через одинаковые промежутки вре-

мени, подтвердилосьсразу же,как только лента была вынута из

прибора. Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть

секунды ( см. рис.1 ). Я тотчас же связалась с Тони Хьюишем, ко-

торый читал в Кембридже лекцию для первокурсников.Первой реак-

цией его было заявить, что импульсы - дело рук человеческих. Это

- 3 -

- 4 -

было естественно при данных обстоятельствах.Однакомне поче-

му-то казалось возможным,что сигнал может идти и от какой-ни-

будь звезды.Все-таки Хьюиш заинтересовался происходящимина

другой день пришел на телескоп как раз в то время,когда источ-

ник входил в поле зрения антенны - и сигнал, к счастью, появился

снова."Источник со всей очевидностью имел неземное происхожде-

ние, поскольку сигнал появлялся каждый раз когда телескоп оказы-

вался на этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели

так, как будто их посылают люди.Быть может, это представители

неземной цивилизации ? Едва ли, в прочем, сигнал шел от планеты,

обращающейся вокруг звезды.В этом случае расстояние междусо-

седними импульсами изменялось бы сообразно с периодом обращения

планеты, поскольку расстояние до радиоисточника было бы непосто-

янно. "Незадолго до Рождества я предложила Тони Хьюишу выступить

на конференции и на самом высоком научном уровне поставитьвоп-

рос о том,каким образом следует истолковать эти результаты. Мы

не верили,что сигналы посылает какая-то чужая цивилизация, од-

нако такое предположение однажды высказывалось,и у нас не было

доказательств, что мы имеем дело с радиоизлучением естественного

происхождения.Если же допустить,что где-то во вселенной нами

были обнаружены живые существа,то возникала любопытная пробле-

ма: какследуетобнародовать эти результаты,что бы это было

сделано со всей ответственностью ? Кому первому сообщить об этом

? В тот день мы так и не решили эту проблему: я отправилась до-

мой в полной растерянности. Мне нужно было писать свою диссерта-

цию, атут откуда-то взялись эти окаянные "зеленые человечки",

которые выбрали именно мою антенну и рабочую частотутелескопа,

чтобы установитьсвязьс землянами. Подкрепившись ужином,я

вновь отправилась в лабораторию, чтобы проанализировать еще нес-

колько лент. Незадолго до закрытия лаборатории я просматривала

запись, относящуюся к совершенно к другому участку неба и на фо-

не сигнала от мощного радиоисточника Кассиопея А заметила знако-

мые возмущения.Лаборатория закрывалась,и мне пришлосьидти,

однако я знала,что именно этот участок неба рано утром будет в

поле зрения телескопа.Из-за холода что-то испортилось в прием-

ном устройстве нашего телескопа.Конечно, так всегда и бывает !

Однако я пощелкала выключателем,побранилась, посокрушалась, и

минут пятьустановкаработала нормально.И это были те самые

- 5 -

пять минут,когда появились возмущения.На этот раз возмущения

имели видимпульсов,следующих через 1,2 секунды.Я положила

ленты на стол Тони и отправиласьпраздновать Рождество.Какая

удача ! Было совершенно невероятно, чтобы "зеленые человечки" из

двух разных цивилизаций выбрали одну и ту же волну и то же время

для посылки сигналов на нашу планету".

Вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара,а в конце

января 1968 года было послано сообщение в журнал "Nature". В нем

шла речь о первом пульсаре.

Более всего пульсары поразили астрономов тем,что интенсив-

ность их излучения изменяласьчрезвычайно быстро.Унаиболее

быстрых переменных звезд период,с которым изменяется их блеск,

может составлять один час или того меньше.Блеск белого карлика

в двойной звездной системе Новой 1934 года в созвездии Геркулеса

изменяется с периодом 70 секунд - но пульсары оставили этотре-

корд далеко позади. На это указывали и исследования, проведенные

в последующие месяцы: с чем более высоким временным разрешением

регистрировалисьимпульсы, тем яснее просматривалось их тонкая

структура,показывавшая, что интенсивности радиоизлучений изме-

няется за десятитысячные доли секунды. ( рис. 2 ).

По скорости изменения интенсивности излучения можнооценить

размеры той области пространства,из которой оно исходит. Расс-

мотрим для простоты полусферу, удаленную от наблюдателя на столь

большое расстояние, что и невооруженным глазом, и в телескоп оно

выглядит просто точкой ( рис.3 ). Пусть на поверхностисферы

происходит очень короткая вспышка света.Что же видит удаленный

наблюдатель ?Излучение распространяется от сферы соскоростью

света. Посколькурасстояниеот наблюдателя до различных точек

сферы не одинаково,излучение, одновременноиспущенноевсеми

точками сферы, приходит к наблюдателю в различные моменты време-

ни: вначале поступает сигнал от центра "видимого диска", который

ближе всего к наблюдателю,затем от окружающей его области,и,

наконец, от краев.Таким образом,регистрируемый наблюдателем

импульс "размазывается" - он имеет большую длительность, чем ис-

ходный короткий импульс света. Продолжительность импульса увели-

чивается на то время,за которое свет проходит расстояние, рав-

ное радиусу сферы.Сказанное можно распространить не толькона

- 6 -

- 7 -

короткие световые импульсы, но и на любые изменения яркости све-

чения сферы,поскольку сигнал, соответствующий, как уменьшению,

так иувеличению яркости,доходит до наблюдателя от различных

точек сферы за неодинаковое время."Размазывание" сигнала будет

наблюдаться и в том случае,когда форма излучающего объекта от-

личается от сферической.

