Пульсари

Вступ

Протягом століть єдиним джерелом відомостей про зірок і Всесвіту був для астрономів видиме світло. Спостерігаючи неозброєним оком або за допомогою телескопів, вони використовували тільки дуже невеликий інтервал хвиль зі всього різноманіття електромагнітного випромінювання, що випускається небесними тілами. Астрономія перетворилася з середини нашого століття, коли прогрес фізики і техніки надав їй нові прилади та інструменти, що дозволяють вести спостереження в найширшому діапазоні хвиль - від метрових радіохвиль до гамма-променів, де довжини хвиль становлять мільярдні частки міліметра. Це викликало наростаючий потік астрономічних даних. Фактично всі найбільші відкриття останніх років -- результат сучасного розвитку новітніх галузей астрономії, яка стала зараз усехвильові. Ще з початку 30-х років, як тільки виникли теоретичні уявлення про нейтронних зірок, очікувалося, що вони повинні проявити себе як космічні джерела рентгенівського випромінювання. Ці очікування виправдалися через 40 років, коли були виявлені барстери і вдалося довести, що їх випромінювання народжується на поверхні гарячих нейтронних зірок. Але першими відкритими нейтронними зірками виявилися все ж таки не барстери, а пульсари, що проявили себе - Абсолютно несподівано - як джерела коротких імпульсів радіовипромінювання, наступних один за одним з разюче строгою періодичністю.

Відкриття

Влітку 1967 р. в Кембріджському університеті (Англія) став до ладу новий радіотелескоп, спеціально побудований Е. Хьюішем і його працівниками для однієї наглядової завдання - вивчення мерехтінь космічних радіоджерела. Це явище подібно відомому всім мерехтіння зірок виникає через випадкових неоднорідностей щільності в середовищі, крізь яку проходять електромагнітні хвилі на шляху до нас від джерела. Новий радіотелескоп дозволяв проводити спостереження великих ділянок неба, а апаратура для обробки сигналів була здатна реєструвати рівень радіо-потоку через кожні кілька десятих часток секунди. Ці два особливості їх інструменту і дозволили кембріджських радіоастрономії відкрити щось зовсім нове - пульсари.

Перші виразно помітні серії періодичних імпульсів були помічені 28 листопада 1967 м. аспіранткою кембріджської групи Дж. Белл. Імпульси слідували один за одним з чітко витримується періодом в 1,34 с. Це було якось неприродно звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних мерехтінь. Рішення, що приймаються сигнали нагадували швидше за перешкоду земного походження. Наприклад, системи запалювання в проїжджають повз автомобілях. Але це та інші прості пояснення незабаром довелося залишити. Були виключені і сигнали літаків або космічних апаратів. Потім, коли з'явилися підстави вважати, що імпульси мають космічне походження, є припущення про позаземної цивілізації, посилає на Землю свої сигнали. Були серйозні спроби розпізнати якийсь код в прийнятих імпульси. Це виявилося неможливим, хоча, як розповідають, до справи були залучені найбільш кваліфіковані фахівці. До того ж незабаром виявили ще три подібних пульсуючих радіоджерела. Ставало очевидним, що джерела випромінювання є природними небесними тілами.

Перша публікація кембріджської групи з'явилася у лютому 1968 р., і вже в ній у як ймовірних кандидатів на роль джерел пульсуючого випромінювання згадуються нейтронні зірки. Періодичність радіосигналу зв'язується з швидким обертанням нейтронної зірки. Джерело обертається як ліхтар маяка, і це створює уривчастість видимого випромінювання, що приходить до нас окремими імпульсами. Відкриття пульсарів відзначено Нобелівською премією з фізики в 1978 р.

Інтерпретація: нейтронні зірки

В астрономії відомо чимало зірок, блиск яких безперервно змінюється, то зростаючи, то падаючи. Є зірки, їх називають цефеїд (за першою з них, виявленої в сузір'ї Цефея), зі строго періодичними варіаціями блиску. Посилення і ослаблення яскравості відбувається у різних зірок цього класу з періодами від кількох днів до року. Але до пульсарів ніколи ще не зустрічалися зірки з настільки коротким періодом, як у першій "кембриджського" пульсара.

