Глава 21. Пульсары

Пульсары – источники пульсирующего радиоизлучения. Это быстро вращающиеся нейтронные звезды, звездные остатки вспышек Сверхновых. Первые пульсары были открыты в 1967 г. К 2001 г. были обнаружены свыше тысячи пульсаров.

Радиоизлучение пульсаров поступает в виде правильно повторяющихся импульсов. П

Рис. 21.1. Форма импульсов некоторых пульсаров.

ериоды повторения импульсов от ~1.5 мс до ~10 с. Стабильность повторения импульсов до 10^–9, но при этом у большинства пульсаров периоды со временем растут. Итак, два основных параметра любого пульсара – период следования импульсовPи производная периода . Время от времени у пульсаров наблюдаются сбои периода, когда период скачком уменьшается, а затем продолжает возрастать, но уже с несколько иной скоростью (рис. 21.3). Скважность излучения от 10 до 100. Бывают интеримпульсы (то есть вторичные импульсы в промежутках между главными). Отдельные импульсы также могут обладать сложной внутренней структурой, которая может меняться от одного импульса к другому. Светимости радиопульсаров достигают 10³⁸эрг/с.

Спектры пульсаров в диапазоне метровых волн (~ 100 – 400 МГц) довольно крутые (в среднем 3±1), на частотах1000 МГц наступает резкое уменьшение интенсивности. Наблюдается сильная линейная поляризация излучения. В течение одного импульса происходит поворот плоскости поляризации. От импульса к импульсу свойства поляризации существенно меняются.

Пульсары интересны сами по себе. Но, благодаря уникальному характеру радиоизлучения в виде коротких импульсов в широком диапазоне частот, они дают также возможность диагностики межзвездной среды на пути распространения сигнала к наблюдателю. Вследствие дисперсии радиоизлучения в слабоионизованной межзвездной среде запаздывание импульсов пульсара (по сравнению со временем L/c, L – расстояние до пульсара, см. 3.12):

t= 1.345×10^–3 f^–2 n_e L[с],

где f[Гц],n_e[см^–3],L[см], или

t= 4.15 (DM)f^–2[с],

где f[МГц],DM[пк/см³].Величина DM называется мерой дисперсии пульсара, она характеризует среднюю столбцовую плотность ионизованной среды в направлении пульсара и может использоваться для грубойоценки расстояния. Измерение разностина двух или нескольких волнах (частотах) дают оценкуDM.

Излучение большинства пульсаров имеет линейную поляризацию. При прохождении ионизованной среды с магнитным полем плоскость поляризации испытывает фарадеевское вращение (из-за различия коэффициентов преломления для обыкновенной и необыкновенной волн, см. главу 3). Угол поворота плоскости поляризации (см. 3.9):

[рад] = (RM) ²[рад], (21.1)

где n_e[см^–3] - электронная плотность;[мкГс] – продольная составляющая межзвездного магнитного поля (параллельная лучу зрения);l[пк];[м];RM[рад/м²] – мера вращения в межзвездной среде в направлении пульсара.

Наряду с периодом Pи его производной , мера дисперсииDMи мера вращенияRM– основные параметры пульсаров, определяемые непосредственно из наблюдений.

Простейший способ оценки возраста пульсаров использует свойство возрастания их периодов. Экстраполируем величину периода пульсара назад по времени к тому моменту, когда P= 0 (то есть считаем, что в момент рождения пульсар имел нулевой период). Тогда, очевидно, приближенный возраст пульсараможно оценить как . Прокалибровать шкалуможно по объектам, возраст которых известен из других данных. Пример такого объекта – пульсар в Крабовидной туманности, для которого точно известен момент рождения (вспышки Сверхновой) – 1054 год н.э. Оценка дает ~2000 лет. Поэтому обычно формулу для оценки возраста используют в виде:

, (21.2)

где ½ – "нормировочный множитель".

Оцененные по формуле (21.2) возрасты лежат в пределах 10⁶–10⁷лет. Пульсар в Крабе – один из самых короткопериодических (P= 33 мс) и самых молодых (~ 950 лет). Относительно молод также пульсар Vela (P= 89 мс,~ 10⁴лет).