Таким образом,если регистрируемые изменения яркости источ-

ника происходят,скажем, за десятитысячные доли секунды, то из

этого следует,что размеры источника не могут быть существенно

больше того расстояния,которое свет проходит за это время,то

есть 30 км.Если бы источник имел большие размеры, то изменения

яркости "размазывались" бы на более длительное время. В пределах

одного импульса интенсивность изменяется в течение одной десяти-

тысячной доли секунды; это видно по крутым фронтам зубцов на ри-

сунке 2. Поскольку радиоизлучение распространяется со скоростью

света, из этого можно заключить, что объект, от которого исходит

импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километ-

ров. Подобные размеры чрезвычайно малы по сравнению стеми, с

которыми мы привыкли иметь дело во Вселенной. Диаметр белых кар-

ликов составляет несколько десятковтысяч километров;диаметр

Земли равен примерно 13 тыс.км. Таким образом, сигналы пульса-

ров несут сведения о том, насколько малы те области пространства

во вселенной, из которых исходит это чрезвычайно интенсивное ра-

диоизлучение.

Вскоре из разных мест земного шара стали поступать сообщения

о вновь открываемых пульсарах.Сегодня их известно более трех-

сот. Периоды их лежат в пределах от0,0016секунд (уPSR

1937+21 ) до 4,3 секунды ( у PSR 1845-19 ). Буквы PSR обозначают

слово "пульсар", далее даются прямое восхождение в часах ( 195h 0)

и минутах(375m0) и склонение в градусах ( -195о0 ).Известно

шестнадцать пульсаров, периоды которых менее 12 миллисекунд.

Самый далекий пульсар находится на расстоянии 1,3 кпк. Самый

близкий пульсар отдален от Земли примерно на 60 пк (вдесятки

раз дальше, чем ближайшие звезды ), а самый далекий зафиксирован

на расстоянии около 25 кпк,т.е. далеко за центромГалактики.

Естественно предположить, что пульсары образуются и в других га-

- 8 -

лактиках. Пока открыли по одному короткопериодическомупульсару

в Большом и Малом Магеллановых Облаках. Девятнадцать пульсаров

найдено в шаровых скоплениях.

Хотя по форме отдельные импульсы не вполне повторяют друг

друга, период пульсара отличается высоким постоянством.Иногда

импульсы пропадают, но после возобновления приема следуют в точ-

ности в прежнем ритме.

Впоследствии удалось записать отдельные импульсы с более вы-

соким разрешением. При этом выяснилось, что они обладают еще бо-

лее тонкой структурой,чем показано нарисунке2. Рекордная

быстрота измененияинтенсивностисоставляет 0.8*105-60 секунды.

Это означает,что излучение исходит из области,не превышающей

250 метров в поперечнике.

Уже в первый год после открытия пульсаров обнаружилось,что

период многих из них постепенно увеличивается: со временем пуль-

сары становятся "медленнее". Однако частота следования импульсов

изменяетсяочень незначительно:чтобы период пульсара удвоился

должно пройти примерно 10 млн.лет.

Что же представляют собой пульсары ? Находятся ли они вблизи

Солнечной системы или также далеки от нас,как другие галактики

? Легковидеть,что пульсары располагаются среди звезд нашего

Млечного Пути.Мы уже знаем, что светлая полоса Млечного Пути,

которую мы видим на небе,это множество звезд,расположенных в

нашей Галактике.Особенно много звезд удаетсяразличить, если

смотреть по направлению к центру Галактики. Если нанести на кар-

ту звездного неба все известные пульсары,то они окажутся расп-

ределенными среди звезд нашей галактики, преимущественно в райо-

не Млечного Пути ( рис. 4 ).

Таким образом,пульсары распределены в пространстве так же,

как и звезды:они равномерно размещаются среди звезд.Это зна-

чит, что проходит не одна тысяча лет, пока сигналы от нескольких

пульсаров достигнут земных радиотелескопов.Соответственно, из-

лучения пульсаров должно иметь невероятную интенсивность,чтобы

его, несмотря на гигантские расстояния, можно было зарегистриро-

вать на Земле. И эта энергия исходит из области, диаметр которой

не превышает 250 метров ! Как только был открыт первый пульсар и

его местонахождениянанебесной сфере было точно определено,

этот участок небастали исследовать оптическимителескопами.