Слідом за ним в дуже короткий час було відкрито кілька десятків пульсарів, і періоди деяких з них були ще коротше. Так, період пульсара, виявленого в 1968 р. в центрі Крабоподібної туманності, складав 0,033 с. Зараз відомо близько чотирьох сотень пульсарів. Переважна їх більшість-до 90% - має періоди в межах від 0.3 до 3 с, так що типовим періодом пульсарів можна вважати період в 1 с. Але особливо цікаві пульсари-рекордсмени, період яких менше типового. Рекорд пульсара Крабоподібної туманності протримався майже півтора десятиліття. В кінці 1982 р. в сузір'ї Лисички був виявлений пульсар з періодом 0,00155 с, тобто 1,55 мс. Обертання з таким вражаюче коротким періодом означає 642 об/с. Дуже короткі періоди пульсарів послужили першим і самим вагомим аргументом на користь інтерпретації цих об'єктів як обертаються нейтронних зірок. Зірка з настільки швидким обертанням повинна бути виключно щільною. Дійсно, саме її існування можливо лише за умови, що відцентрові сили, пов'язані з обертанням, менше сил тяжіння, що зв'язують речовина зірки. Відцентрові сили не можуть розірвати зірку, якщо відцентрове прискорення на екваторі менше прискорення сили тяжіння

Якщо взяти період пульсара Крабоподібної туманності P = 0,033 с, то відповідна йому частота обертання Q = 2p/Р, складе приблизно 200 рад/с. На цій підставі знайдемо нижня межа її щільності.

Це дуже значна щільність, яка в мільйони разів. перевищує щільність білих карликів самих щільних з спостерігалися до того зірок. Оцінка щільності по періоду "мілісекундного" пульсара, P = 0,00155 с, Q = 4000 рад/с, призводить к. ще більшого значення:

Настільки компактними, стислими до такого високого ступеня можуть бути лише нейтронні зірки: їх щільність дійсно близька до ядерної. Цей висновок підтверджується всією п'ятнадцятирічної історією вивчення пульсарів. Але яке походження швидкого обертання нейтронних зірок-пульсарів? Воно безсумнівно викликане сильним стисненням зірки при її перетворенні з "звичайної" зірки в нейтронну. Зірки завжди володіють обертанням з тією чи іншою швидкістю або періодом: Сонце, наприклад, обертається навколо своєї осі з періодом близько місяця. Коли зірка стискається, її обертання прискорюється. З нею відбувається те ж, що з танцюристом на льоду: притискаючи до себе руки, танцюрист прискорює своє обертання. Тут діє один з основних законів механіки - закон збереження моменту імпульсу (або моменту кількості руху). З нього випливає, що при зміні розмірів обертового тіла змінюється і швидкість його обертання; але залишається незмінним твір (яке і є - з точністю до несуттєвого числового множника - момент імпульсу). У цьому творі Q - частота обертання тіла, M-його маса, R-розмір тіла в напрямку, перпендикулярно осі обертання, який у разі сферичної зірки збігається. з її радіусом. При незмінній масі залишається постійним твір, і, отже, зі зменшенням розміру тіла частота його обертання зростає за законом: (1.3)

Нейтронна зірка утворюється шляхом стиснення центральній області, ядра зірки, яка вичерпала запаси ядерного палива. Ядро встигає ще попередньо стиснутися до розмірів білого карлика,

Подальше стиск до розміру нейтронної зірки, означає зменшення радіусу в тисячі разів. Відповідно в мільйон разів повинна зрости частота обертання і в стільки ж разів повинен зменшитися його період. Замість, скажімо місяця зірка тепер робить один оборот навколо своєї осі всього за три секунди. Більш швидке початкове обертання дає і ще більш короткі періоди. Зараз відомі не тільки пульсари, що випромінюють в радіодіапазоні, - їх називають радіопульсарамі, але і рентгенівські пульсари, що випромінюють регулярні імпульси рентгенівських променів. Вони теж виявилися нейтронними зірками; в їх фізики багато такого, що ріднить їх з барстери. Але й радіопульсари, і рентгенівські пульсари відрізняються від барстери в одному принциповому відношенні: вони володіють дуже сильними магнітними полями. Саме магнітні поля - разом зі швидким обертанням - і створюють ефект пульсацій, хоча і діють ці поля по-різному в радіопульсарах і пульсара рентгенівських.

Ми розповімо спочатку про рентгенівських пульсара, механізм випромінювання яких більш-менш ясне, а потім про радіопульсарах, які вивчені поки в набагато меншій мірі, хоча вони й відкриті раніше рентгенівських пульсарів і барстери.