Имеется группа короткопериодических ("миллисекундных") пульсаров. Их периоды заключены в пределах от 1.5 до ~10 мс. Всего известно около пятидесяти миллисекундных пульсаров. По своим свойствам и эволюционному положению они сильно отличаются от "классических" пульсаров с более длинными периодами. У них производная периода < 10^–19, иногда даже отрицательна, магнитное поле ~10⁸Гс, а возраст достигает 10⁹лет. Практически обо всех миллисекундных пульсарах известно, что они входят в тесные двойные системы; в том числе – имеются пульсары в старых шаровых скоплениях. Двойственность дает ключ к пониманию их природы: это нейтронные звезды, испытавшие повторную "раскрутку" вследствие аккреции вещества с вторичного компонента, который уже достиг стадии красного гиганта.

Модели пульсаров.

Общепринятой является модель быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем (~10¹²Гс). Поле имеет приблизительно дипольную

структуру, магнитная ось, вообще говоря, не совпадает с осью вращения (рис. 21.2). Такой вращающийся диполь будет излучать волны на ч

Рис. 21.2. Модель радиоизлучения пульсара.

астоте вращения. Потеря вращательной энергииEвследствие магнитоди-польного излучения (cм. Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц. Теория поля):

, (21.3)

где – угловая скорость вращения пульсара,– компонент магнитного момента, перпендикулярный к оси вращения. Так как энергия вращения, гдеI– момент инерции нейтронной звезды, то:

.

Переходя к периоду вращения пульсара получим:

(21.4)

Масса и размер нейтронной звезды достаточно хорошо известны, а, следовательно, и момент инерции I.Отсюда можно найти магнитный момент и напряженность поля на поверхности нейтронной звезды (~10¹²Гс).

Следствие быстрого вращения магнитного поля – генерация сильного электрического поля. Электрическое поле ускоряет заряженные частицы до очень высоких энергий.

Ускоряемые частицы летят вдоль силовых линий. Излучение идет преимущественно в направлении движения. На Земле излучение принимается тогда, когда конус, в котором излучают частицы, направлен на Землю.

Предложены два типа моделей пульсаров:

1) излучение возникает вблизи поверхности так называемого светового цилиндра , где линейная скорость вращения приближается к скорости света (радиус светового цилиндра=);

2) излучение возникает вблизи поверхности нейтронной звезды.

В моделях первого типа направленность излучения – следствие релятивистской тангенциальной скорости вращающейся плазмы; частицы излучают при помощи синхротронного механизма.

В моделях второго типа имеет место излучение частиц, летящих вдоль силовых линий магнитного поля, в направлении вектора мгновенной скорости.

Сбои периода пульсаров вызваны звездотрясениями, разломами в структуре нейтронной звезды. Разломы приводят к уменьшению момента инерции, а, следовательно, и периода. При этом достаточно очень малого изменения размера нейтронной звезды. Момент инерции сплошного шара массой Mравен. Из формул вращательного движения имеем, где- угловой момент тела. Полагая(то есть при отсутствии действия момента силы), получим:

(21.5)

П

Рис. 21.3. Скачок периода пульсара Vela.

ри сбое периода пульсара в Крабе в сентябре 1969 г. было.ПриR= 10 км требуемое изменение радиусавсего лишь 5 мкм. При звездотрясении, вероятно, происходит растрескивание коры нейтронной звезды, меняется момент инерции, однако нейтронную жидкость внутри звезды это очень мало затрагивает.

Массы нейтронных звезд Mот 0.15 до 1.7. При массе >1.7образуется черная дыра. ПриM< 1звезда может быть и белым карликом, но при вспышке Сверхновой происходит существенная перестройка всей структуры звезды, и гораздо вероятнее образование именно нейтронной звезды (или черной дыры).

Структура нейтронной звезды (при радиусе R= 10 км): ядро радиусом 1 км – твердое, содержит только наиболее массивную нейтронную компоненту; далее до радиуса 9 км – "нейтронная жидкость", состоящая из смеси нейтронов, протонов и электронов; и внешняя кора толщиной 1 км, состоящая из тяжелых ядер.

При быстром вращении замагниченной нейтронной звезды возникает сильное электрическое поле:

(21.6)

Здесь – радиус светового цилиндр. Для пульсара в Крабе= 200 с^–1,B= 10¹²Гс, отсюда напряженность электрического поля ~10¹⁸В/см. Следовательно, энергия ускоряемых частиц может достигать~10¹⁸эВ. Таким образом, пульсары – важные источники космических лучей в Галактике. Однако трудность данной модели в том, что частицы, которые теряет звезда, приводят к появлению на ее поверхности заряда, который запирает дальнейшее вырывание частиц.