- 9 -

- 10 -

Звезда, координаты которой попали в область, указанную радиоаст-

рономами, оказалась самой обыкновенной.По всей видимости, она

не имеланичего общего с приходящим по этому направлению ради-

оизлучением. Сам же пульсар оставался невидимым.

Осенью 1968года былиобнаружены сигналы с периодом всего

лишь 0.03 секунды от пульсара в Крабовидной туманности.Сигналы

пульсара шли из облака,образованного остатками Сверхновой 1054

года, отмеченной в китайских и японских летописях.Нельзяли

отождествить с пульсаром какой-либо из звездно подобных объектов

Крабовидной туманности ?

Как жеопределить, является ли невидимая звезда источником

пульсирующего радиоизлучения или нет ?Быть может,оптическое

излучение от звезды тоже пульсирует ? Однако человеческий глаз

неспособен заметить пульсации света от столь слабогоисточника.

Неособенно выручает и фотографические методы:в том месте,где

на фотопластинку попадает свет звезды она засвечивается внеза-

висимости оттого,пульсирует попадающий на нее свет или нет.

Поэтому, чтобы выявить пульсации видимого излучениязвезды,

приходитсяприменят специальные методы.С телескопом соединяют

телевизионную камеру, и оптическое изображение передается на два

телеэкрана ( рис.5 ). Период импульсов радиоизлучения нам уже

известен; в течение одной половины периода изображение поступает

на экран А, а в течение другой половины - на экран В. Если види-

мое излучение объекта пульсирует в том же ритме,что и радиоиз-

лучение, то может в принципе получиться так, что импульс будет

всегда наблюдаться на экране А, а на экране В изображение посту-

пает в те промежутки, когда импульса нет. Те источники, свет ко-

торых пульсирует с иной периодичностью, будут иметь на обоих эк-

ранах одинаковую яркость.Остается, таким образом, только срав-

нить изображения на двух экранах,чтобы выяснить, не изменяется

ли видимая яркость какой-либо звезды с тем же периодом,что ра-

диоизлучение.

То,что пульсарв Крабовиднойтуманности- видимая звезда

удалось обнаружить описанным выше методом.Используемая аппара-

тура работала по аналогичному принципу, только исследовался не

весь участок неба сразу,а каждая звезда по отдельности. Вместо

того чтобы наблюдать звезду на нескольких телеэкранах,ее свет

направляли поочередно на счетчики фотонов в соответствии с пери-

- 11 -

- 12 -

одом пульсара Крабовидной туманности.Схема подобного измерения

иллюстрируется на рис.6.Если свет звезды не пульсирует, то все

счетчики отмечаютпримерноодинаковое число световых квантов.

Если же от звезды идут вспышки с той же периодичностью,что и у

сигналов пульсара, то будут срабатывать те счетчики, которые за-

действованы в момент прихода световогоимпульса;остальные же

датчики ничегоне регистрируют.Таким образом,за достаточно

долгое время показания счетчиков,на которые приходится "актив-

ная" доля периода, будут большими, а показания остальных счетчи-

ков, в которые попадает лишь фоновый свет от темного ночного не-

ба, остаются почти на нуле. Как говорят, подобная система счет-

чиков "накапливает" импульс.

В ноябре 1968 года два молодых астронома,Уильям Джон Кок и

Майкл Дисней,решили провести три ночных дежурства на 90-санти-

метровом телескопе обсерватории Стюарда в Тусоне ( штат Аризона

). Ни тот ни другой не имели еще опыта астрономических наблюде-

ний, ионихотели воспользоваться ночными дежурствами,чтобы

познакомиться с работой на телескопе.Они еще размышляли о том,

что именнобудутнаблюдать, когда в начале декабря в журнале

"Science" появилось сообщение об открытии пульсара в Крабовидной

туманности. Это натолкнуло молодых астрономов на мысль попытать-

ся обнаружить видимое излучение пульсара, тем более, что необхо-

димая для этого электронная аппаратура уже имелась в институте.

Дональд Тейлор построил эту аппаратуру для совершенно других це-

лей и воспользовался ею как "приданым",чтобы быть включенным в

группу наблюдателей. Итак, в отношении техники все было в поряд-

ке. И хотя никаких гарантий успеха не было - никому ведь еще не

удавалось отождествить пульсар с видимой звездой,- Кок иДисней

имели возможность познакомиться с работой на телескопе, а Тейлор

- испытать свои приборы.

К началуянваря измерительная аппаратура была смонтирована

на горе Китт-Пик ( в 70 км от города Тусона ),и 11 январяте-

лескоп был впервые направлен на Крабовидную туманность. Для каж-

дой звезды измерения проводились в течение 5000 периодов пульса-

ра, причем за каждый период световой сигнал распределялся после-

довательно между несколькими счетчиками.Но ниодна звездав

исследованнойобласти не давала накопления импульса на счетчи-

ках, и 12 января Тейлор вернулся в Тусон. Помогать Коку и Диснею

- 13 -

остался Роберт Мак-Каллистер,обслуживающий электронную аппара-

туру. 12 января погода начала портиться, а результатов всене

было. Ещедвеночи, отведенные на это исследование, пропали

из-за плохой погоды,и все предприятие, казалось, было обречено

на неудачу.