Рентгенівські пульсари

Рентгенівські пульсари - це тісні подвійні системи, в яких одна із зірок є нейтронної, а інша - яскравою зіркою-гігантом. Відомо близько двох десятків цих об'єктів. Перші два рентгенівських пульсара - в сузір'ї Геркулеса і в сузір'їв Центавра - відкриті в 1972 р. (за три роки до виявлення барстери) з допомогою американського дослідницького супутниця "Ухуру"). Пульсар в Геркулесі посилає імпульси з періодом 1,24 с. Це період обертання нейтронної зірки. У системі є ще один період - нейтронна зірка та її компаньйон здійснюють обертання навколо їх загального центру тяжіння з періодом 1,7 дня. Орбітальний період був визначений у цьому випадку завдяки тому (випадковому) обставині, що "звичайна" зірка при своєму орбітальному русі регулярно опиняється на промені зору, що з'єднує нас і нейтронну зірку, і тому вона заступає на час рентгенівський джерело. Це можливо, очевидно, тоді, коли площина зоряних орбіт складає лише невеликий кут з променем зору. Рентгенівське випромінювання припиняється приблизно на 6 годин, потім знову з'являється, і так кожні 1,7 дня.

(Між іншим, спостереження рентгенівських затемнень для барстери допоследнего часу не вдавалося. І це було дивно: якщо орбіти подвійних систем орієнтовані в просторі хаотично, то потрібно очікувати, що з більш ніж трьох десятків барстери принаймні кілька мають площині орбітального руху, приблизно паралельні променя зору (як у пульсара в Геркулесі), щоб звичайна зірка могла періодично закривати від нас нейтронну зірку. Тільки в 1982 р., тобто через 7 років після відкриття барстери, один приклад затемнених барстери був, нарешті, знайдений.) Тривалі спостереження дозволили встановити ще один-третє - період рентгенівського пульсара в Геркулесі: цей період складає 35 днів, з яких II днів джерело світить, а 24 дня немає. Причина цього явища залишається поки невідомою. Пульсар в сузір'ї Центавра має період пульсацій 4,8 с. Період орбітального руху складає 2,087 дня-он теж знайдений за рентгенівським затемнень. Долгоперіодіческіх змін, подібних 35-денного періоду пульсара в сузір'ї Геркулеса у цього пульсара не знаходять. Компаньйоном нейтронної зірки в подвійній системі цього пульсара є яскрава видима зірка-гігант з масою 10-20 Сонць. У більшості випадків компаньйоном нейтронної зірки в рентгенівських пульсара є яскрава блакитна зірка-гігант. Цим вони відрізняються від барстери, які містять слабкі зірки-карлики. Але як і в барстери, у цих системах можливо перетікання речовини від звичайної зірки до нейтронної зірки, і їх випромінювання теж виникає завдяки нагрівання поверхні нейтронної зірки потоком аккреціруемого речовини. Це той же фізичний механізм випромінювання, що й у випадку фонового (не спалахової) випромінювання барстери. У деяких з рентгенівських пульсарів речовина перетікає до нейтронної зірку у вигляді струменя (як у барстери). У більшості ж випадків зірка-гігант втрачає речовину у вигляді зоряного вітру - виходить від її поверхні на всі боки потоку плазми, іонізованого газу. (Явище такого роду спостерігається і у Сонця, хоча сонячний вітер і слабкіше - Сонце не гігант, а карлик.) Частина плазми зоряного вітру потрапляє в околиці нейтронної зірки, в зону переважання її тяжіння, де і захоплюється нею.

Однак при наближенні до поверхні нейтронної зірки заряджені частинки плазми починають відчувати вплив ще одного силового поля магнітного поля нейтронної зірки-пульсара. Магнітне поле здатне перебудувати аккреційному потік, зробити його несферіческі-симетричним, а спрямованим. Як ми зараз побачимо, з-за цього і виникає ефект пульсацій випромінювання, ефект маяка. Є всі підстави вважати, що нейтронні зірки рентгенівських пульсарів володіють дуже сильним магнітним полем, що досягає значень магнітної індукції раз більше середнього магнітного поля Сонця. Але такі поля природно утворюються в результаті сильного стиснення при перетворення звичайної зірки в нейтронну. Відповідно до загальних співвідношенням електродинаміки магнітна індукція В поля, силові лінії. якого пронизують дану масу речовини, посилюється при зменшенні геометричних розмірів R цієї маси.

Це співвідношення випливає з закону збереження магнітного потоку. Варто звернути увагу на те, що магнітна індукція наростає при стисненні тіла точно так само, як і його частота обертання.

