Что такое пульсары? Часы Вселенной
Вселенная наполнена мириадами звезд, и наше Солнце — только одна из них, причем далеко не самая большая (хотя и превосходит размером Землю в 300 с лишним тысяч раз). Эти космические объекты подобны людям: рождаются, живут и умирают. Но происходит последнее через десятки или сотни миллиардов лет. В космосе существуют сверхгиганты — жизнь таких звезд заканчивается взрывом. Это событие ученые называют рождением сверхновой, за которым следует появление или черной дыры, или нейтронной звезды. Пульсар представляет собой разновидность последних, о которой и пойдет речь в материале 24СМИ.
Какие космические объекты называют пульсарами
В астрономии пульсаром называют разновидность нейтронной звезды — остаток гиганта, который пережил взрыв. Эти небольшие и плотные небесные тела вращаются с огромной скоростью, поэтому являются источниками периодического радио-, а также оптического, рентгеновского и гамма-излучения. Они испускают импульсы с определенной частотой. Периодичность, связанная с наклоном магнитного поля относительно оси вращения, составляет от 640 пульсаций в секунду до одной-единственной за целых пять.
Такие тела относятся к внешним переменным звездам, яркость и интенсивность излучения которых меняется в зависимости от происходящих в них физических изменений.
Пульсары невозможно увидеть с Земли невооруженным глазом. Обнаружить их помогают радиотелескопы — улавливают излучение, когда объект повернут к нашей планете испускающим радиоволны участком. Когда звезда поворачивается другой стороной, сигнал пропадает.
Крабовидная туманность, в центре которой расположен пульсар PSR B0531+21 (совмещенное изображение оптической фотосъемки телескопа «Хаббл» и рентгеновской обсерватории «Чандра») / NASA/HST/ASU/J. Hester
В космосе ученые обнаружили массу тел, которые испускают радиоизлучение короткими импульсами. В том числе и квазары.
Квазары удалось обнаружить в 1960-х годах, обратив внимание на странный источник радиоизлучения. Это активные ядра галактик размером примерно с Солнечную систему. Ученые выяснили, что в центре квазаров находятся пожирающие материю черные дыры массой в миллиарды солнц, аккреционные диски которых — мощнейшие источники энергии.
В центре Млечного Пути, возможно, тоже существовал квазар миллионы лет назад. Со временем вещества, которое могла бы поглотить черная дыра, стало мало, и этот процесс остановился.
Остатки сверхновой
Звезды, масса которых составляет 10 масс нашего Солнца и больше, называются сверхгигантами. Это космические объекты, которые со временем увеличиваются — до тех пор, пока топливо внутри не иссякнет. В результате светила теряют источник термоядерных реакций — внутри нарушается баланс гравитации и энергии, который удерживал звезду в пространстве. Это становится причиной взрыва, который ученые назвали рождением сверхновой.
Взрыв сверхгиганта выделяет потоки энергии, а верхние слои бывшей звезды разлетаются вокруг. Ядро в этот момент может или коллапсировать и превратиться в черную дыру, или, если массы окажется недостаточно для обращения в «поглотителя материи», появится нейтронная звезда.
Если подобное произойдет с Солнцем, для Земли это обернется трагически. Однако для нашего светила такой сценарий не подходит — масса и размер слишком малы. Его ждет другая судьба. Солнце станет белым карликом, но произойдет это только через миллиарды лет.
Типы пульсаров
Ученые выдвигают теории о составе и строении космических тел, используя при этом математические расчеты. Астрономы считают, что есть несколько типов пульсаров:
- Радиопульсары. Одна из самых распространенных групп. Эти тела испускают радиоимпульсы с определенной частотой. Для обнаружения используются радиотелескопы. Ученые думают, что диаметр этих звезд составляет считанные километры. Магнитное поле делает излучение светила похожим на луч прожектора.
- Гамма-пульсары. Это самые мощные во Вселенной источники гамма-излучения — это вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны.
- Оптические. Эти объекты можно обнаружить в оптическом диапазоне электромагнитного спектра.
- Рентгеновские. Испускают рентгеновское излучение. Для таких объектов характерны переменные импульсы.
Открытие пульсаров
Первый пульсар обнаружили 28 ноября 1967 года. Открытие сделала аспирантка Кембриджского университета Джоселин Белл. Исследовательница зафиксировала непонятные сигналы, которые сначала приняла за помехи. Со временем удалось установить, что эти импульсы внеземного происхождения и их испускает не изученный до этого момента объект.
Получилось обнаружить и источник импульсов. Период колебаний сигнала составлял 1,33 секунды. Это свидетельствовало о чрезмерно малых размерах объекта. Изначально появилась гипотеза, что сигнал посылают представители внеземной цивилизации, и объект получил название LGM-1 (аббревиатура — «Маленькие зеленые человечки»). Дальнейшие исследования показали, что инопланетяне не при чем — «сигналили» остатки взорвавшейся звезды.
Известные пульсары
Вслед за находкой Джоселин Белл в 1968 году открыли пульсар в Крабовидной туманности. Его обнаружили Дэвид Х. Стейлин и Эдвард Райфенштайн. С помощью 300-футового радиотелескопа «Грин-Бэнк» астрономы нашли два пульсирующих радиоисточника в туманности. Эти объекты считаются самыми изученными на сегодня.
Также ученые нашли пульсар и в Млечном Пути, в центре нашей галактики. Астрономы исследуют его, чтобы получить точные сведения о массе и температуре черной дыры, найденной в этой области.
В 2017 году ученые нашли пульсар NGC 5907 X-1. Он расположен в 50 млн световых лет от Земли в спиральной галактике NGC 5907. За 1 секунду светило испускает такой объем энергии, сколько Солнце за 3,5 года, что делает его самым ярким из известных пульсаров.
Фото галактики NGC 5907, в которой обнаружен ярчайший среди известных пульсар NGC 5907 X-1 / ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra и SDSS
Также астрономы обнаружили двойную звездную систему, состоящую из двух пульсаров PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B. Ее открыли в 2003 году. Пока это единственный известный на сегодня двойной пульсар.
Точное время
Рассматриваемые в материале объекты обладают настолько стабильной периодичностью импульсов, что имеют все шансы конкурировать с атомными часами, самым точным на сегодня измерителем времени, используемым человечеством. Российские ученые заинтересовались стабильностью пульсаций космического тела и предположили, что пульсар пригодится, чтобы сверять время. Сигналы такой звезды подойдут для создания нового вида сверхточных часов, которые возможно будет использовать для опытов в фундаментальной физике.
Источник
Пульсары и нейтронные звезды
Объекты глубокого космоса > Пульсары и нейтронные звезды
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?
В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)
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.
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.
Внутреннее строение пульсара
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.
Источник