Как часто все решает случай !Уильям Тиффт -наблюдатель,

чье дежурство начиналось с 15 января, уступил незадачливым но-

вичкам ночи 15 и 16 января,чтобы онисмогливновь попытать

счастья. Здесьпредоставим слово самому Диснею.

"Пятнадцатого днем было облачно,но к вечеру небопроясни-

лось. Мы начали ровно в 20 часов. Тейлор был еще в Тусоне; Кок и

я сменяли друг друга у телескопа,а Мак-Каллистер работал с ап-

паратурой Тейлора.Для начала мы сделали замер от темного неба,

в стороне от звезд.Для следующего измерения мы выбрали звезду,

которую Вальтер Бааде обозначил как центральную звезду Крабовид-

ной туманности.Всего тридцать секунд потребовалосьдля того,

чтобы прибор показал нарастающее накопление импульса на счетчи-

ках. Заметен был и слабый вторичный импульс, отстоящий от глав-

ного примерно на половину периода;он был значительно шире и не

такой высокий.В то время как Мак-Каллистер продолжалспокойно

обслуживать аппаратуру, мы с Коком поминутно переходили от исте-

рического возбуждения к глубочайшей депрессии.Действительно ли

это пульсарилипросто какие-то ложные аппаратурные эффекты?

Ведь частота пульсара была в точности равна половинепромышлен-

ной частоты переменного тока в США. Но при повторном измерении

импульс вновь появился во всей своей красе, и настроение под ку-

полом обсерватории поднялось.

В 20.30,через полчаса посленачала наблюдений,позвонил

Тейлору. Онотнессяк моему сообщению скептически и предложил

изменить кое-что в аппаратуре, чтобы устранить возможные ошибки.

Лишь на следующую ночь,наблюдая своими глазами за накоплением

импульса, он перестал сомневаться.

В 1.22появились облака.Наблюдения были окончены.У трех

наблюдателей в обсерватории не было ни малейшего сомнения в том,

что им посчастливилось открыть первый оптический пульсар".

Теперь и другие астрономы стали искать подтвержденияоткры-

тия.

После открытия пульсара в Крабовидной туманности стало ясно,

- 14 -

что пульсарыкаким-тообразом связаны со взрывами сверхновых.

По-видимому,сигналы пульсары идут от того объекта, который ос-

тается на месте взрыва сверхновой. Это предположение подтвержда-

ется и другим пульсаром,излучение которого исходит из области,

где наличиегазовыхмасс указывает на происшедший ранее взрыв

сверхновой.Этот взрыв, по всей вероятности, произошелочень

давно, задолго до аналогичного события в Крабовидной туманности.

В созвездии Паруса разлетающиеся газовые массы выглядятужене

как компактное пятно,а как отдельные "нити",имеющие большую

протяженность.Период этого пульсара на 0,09 секунды больше пе-

риода пульсаравКрабовидной туманности.Это третий из самых

быстрых известных пульсаров.( После открытия миллисекундныхра-

диопульсаровего место 5-6).С самого начала велся поиск этого

объекта в видимой области спектра.Но успеха удалосьдобиться

лишь в 1977 году: письмо, полученное 9 февраля редакцией журнала

"Nature", в котором говорилось об отождествлении пульсара в соз-

вездии Паруса с видимой звездой,было подписано двенадцатью ав-

торами. Отметим, что наряду с этими двенадцатью учеными, работа-

ющими в Англии и Австралии,в предшествующие восемь лет многие

астрономы на лучших телескопах мира занимались поискамивидимой

звезды, "мигающей" в том же ритме, что и пульсар в созвездии Па-

руса. Так что становится ясно, сколь масштабному всемирному бде-

нию был объявлен отбой этой заметкой.Между прочим,Майкл Дис-

ней, участвоваший в открытии оптического пульсара в Крабовидной

туманности, входил и в эту группу ученых.

У всех остальных пульсаров нет и следа излученияввидимой

области. Это наводит на следующую мысль. Что бы ни представляли

собой пульсары,они возникают в результатевзрыва сверхновой.

Вначале период пульсара мал - еще меньше,чем у пульсара в Кра-

бовидной туманности. Такой пульсар излучает не только в радиоди-

апазоне, но и в видимой области спектра. С течением времени час-

тота импульсов уменьшается.Не более чем за тысячулет период

пульсара становится равным периоду пульсара в Крабовидной туман-

ности, а затем достигает и периода пульсара в созвездии Паруса.