При зменшенні радіуса зірки від значення, рівного, наприклад, радіусу Сонця, до радіусу нейтронної зірки, магнітне поле посилюється на 10 порядків. Магнітне поле з індукцією порівнянне з полем Сонця, вважається більш-менш типовим для звичайних зір, у деяких "магнітних" зірок виявлені поля в кілька тисяч разів більші, так що цілком можна очікувати, що певна (і не дуже мала) частка нейтронних зірок дійсно повинна мати дуже сильним, магнітним полем. До такого висновку дійшов радянський астрофізик Н. С. Кардашев ще в 1964 р.

За своєю структурі, тобто з геометрії силових ліній, магнітне поле пульсара схоже, як можна було очікувати, на магнітне поле Землі або Сонця: у нього є два полюса, з яких у різні боки розходяться силові лінії. Таке поле називають дипольним.

Речовина, аккреціруемое нейтронної зіркою, - це зоряний вітер, воно ионизованного, і тому взаємодіє при своєму русі з її магнітним полем. Відомо, що рух заряджених частинок поперек силових ліній поля утруднене, а рух уздовж силових ліній відбувається безперешкодно. З цієї причини аккреціруемое речовина рухається поблизу нейтронної зірки практично по силових лініях її магнітного поля. Магнітне поле нейтронної зірки як би створює воронки у її магнітних полюсів, і в них направляється аккреційному потік. На таку можливість вказали ще в 1970 р. радянські астрофізики Г. С. Бісноватий-Коганта. А. М. Фрідман. Завдяки цьому нагрівання поверхні нейтронної зірки виявляється нерівномірним: у полюсів температура значно вище, ніж на решті всієї поверхні. Гарячі плями біля полюсів мають, згідно з розрахунками, площа близько одного квадратного кілометра; вони і створюють головним чином випромінювання зірки - адже світність дуже чутлива до температурі - вона пропорційна температурі в четвертого ступеня.

Як і у Землі, магнітна вісь нейтронної зірки нахилена до її осі обертання. Через це виникає ефект маяка: яскрава пляма то видно, то не видно спостерігачеві. Випромінювання швидко обертається нейтронної зірки представляється спостерігачеві переривчастим, пульсуючим. Цей ефект був передбачений теоретично радянським астрофізиком В. Ф. Шварцманом за кілька років до відкриття рентгенівських пульсарів. Насправді випромінювання гарячого плями відбувається, звичайно, безперервно, але воно не рівномірно по напрямах, не изотропно, і рентгенівські промені від нього не спрямовані весь час на нас, їх пучок обертається в просторі навколо осі обертання нейтронної зірки, пробігаючи по Землі один раз за період.

Від рентгенівських пульсарів ніколи не спостерігали спалахів, подібних спалахів барстери. З іншого боку, від барстери ніколи не спостерігали регулярних пульсацій. Чому ж барстери не пульсує, а пульсари НЕ спалахують? Всі справа, мабуть, те, що магнітне поле нейтронних зірок у барстери помітно слабшим, ніж у пульсара, і тому воно не впливає скільки-небудь помітно на динаміку аккреции, допускаючи більш-менш рівномірний прогрів всій поверхні нейтронної зірки. швидким, як і у пульсарів, не позначається на рентгенівському потоці так як цей потік ізотропен. З іншої сторони, припускають, що поле магнітною індукцією здатний як то - хоч, правда, і не зовсім зрозуміло поки, як саме, - придушувати термоядерні вибухи в приполярних зонах нейтронних зірок. Різниця в магнітному поле пов'язано, ймовірно, з відмінністю віку барстери і пульсарів. Про вік подвійної системи можна судити за звичайною зірку-компаньйона. Нейтронні зірки в рентгенівських пульсара мають компаньйонами яскраві зірки-гіганти; в барстери ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі за блиском зорі малих мас. Вік яскравих гігантів не перевищує декількох десятків мільйонів років, тоді як вік слабких зірок-карликів може нараховувати мільярди років: першу набагато швидше витрачають своє ядерне паливо, ніж друге. Звідси випливає, що барстери - це старі системи, в яких магнітне поле встигло з часом в якоюсь мірою ослабнути, а пульсари - це відносно молоді системи і тому магнітні поля в них. сильніше. Може бути, барстери колись у минулому пульсували, а, пульсари ще належить спалахувати в майбутньому.