Наряду с увеличением периода ослабевает и интенсивность излуче-

ния в видимой области.Когда период пульсара превышает одну се-

кунду, его оптическое излучение давно уже исчезло, и его удается

обнаружить лишь по импульсам в радиодиапазоне. Поэтому с видимы-

- 15 -

ми источниками отождествлены лишь два пульсара с самыми коротки-

ми периодами.Они относятся к самым молодым пульсарам, и вокруг

них удается даже различить газовые облака - останки сверхновых.

Более старые пульсары давно уже растратили свою способностьиз-

лучать в видимой области.

Но что же такое пульсары ?Что остается, когда жизнь звезды

заканчивается гигантским взрывом ?Мы уже знаем, что пространс-

твенная область,из которой исходит излучение пульсара,должна

быть оченьмалой.Какие же процессы могут происходить в столь

малой области так быстро и с такойрегулярностью,чтобы можно

было привлечьих к объяснению феномена пульсара ?Быть может,

это звезды которые, подобно цефеидам, периодически "раздуваются"

и вновьсжимаются ?Но в таком случае плотность звездного ве-

щества должна быть очень высокой,так как лишь тогда период ос-

цилляций может быть достаточно мало ( вспомним, что период изме-

нения блеска цефеид составляет несколько суток ). Нас же интере-

суют объекты,которыеспособны осциллировать с периодом сотые

доли секунды.Даже самые плотные из звезд,белые карлики,не

способны совершатьстоль быстрые колебания.Возникает вопрос:

могут ли звезды иметь еще более высокуюплотность,оставляющие

по плотностидалеко позади белые карлики с их тонными на куби-

ческий сантиметр ?

Первое соображениена этот счет высказали советский физик и

два астронома из Пасадены задолго до обнаружения пульсаров. Лев

Ландау (1908-1968) в 1932 году доказал, что вещество с еще более

высокой плотностью может находиться в равновесии сгравитацион-

ными силами.Тогда же в Пасадене на самом большом по тем време-

нам телескопе в мире работал выходец из Германии ВальтерБааде.

Он был, несомненно, одним из лучших астрономов-наблюдателей на-

шего столетия.Там же работал и швейцарец Фриц Цвикки,человек

столь же напористый,сколь и неистощимый на выдумки. Еще в 1934

году эти два ученых утверждали, что смогут существовать звезды с

исключительновысокой плотностью - как предсказывал и Ландау,-

звезды, состоящие почти полностью из одних нейтронов. В 1939 го-

ду физики Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков поместили в амери-

канском физическом журнале "Physical Review" статью о нейтронных

звездах. Имяодногоиз авторов этой статьи стало известно во

всем мире задолго до того,как астрономы всерьез занялись нейт-

- 16 -

ронными звездами:Оппенгеймерсыграл ведущую роль в создании

американской атомной бомбы.

Оппенгеймер и Волков доказали,что звездное вещество, в ко-

тором электроны и протоны соединились в нейтроны,может удержи-

ваться в виде шара с собственными гравитационными силами.Зная

свойства нейтронного вещества,можно осуществитьтеоретические

расчеты нейтронных звезд.Анализ математической модели нейтрон-

ной звезды показывает,что плотность ее должна быть очень вели-

ка: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с попереч-

ником 30 км. - в кубическом сантиметре содержится миллиарды тонн

нейтронной материи ( рис. 7 ). Но нейтронные звезды, если заста-

вить их осциллировать,будут делать этогораздо быстрее,чем

пульсары. Поэтому в качестве объяснения периода пульсаров объем-

ная осцилляция нейтронных звезд не происходит.

Итак, мывновь вернулись к тому,с чего начали.Мы искали

плотные звездоподобные объекты,которые могли бы совершать дос-

таточно быстрыеколебания,-и белые карлики оказались слишком

медленными, а гипотетические нейтронные звезды слишком быстрыми.

Об открытии пульсаров Томас Голд узнал, будучи преподавате-

лем Корнельского университета в городе Итака ( штат Нью-Йорк).

И вот, в то время как в научных журналах одна за другой публико-

вались скороспелые попытки объяснить существованиепульсаров(

сводившиеся, главным образом, к попыткам спасти гипотезу пульси-

рующих звезд ),мысль Томаса Голда пошла в совершенно ином нап-

равлении.

К регулярным периодическим движениям небесных телотносятся

и собственное вращение объекта. Солнце, например, совершает пол-

ный оборот вокруг своей оси за 27 суток;существуют звезды, ко-

торые вращаются гораздо быстрее. Не связано ли строгая периодич-

ность пульсаров с какими-либовращательным движением?Тогда

объект должен был бы совершать полный оборот менее чем за секун-

ду - в случае пульсара в Крабовидной туманности тридцатьоборо-

тов в секунду !Звезда, однако не может вращаться сколь угодно

быстро, поскольку при слишком высокой скорости она будет разру-

шена центробежными силами.Предельная скорость вращения звезды

определяется величиной гравитации на поверхности звезды; для бе-

лого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секун-

ду. Если бы скорость вращения белого карлика соответствовала пе-

- 17 -

- 18 -

риоду пульсарав Крабовидной туманности,то он не выдержал бы

действия центробежных сил. С большей скоростью могла бы вращаться

лишь более плотная звезда.