Відомо, що наймолодші і яскраві зірки Галактики знаходяться в її диску, поблизу галактичної площині. Природно тому сподіватися, що і рентгенівські пульсари з їх яскравими зірками-гігантами розташовуються переважно у галактичної площині. Їх загальний розподіл по небесній сфері має відрізнятися від розподілу барстери, старих об'єктів, які - як і всі старі зірки Галактики - концентруються не до її площини, а до галактичному центру. Спостереження підтверджують ці міркування: рентгенівські пульсари дійсно знаходяться в диску Галактики, у порівняно вузькому шарі по обидва боку галактичної площині. Таке ж розподіл на небі виявляють і пульсари, що випромінюють радіоімпульсу, - радіопульсари.

Радіопульсари

Розподіл радіопульсаров на небесній сфері дозволяє зробити висновок перш за все, що ці джерела належать нашій Галактиці: вони очевидним чином концентруються до її площині служить, екватором галактичної координатної сітки. Об'єкти, які ніяк не пов'язані про галактикою, ніколи не показали б ніякої, переважної орієнтації такого роду. Розподіл за напрямками говорить в цьому випадку про реальний просторове розташування джерел: така картина може виникнути лише тоді, коли джерела знаходяться в диску Галактики. Деякі з них лежать помітно вище або нижче екватора, а вони теж розташовані в диску, близько площині Галактики, тільки ближче до нас, ніж більшість інших пульсарів. Адже разом із Сонцем ми перебуваємо майже точно в галактичної площині, і тому напрямок від нас на близькі об'єкти усередині хоча б і вузького шару може бути, взагалі кажучи, будь-яким. Близьких пульсарів порівняно мало і вони не затемнюють загальну картину. Якщо радіопульсари розташовуються поблизу галактичної площині, серед наймолодших зірок Галактики, то розумно вважати, що й самі вони є молодими. Про одному з них, пульсари Крабоподібної туманності, точно відомо, що він існує всього близько тисячі років - це залишок спалаху наднової 1054; його вік значно менше часу життя яскравих зірок-гігантів, - 10 мільйонів років, не кажучи вже про зірок-карликів, середній вік яких ще в 1000 разів більше. Сувора періодичність проходження імпульсів, розташування в площині Галактики і молодість - все це зближує радіопульсари з рентгенівськими пульсарами. Але в багатьох інших відносинах вони різко відрізняються один від одного. Справа не тільки в тому, що одні випускають радіохвилі, а інші рентгенівські промені. Важливіше за все те, що радіопульсари - це поодинокі, а не подвійні зірки. Відомо лише три радіопульсара, що мають зірку-компаньйона. У всіх інших, а їх більше трьохсот п'ятдесяти, ніяких ознак подвійності не помічається. Звідси негайно випливає, що фізика радіопульсаров повинна бути зовсім інший, ніж у барстери або рентгенівських пульсарів. Принципово іншим повинен бути джерело їх енергії - це в усякому разі не Акреція. Інший найважливіший факт: спектр випромінювання радіопульсаров дуже далека від будь-якого подібності універсального чернотельному спектру, який характерний для випромінювання нагрітих тіл. Це означає, що випромінювання радіопульсаров ніяк не пов'язано з нагрівом нейтронної зірки, з температурою, з тепловими процесами на її поверхні. Випромінювання електромагнітних хвиль, не пов'язане з нагріванням тіла, називають нетеплових. Таке випромінювання не рідкість в астрофізики, фізики та техніці. Ось простий приклад. Антена радіостанції або телецентру - це провідник певного розміру і форми. У ньому є вільні електрони, які під дією спеціального генератора здійснюють узгоджені руху вздовж провідника туди і назад з заданою частотою. Оскільки електрони коливаються "в унісон ", то і випромінюють вони узгоджено: всі які випромінює в простір електромагнітні хвилі мають однакову частоту - частоту коливань електронів. Так що спектр випромінювання антени містить тільки одну частоту або довжину хвилі. Відомості про спектр випромінювання радіопульсаров вдалося отримати перш за все завдяки спостереженнями самого яскравого з них - пульсара Крабоподібної туманності. Чудово, що його випромінювання реєструється в усіх діапазонах електромагнітних хвиль - від радіохвиль до гамма-променів. Найбільше енергії він випускає саме в області гамма-променів (так що пульсар цілком заслуговує назви гамма-пульсара); приймається гамма-потік у рентгенівській області в 5-10 разів менше. В області видимого світла він ще в десять разів менше. Слабкіше за все потік в радіодіапазоні:

Можна перевірити, що ні за якої температури випромінювання нагрітого тіла не може володіти таким розподілом енергії по областях спектру.