Это возвращает нас к нейтронным звездам:вероятно, периоди-

ческие "вспышки" пульсара объясняются вращением нейтронной звез-

ды. Для этого нейтронная звезда должна совершать оборотвокруг

своей оси за доли секунды,и это вполне возможно:сила тяжести

на поверхности нейтронной звезды достаточновелика.Нейтронная

звезда может вращаться гораздо быстрее.

Гипотезу Томаса Голда,согласно которойпульсары являются

вращающимися нейтронными звездами,астрофизики сразу же приняли

как наиболее правдоподобную. Вековое увеличение периода пульсара

объяснялось бы тогда постепенным замедлением вращения нейтронной

звезды. Это вполне естественно: можно предположить, что энергия,

посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения,черпа-

ется за счет энергии вращения нейтронной звезды.Вращение могло

бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излуче-

ние, хотя в действительности торможение сильнее.

Ученые пришлик выводу, что энергия,высвобожденная в ре-

зультате замедления вращенияпульсара Крабовиднойтуманности,

расходуется не только на излучение самого пульсара,но и на из-

лучение всей туманности.Этим разрешается еще одно затруднение.

В то время как свечение обычных туманностей - например, пла-

нетарной туманности или туманности Ориона - обусловленаизлуче-

нием атомов,свечениеКрабовидной туманности имеет совершенно

иное происхождение.Электроны, обладающие в результатевзрыва

сверхновой огромной энергией, движутся здесь со скоростью, близ-

кой к скорости света. В магнитном поле туманности электроны дви-

жутся по круговым орбитам,излучая при этом свет.Оставался не

решенным вопрос,почему эти электроны с 1054 года движутсявсе

также быстро,почему они не замедлились,теряя свою энергию на

излучение.Со временем интенсивность излучениядолжна ослабе-

вать, и свечение Крабовидной туманности меркнуть.По-видимому,

электроны пополняют свою энергию за счет какого-то внешнегоис-

точника. Теперь этот источник был найден. Если Томас Голд прав,

то в Крабовиднойтуманности находитсявращающаясянейтронная

звезда, которая,возможно,через свое магнитное поле передает

энергию окружающему газу.Как гигантскийпропеллер, вращается

- 19 -

нейтроннаязвезда в туманности,обеспечивая электронам высокую

скорость, а Крабовидной туманности - большуюяркость.Запаса

энергии вращения нейтронной звезды хватит еще на много тысячеле-

тий.

Итак, мы нашли механизм, объясняющий регулярность посылаемых

пульсарами импульсов. Однако нужно еще понять, как именно возни-

кает радиоизлучение. Поскольку речь идет не о непрерывной волне,

а об импульсе, при котором в течение большей части периода энер-

гия равна нулю и лишь кратковременно энергия очень велика, можно

предположить,что звезда посылает излучение в определенном нап-

равлении и мы регистрируем его в тот момент,когда луч вращаю-

щейся звезды-прожектора "чиркает" по Земле - точно так же, как с

корабля видят луч вращающегося фонаря на маяке.

По всей видимости,нейтронная звезда обладает магнитным по-

лем, подобно Земле,но значительно более сильным. Предположим,

что магнитная ось звезды не совпадает,как и у Земли, с ее осью

вращения. Привращении нейтронной звезды магнитное поле так же

вращается, и поучается картина, показанная на рисунке 8 : на по-

верхности вращающейсянейтронной звезды,обладающей магнитным

полем, где нейтроны вновь превращаются в протоныи электроны,

господствуютмощные электрические силы,под действием которых

заряженные частицы уносятся прочь отзвезды. Частицыдвижутся

вдоль магнитных силовых линий в пространстве.Их энергии доста-

точно для того,чтобы Крабовидная туманность исегодня, через

тысячу лет после своего возникновения, могла светиться. Движение

заряженных частиц поперек магнитныхсиловых линийзатруднено,

поэтому они покидают нейтронную звезды, главным образом в облас-

ти ее магнитных полюсов, уходя вдоль искривленных силовых линий.

Это схематически показано на рисунке 9.Электроны,как самые

легкие частицы покидают звезду с самой большой скоростью,близ-

кой, по всей видимости, к скорости света. двигаясь со столь вы-

сокой скоростью по искривленнойтраектории, электронизлучает

энергию, причем не во все стороны, а преимущественно в направле-

нии своего движения.Таким образом,излучение звездыв целом

направленовдоль выходящихиз звезды силовых линий магнитного

поля. А так как магнитное поле вращается вместе со звездой, вра-

щаются и конические пучки выходящего излучения. Удаленный наблю-

датель видит их в тот момент,когда он попадает в один изэтих

- 20 -

- 21 -

двух конусов; для него нейтронная звезда будет вспыхивать с час-

тотой, соответствующей скорости ее вращения. Многие астрофизики

сегодня считают,что эта модель,напоминающая вращающийся про-

жектор морского маяка, во многом верна.

Весной 1969года две обсерватории независимо одна от другой

обнаружили,что медленное,но неуклонноенарастаниепериода

пульсара нарушилось и интервал между двумя соседними импульсами

сократился ( рисунок9 ). Затем период вновь стал увеличиваться

с прежней скоростью. Мы приняли, что пульсар является вращающей-

ся нейтронной звездой,вращение которой постепеннозамедляется

из-за передачи энергии в окружающею среду. Что же могло заста-

вить звезду ускорить свое вращение?

Изменение периода происходит скачкообразно. Физики-ядерщики,

лучше знакомые с нейтронами,чем астрофизики,высказали такое

предположение.На поверхностинейтроннойзвезды образовались

прочные корки - "плиты", которые при охлаждении нейтронной звез-

ды, оставшейся после взрыва сверхновой, отрываются одна за дру-

гой. В результате подобных сдвигов и оползней скорость вращения

нейтронной звезды может увеличиваться. Объясняет ли это резкое

сокращение периода,которое с тех пор наблюдалось уженеоднод-

нократно ?Глобальные движения земной коры действительно сказы-

ваются на скорости вращения Земли и, следовательно, на продолжи-

тельности суток.Наблюдается ли нечто подобное и у пульсаров ?

Не являются ли наблюдаемые скачки их периода свидетельством про-

исходящих в них катаклизмов ?

В последнее десятилетие значительные успехи достигнуты в но-

вой областинаблюдательнойастрономии -так называемой гам-

ма-астрономии.Гамма-излучение можно рассматривать каксветс

очень малой длиной волны,еще более короткой, чем у рентгеновс-

кого излучения. Гамма-излучение обладает очень высокой энергией:

отдельный гамма-квант несет примерно в миллион раз больше энер-

гии, чем квант видимого света.Однако гамма-излучение,каки

рентгеновское, почти не проходит сквозь атмосферу Земли, поэтому

исследование приходящих из Вселенной гамма-лучейначалосьлишь

после того,какс помощью ракет и спутников наблюдения стали

осуществляться из космоса.К наиболее впечатляющим открытиямв

области гамма-астрономии относится тот факт, что многие пульсары

посылают импульсы и в гамма-диапазоне.Благодаря огромной энер-

- 22 -

гии гамма-квантов складывается впечатление, что именно гамма-из-

лучение является для пульсаров основным, в то время как радиоиз-

лучение, по которому пульсары были впервые обнаружены, оказыва-

ется скорее побочным эффектом,который можно уподобитьзвуку,

сопровождающемуразрыв снаряда.Гамма-импульсыидут в том же

ритме, что и радиоимпульсы,но не совпадают сними.Явления,

связанные с гамма-излучением пульсаров, до сих пор не поняты.

С точки зрения астрономовпульсары представляютещеодну

сложность. В настоящее время уже известно такое количество пуль-

саров, что можно предположить существование в одной только нашей

Галактике около миллиона активно действующих пульсаров. С другой

стороны, несколько последних десятилетий ведутся наблюдения уда-

ленных галактиксцелью установить,какое количество взрывов

сверхновых происходит в среднем за столетие.Это позволяет сде-

лать вывод о том, сколько нейтронных звезд возникло с древнейших

времен в нашем Млечном Пути.Оказывается, что числопульсаров

значительно превосходит то количество нейтронных звезд,которое

могло образоваться в результате взрывовсверхновых.Значит ли

это, что пульсары могут возникать и иным путем ? Быть может, не-

которые пульсары образуются не в результате взрывов звезд,ав

ходе менее эффектных, но более упорядоченных и мирных процессов?

В ноябре 1982 года астрономическая общественность была взбу-

доражена сообщением о том,что пять астрономов с помощью радио-

телескопа в Пуэрто-Рико открыли пульсар,которыйпобил рекорд

пульсара вКрабовидной туманности.каждую секунду он посылает

642 импульса.Это означает, что нейтронная звезда вращается со

скоростью 600 оборотов в секунду. Соответственно гравитация на

поверхности должна быть очень велика,чтобы звезду не разорвали

центробежные силы.Позднее были открыты и другие миллисекундные

пульсары.

Группа астрономов,возглавляемая Э.Дж.Лайном ( Великобрита-

ния ), обнаружила вблизи центра Млечного Пути быстровращающуюся

нейтронную звезду. Ее пульсирующее радиоизлучение достигает Зем-

лю 86 раз в секунду.Пульсару, находящемуся в пределах шарового

скопленияТерциан 5,присвоено наименование PSR 1744-24 А.По

несколько раз в неделю радиосигнал из этогоисточникаисчезает

на шестьчасов.Это второй,ставший известным науке двойной

пульсар. Первый из них,открытый двумя годами ранее, находится

- 23 -

примерно втрех тысячах световых лет от нас.Его период равен

около 1,6 мс. Отличительная особенность этих двух пульсаров: оба

они, по-видимому, "пожирают" своих невидимых для нас спутников.