Крім пульсара Крабоподібної туманності, "мілісекундного" пульсара у сузір'ї Лисички і ще одного пульсара у сузір'ї Вітрил, всі інші радіопульсари реєструються лише завдяки випромінюванню в радіодіапазоні. Не виключено, що вони випромінюють і в інших областях спектру - у видимому світлі, в рентгенівських і гамма-променях, подібно Пульсару Крабоподібної. туманності (хоча, ймовірно, і не так інтенсивно, як він), а вони знаходяться далі від нас, а чутливість існуючих радіотелескопів вище чутливості оптичних, рентгенівських і гамма-телескопів.

Цікаво, що вже й одних лише даних про світності пульсарів в радіодіапазоні - без будь-яких відомостей про випромінюванні на більш коротких довжин хвиль достатньо, щоб переконатися в нетеплове, нечернотельном характері їх випромінювання. Відстань до Крабоподібної туманності відомо:, тож за допомогою даних про потік випромінювання можна знайти світність пульсара. Повна Світність в усіх діапазонах виходить множенням повного потоку на площу, сфери радіуса d:

(В якості потоку f взято фактично потік в гамма-діапазоні.) Світність цього пульсара приблизно в тисячу разів більше світності Сонця на всіх довжинах хвиль. Тут, однак потрібно зробити одне зауваження. Наша оцінка була б цілком справедлива, якщо б пульсар випромінював однаково у всіх напрямах. На самом справі його випромінювання не изотропно, воно володіє певною спрямованістю. Ми не знаємо, як виглядає промінь цього "маяка": яка його ширина і як вісь обертання пульсара орієнтована відносно Землі. Тому врахувати спрямованість випромінювання точно не вдається; Дійсна світність може бути, взагалі кажучи, і більше, і менше; ніж

Невизначеність все ж таки не катастрофічно велика, так що значення світності знаходиться, мабуть, між

Джерело енергії

Періодичність імпульсів радіопульсара витримується з дивовижною точністю. Це самі точні годинники в природі. І все-таки для багатьох. Пульсарів вдалося зареєструвати і регулярні зміни їх періодів. Звичайно, це виключно малі зміни і відбуваються вони вкрай повільно, тому що регулярність проходження імпульсів порушується лише дуже слабко. Характерне час зміни періоду становить для більшості пульсарів приблизно мільйон років; це означає, що тільки за мільйон років можна очікувати помітного - скажімо, удвічі - зміни періоду.

У всіх відомих випадках радіопульсари збільшують, а не зменшують свій період. Іншими словами, їх обертання сповільнюється з часом. Что-то гальмує обертання нейтронної зірки, на щось витрачається її енергія обертання. Так чи не служить обертання джерелом, що випромінювання пульсара?

Щоб це перевірити, потрібно зробити насамперед енергетичну оцінку. Якщо пульсар дійсно випромінює за рахунок обертання, то кінетична енергія обертання повинна забезпечувати спостерігається потужність випромінювання, його світність. Орієнтовну оцінку кінетичної енергії обертання зірки можна отримати за простою формулою

де М - маса зірки, V-характерна швидкість обертання, в якості якої можна взяти лінійну швидкість обертання на екваторі зірки. При типовому періоді Р == 1 с і радіусі нейтронної зірки 10000 м знаходимо:

Такий запас енергії обертання. Оцінимо тепер темп її використання. Якщо період пульсара збільшується вдвічі за час t, то за той же час кінетична енергія обертання нейтронної зірки зменшується в 4 рази

Значить, за час t втрачається? початкового запасу енергії обертання. Середня втрата енергії в одиницю часу: (1.5) Ми прийняли тут як t характерний час, рівне одному мільйону років, і скористалися попередньою оцінкою енергії обертання Е. Величина W-середня потужність, пов'язана з витратою енергії обертання, що для типового пульсара на кілька порядків вище його радіосветімості

Для пульсара Крабоподібної туманності, період якого складає одну тридцятих секунди, оцінку потрібно зробити окремо. У нього й характерний час збільшення періоду не мільйон років; як показують спостереження, воно порівнянно з його віком, тобто близько до тисячі років. У цьому випадку потужність Ж опиниться в мільйон разів більше, ніж за співвідношенням (1.5); вона перевищує на кілька порядків повну світність цього пульсара у всіх діапазонах хвиль.

Можна, таким чином, сказати, що припущення про обертання як джерело енергії пульсара витримує першу перевірку: кінетична енергія обертання нейтронної зорі досить велика і вона здатна служити резервуаром, з якого випромінювання черпає свою енергію. При цьому на випромінювання витрачається лише невелика частка загальної витрати енергії.

Магнітно-дипольному випромінювання

Яким же чином енергія обертання перетворюється в енергію електромагнітних хвиль? Згідно ідеї, висунутої італійським астрофізиком Ф. Пачіно і англійським теоретиком Т. Голд, вирішальна роль у цьому має належати магнітного поля нейтронної зірки. Як ми вже говорили, нейтронна зірка може мати дуже значним магнітним полем. Швидше за все, поле має дипольний характер, а його вісь нахилена до осі обертання нейтронної зірки, як і у рентгенівського пульсара Система силових ліній магнітного поля обертається з тією кутовий швидкістю, з якою обертається сама нейтронна зірка. Поза світлового циліндра магнітне поле обертового похилого диполя вже не може залишатися таким же, що і всередині його. На світловому циліндрі відбувається перетворення дипольного магнітного поля в електромагнітні хвилі, які поширюються назовні, несучи з собою певну енергію. Ця енергія черпається з енергії обертання нейтронної зірки. Такого роду магнітно-дипольному випромінювання давно вивчено в електродинаміки. Відомо, що частота випромінювання хвиль рівна частоті обертання магнітного диполя, довжина хвилі дорівнює радіусу світлового циліндра. Отже, обертається нейтронна зірка з похилим магнітним полем здатна випромінювати електромагнітні хвилі. При цьому енергія її обертання перетвориться в енергію випромінювання. Але магнітно-дипольні хвилі - це аж ніяк не те випромінювання, яке спостерігають у пульсарів: його частота занадто мала, а довжина хвилі занадто велика -- десятки і сотні кілометрів. Магнітно-дипольні хвилі повинні зазнати якісь дуже істотні перетворення, перш, ніж виникне спостерігається випромінювання пульсарів. Ці перетворення відбуваються, мабуть, в магнітосфері пульсара - в навколишньому нейтронну зірку обертається хмарі заряджених частинок.

Магнітосфера

Можливість і навіть необхідність існування такого хмари довели американські астрофізики-теоретики П. Голдрайх і В. Джуліан. Вони вивчили електромагнітні явища, що відбуваються не на світловому циліндрі, де народжується магнітно-дипольному випромінювання, а поблизу самої поверхні нейтронної зірки. Тут намагнічена нейтронна зірка здатна "працювати" подібно динамомашини: її обертання викликає появу сильних електричних полів, а з ними і струмів, тобто спрямованих рухів заряджених частинок. Відношення електричної сили до сили тяжкості, випробовуваних електроном, дуже велике:

Така ж оцінка для протона показує, що діюча на нього електрична сила в мільярд разів більше сили тяжіння до нейтронної зірки. Це означає, що сили тяжіння зовсім несуттєві для заряджених частинок в порівнянні з електричними силами у самої поверхні нейтронної зірки. Електричні сили тут надзвичайно великі і вони здатні безперешкодно керувати рухом електронів і протонів: вони можуть відривати їх від поверхні нейтронної зірки, прискорювати їх, повідомляючи часткам величезні енергії. Електрична сила, що діє в полі на частку про зарядом, здійснює на шляху частки роботу. Значить проходячи в електричному полі відстань, порівнянна з радіусом нейтронної зірки (наприклад, від екватора до одного з полюсів), частка отримує енергію