Очевидно, пульсары излучают такое количество энергии,чтоее

хватает на разогрев поверхности звезды-спутника.При этом обра-

зуется вихрь, способный вызывать "затмение" радиоизлучения быст-

ровращающегося пульсара. Масса же спутника при этом уменьшается.

Период колебания излучения "новичка" указывает на то, что он на-

ходится на иной ( вероятно,более ранней ) стадии своего разви-

тия, чем первый двойной пульсар. Скорее всего, спутник достаточ-

но велик,чтобыпульсар могвременами "выхватывать" из него

большое количество газов,которое за тем в виде облака начинает

независимообращаться вокругпульсара и временами перекрывать

собой его излучение.Такое газовое облако,подходяблизко к

пульсару, вторгается в его магнитное поле, вызывая вспышки рент-

геновского излучения.

Большой интерессреди астрономоввызвало сообщение о том,

что А.Вольщан и Д.Фрейл,работая на гигантскомрадиотелескопе

обсерватории Арисибо ( Пуэрто-Рико ),в конце 1991 года обнару-

жили двепланеты,которые обращаютсявокругпульсара PSR

1257+12. Пульсаррасположен на расстоянии 1600 световых лет от

нас ( в созвездии Девы ). Это нейтронная звезда, обращающаяся со

скоростью 1 оборот за 6,2 мс.Постепенное изменение периода го-

ворит о том,что пульсар входит в систему,включающую дване-

больших тела,вероятно, планеты. Их масса примерно втрое превы-

шают массу Земли,а период обращения вокруг пульсара у одной из

них составляет 67,а у другой - 95 суток. Сотрудники Астрономи-

ческого института вКембридже (Великобритания) И.Стивенс,

М.Рис и Ф.Подсядловский пришли к следующему выводу:пульсар PSR

1257+12 разрушил своего компаньона, а две планеты возникли в ре-

зультате этого процесса.Ученые разработали модель,где исчез-

нувший компаньон - обычная звезда,сходная с нашим Солнцем,но

вдвое менее массивная.Он обращался вокруг пульсара со скоростью

1 оборот в сутки. Часть массы этой звезды обрушилась на пульсар,

уменьшив егопериодобращения всего на несколько миллисекунд.

При токам быстром вращении пульсар превратился в мощный источник

излучения, причем внешние слои звезды начали бурно расширяться и

- 24 -

покидать звезду.Еще в 1988 году астрономы обсерватории Арисибо

открыли пульсар ( он получил прозвище "Черная вдова" ),который

также "поедает" своего компаньона.Теряя один внешнийслой за

другим, звезда постепенно уменьшается в массе. Силы тяготения ее

ослабевают,пока, наконец, звезда не разорвется на части за ка-

кие-нибудь несколько часов. Ее вещество распределяется по орбите

и образует вокруг пульсара узкое газовое кольцо. Затем это коль-

цо превращается в плоский тонкий газовый диск,очень сходный с

тем, что окружал Солнце во время образования планет.По мнению

кембриджскихисследователей,диск нового пульсара должен поро-

дить свои планеты. Другие теории, объясняющие возникновение пла-

нет у пульсаров, исходят из осуществления довольно редкого собы-

тия - столкновения "бродячего" пульсара со звездой, уже обладав-

шей планетами,или же слияние двух белых карликов, которое при-

водит к рождению пульсара,окруженного газовымдиском. Теперь

дело зарадиоастрономами.Они могут проверить предположение о

том, что "припульсарные" планеты - совсем не редкость во Вселен-

ной.

За открытие пульсаров Энтони Хьюишу в 1974 году была присуж-

дена Нобелевская премия по физике. Открытие действительно было

выдающемся,и лишь название оказалось не точным. Пульсары вовсе

не пульсируют.Это название дали им тогда,когда еще полагали,

что это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширя-

ются и сжимаются. Теперь мы знаем, что пульсары - это вращающие-

ся нейтронные звезды.Однако название прижилось. Но можем ли мы

быть полностью уверены в том, что Томас Голд прав ? Действитель-

но ли пульсары - это нейтронные звезды ?Тень сомненияостава-

лась у астрофизиков до тех пор,пока не были обнаружены рентге-

новские звезды. Но это уже другая тема для реферата.

2СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Р. Киппенхан

100 миллиардов солнц

Москва "Мир"1990 г.

2. С. Данлоп

Азбука звездного неба

Москва "Мир"1990 г.

3. Энциклопедический словарь

юного астронома

Москва "Педагогика"1980 г.

4. Журнал"Земля

Вселенная"

1/92 ; 1/91 ; 5/92 ;