Це дійсно величезна енергія, на багато порядків перевищує навіть енергії спокою електрона і протона. Гігантська енергія часток відповідає їх швидкостей руху, що наближається до швидкості світла, а фактично збігається з нею. Частинки високих енергій, відриваються від поверхні нейтронної зірки і прискорених сильним електричним полем, створюють потік, що виходить від нейтронної зірки і схожий на сонячний чи зоряний вітер. Магнітне поле захоплює цей потік в обертання разом про нейтронною зіркою. Так навколо неї виникає розширюється і обертається магнітосфера. Народження і прискорення частинок, що утворюють магнітосферу, вимагає значною енергії, яка черпається з кінетичної енергії обертання нейтронної зірки. Теоретичний аналіз, виконаний П. Голдрайхом та В.; Джуліаном, показує, що на це витрачається приблизно стільки ж енергії, скільки і на магнітно-дипольному випромінювання. При цьому і сама магнітно-дипольному випромінювання поповнює запас енергії магнітосфери, воно практично не виходить назовні і поглинається магнітосфери, передаючи свою енергію її часткам. Немає сумніву, що саме в магнітосфері нейтронної зірки і розігруються різноманітні фізичні процеси, які визначають усі спостережувані прояви пульсара. Повної і вичерпної теорії цих процесів поки немає; теорія радіопульсаров знаходиться в процесі розвитку, і навіть на головні запитання вона ще не може дати закінченого і переконливої відповіді. Нас, перш за все цікавить, як виникає спрямованість у випромінюванні пульсара, що створює цей природний радіомаяк. Зараз можна викласти лише найбільш попередні міркування, котрі не претендують на сувору доказовість, але що містять, тим не менше, ряд важливих ідей. Ймовірно, потрібно виходити з того, що частинки високої енергії, що заповнюють магнітосферу пульсара, здатні випромінювати електромагнітні хвилі дуже високої частоти або, на квантовому мовою, фотони дуже високою енергії. Один з фізичних механізмів випромінювання пов'язаний з рухом частинок в сильних магнітних полях. Частинки йдуть головним чином уздовж магнітних силових ліній, а тому що силові лінії зігнуті, рух часток не може бути прямолінійним і рівномірним. Відхилення ж від прямолінійного і рівномірного руху означає прискорення (або гальмування) частки та, отже, супроводжується випромінюванням електромагнітних хвиль. Відповідно до розрахунків електромагнітні хвилі такого походження належать до гамма-діапазону. У свою чергу гамма-фотони здатні народжувати (у присутності сильного магнітного поля) пари електронів і позитронів. Електрони і позитрони також випромінюють електромагнітні хвилі при своєму рухів в магнітному полі, а ці нові хвилі с?? осібність народжувати нові пари частинок і т.д. Такий каскад процесів розвивається головним чином поблизу магнітних полюсів нейтронної зірки, де сходяться магнітні силові лінії і поле особливо велика. Тут формуються, як можна вважати, спрямовані потоки узгоджено рухомих частинок, які - як у антени - випромінюють погоджено і направлено, створюючи промінь пульсара. Магнітна вісь зірки не збігаються з її віссю обертання, і тому цей промінь обертається подібно променю маяка. Але як насправді це відбувається, ще належить з'ясувати.

Основна частка енергії обертання, втрачається нейтронної зіркою, перетвориться не в спостережуване випромінювання пульсара, а в енергію частинок, прискорених в магнітосфері нейтронної зірки. Радіопульсари є, таким чином, могутнім джерелом частинок високих енергій. Електрони високих енергій, народжуваних Пульсаром Крабоподібної туманності, безпосередньо проявляють себе в світінні туманності. Про це мова попереду, а тут варто сказати кілька слів про еволюцію і подальшу долю радіопульсаров. З плином часу пульсар втрачає свою енергію обертання і магнітну енергію, так що поступово і частота обертання, і магнітне поле нейтронної зірки зменшуються. Через це зменшується електричне поле у поверхні зірки, знижується ефективність відриву частинок і їх прискорення. Рано чи пізно частинки високих енергій перестануть народжуватися, і радіовипромінювання пульсара припиниться. Якби радіопульсар становив пару разом зі звичайною зіркою, він міг би тоді перетворитися в барстери, випромінювання якого харчується аккреційним потоком, захоплюємося з поверхні зірки-компаньйона. Але (за дуже рідкісним винятком, як мовилося) радіопульсари - це поодинокі нейтронні зірки, а не члени тісних подвійних систем. І тим не менше світіння, хоча і досить слабке, все ж таки може виникати. На думку радянського астрофізика А. И. Цигана воно може бути зобов'язана аккреции нейтрального міжзоряного газу, крізь який рухається згаслий радіопульсар. Випромінювання такого походження відповідає світність, і велика частина що випускаються квантів належить гамма-діапазону. Пошуки таких колишніх пульсарів, а нині гамма-зірок - одна з цікавих завдань гамма-астрономії.

Пульсари і космічні промені.

Ще у 1934р. В. Бааде і Ф. Цвіккі вказали на можливий зв'язок між спалахами наднових, нейтронними зірками і космічними променями - частинками високих енергій, що приходять на Землю з космічного простору.

Космічні промені були відкриті більше 60 років тому і з тих пір є предметом ретельного вивчення. Інтерес до них пов'язаний, перш за все, з можливістю використовувати їх для дослідження взаємодій елементарних частинок при високих енергіях, недосяжних в лабораторних прискорювальних пристроях. Найбільша енергія частинки, зареєстрована в космічних променях: тоді як на кращих сучасних прискорювачах досягаються енергії на 8 порядків менше. Частинки високих енергії, що приходять до Землі з міжпланетного та міжзоряного простору, породжуючи