Реферат: Пульсары
Реферат сдавался в школе N1206 г. Москвы Беляковой Надежде Ивановне 17 июня 1998года.
Реферат по астрономиии
На тему: «Пульсары»
Выполнил ученик
11 «Б» класса
Щипунов Максим Сергеевич
Планреферата:
1.<span Times New Roman"">
2.<span Times New Roman"">
3. Интерпретация: нейтронныезвезды
4.<span Times New Roman"">
5. Радиопульсары
6. Источник энергии
7. Магнитно-дипольное излучение
8. Магнитосфера
9. Пульсары и космические лучи.
10. Список литературы
Введение
На протяжении вековединственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономоввидимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощью телескопов, онииспользовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразияэлектромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. Астрономияпреобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики и техникипредоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровыхрадиоволн до гамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные долимиллиметра. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных. Фактическивсе крупнейшие открытия последних лет – результат современного развитияновейших областей астрономии, которая стала сейчас всеволновой. Еще с начала 30-х годов, как только возниклитеоретические представления о нейтронных звездах, ожидалось, что они должныпроявить себя как космические источники рентгеновского излучения. Эти ожиданияоправдались через 40 лет, когда были обнаружены барстеры и удалось доказать,что их излучение рождается на поверхности горячих нейтронных звезд. Но первымиоткрытыми нейтронными звездами оказались все же не барстеры, а пульсары,проявившие себя — совершенно неожиданно — как источники коротких импульсоврадиоизлучения, следующих друг за другом с поразительно строгой периодичностью.
Открытие
Летом 1967 г. в Кембриджскомуниверситете (Англия) вошел в строй новый радиотелескоп, специально построенныйЭ. Хьюишем и его сотрудниками для одной наблюдательной задачи — изучениямерцаний космических радиоисточников. Это явление подобно известному всеммерцанию звезд возникает из-за случайныхнеоднородностей плотности в среде, сквозь которую проходят электромагнитныеволны по пути к нам от источника. Новый радиотелескоп позволял производитьнаблюдения больших участков неба, а аппаратура для обработки сигналов быласпособна регистрировать уровень радио-потока через каждые несколько десятыхдолей секунды. Эти две особенности ихинструмента и позволили кембриджским радиоастрономам открыть нечто совершенноновое — пульсары.
Первые отчетливо различимыесерии периодических импульсов былизамечены 28 ноября 1967 г.аспиранткойкембриджской группы Дж. Белл. Импульсыследовали один за другим с четко выдерживаемым периодом в 1,34 с. Это былосовершенно непохоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярныхмерцаний. Принимаемые сигналы напоминали скорее помеху земного происхождения.Например, системы зажигания в проезжающих мимо автомобилях. Но это и другиепростые объяснения вскоре пришлось оставить. Были исключены и сигналы самолетовили космических аппаратов. Затем, когда появились основания полагать, чтоимпульсы имеют космическое происхождение, возникло предположение о внеземнойцивилизации, посылающей на Землю свои сигналы. Предпринимались серьезныепопытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалосьневозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самыеквалифицированные специалисты. К тому же вскоре обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника.Становилось очевидным, что источники излучения являются естественными небеснымителами.
Первая публикация кембриджскойгруппы появилась в феврале 1968 г., и уже в ней в качестве вероятных кандидатовна роль источников пульсирующего излучения упоминаются нейтронные звезды.Периодичность радиосигнала связывается с быстрым вращением нейтронной звезды.Источник вращается как фонарь маяка, и это создает прерывистость видимогоизлучения, приходящего к нам отдельными импульсами. Открытие пульсаров отмеченоНобелевской премией по физике в 1978 г.
Интерпретация: нейтронные звезды
В астрономии известно немалозвезд, блеск которых непрерывно меняется, то возрастая, то падая. Имеютсязвезды, их называют цефеидами (по первой из них, обнаруженной в созвездииЦефея), со строго периодическими вариациями блеска. Усиление и ослаблениеяркости происходит у разных звезд этого класса с периодами от нескольких днейдо года. Но до пульсаров никогда еще не встречались звезды со столь короткимпериодом, как у первого «кембриджского» пульсара.
<img src="/cache/referats/5022/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1026">
Вслед за ним в очень короткое время было открыто несколько десятков пульсаров,и периоды некоторых из них были еще короче. Так, период пульсара, обнаруженногов 1968 г. в центре Крабовидной туманности, составлял 0,033 с. Сейчас известнооколо четырех сотен пульсаров. Подавляющее их большинство—до 90%— имеет периодыв пределах от 0.3 до 3 с, так что типичным периодом пульсаров можно считатьпериод в 1 с. Но особенно интересны пульсары-рекордсмены, период которых меньшетипичного. Рекорд пульсара Крабовидной туманности продержался почти полторадесятилетия.В конце 1982 г. всозвездии Лисички был обнаруженпульсарс периодом 0,00155 с, т. е. 1,55 мс. Вращениес таким поразительно коротким периодом означает642 об/с.Очень короткие периоды пульсаров послужили первым и самым вескимаргументом в пользу интерпретации этих объектов как вращающихся нейтронныхзвезд.Звезда со столь быстрымвращением должна быть исключительно плотной. Действительно, само еесуществование возможно лишь при условии, что центробежные силы, связанные свращением, меньше сил тяготения, связывающих вещество звезды. Центробежные силыне могут разорвать звезду, если центробежное ускорение на экваторе
меньше ускорения силы тяжести
<img src="/cache/referats/5022/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1028"> <img src="/cache/referats/5022/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1027">
Здесь M, R — масса ирадиус звезды, Q —угловая частота ее вращения, G— гравитационная постоянная. Из неравенства для ускорений(1.1)
<img src="/cache/referats/5022/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1029">
следует неравенство для средней плотности звезды (1.2)
Если взять период пульсараКрабовидной туманности P=0,033 с, то соответствующая ему частота вращенияQ=2<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">p
/Р, составитприблизительно 200 рад/с. На этом основаниинайдем нижний предел его плотности.<img src="/cache/referats/5022/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1030">
Это очень значительная плотность, которая в миллионы раз. превышает плотностьбелых карликов самых плотных из наблюдавшихся до того звезд. Оценка плотностипо периоду «миллисекундного» пульсара, P=0,00155 с, Q=4000рад/с, приводит к. еще большему значению:
<img src="/cache/referats/5022/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1031">
Этаплотность приближается к плотности вещества внутри атомных ядер:
<img src="/cache/referats/5022/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1032">
Столь компактными, сжатыми до такой высокой степени могут быть лишь нейтронныезвезды: их плотность действительно близка к ядерной.Этот вывод подтверждается всей пятнадцатилетней историей изученияпульсаров.Но каково происхождениебыстрого вращения нейтронных звезд-пульсаров? Оно несомненно вызвано сильнымсжатием звезды при ее превращении из «обычной» звезды в нейтронную.Звезды всегда обладают вращением с тойили инойскоростью или периодом:Солнце, например, вращаетсявокругсвоей оси с периодом около месяца. Когда звездасжимается, ее вращение убыстряется. С ней происходитто же, что с танцором на льду: прижимаяк себе руки,танцор ускоряет своевращение.Здесь действует один изосновных законов механики — закон сохранения момента импульса (или моментаколичества движения). Из него следует, что при изменении размеров вращающегосятела изменяется и скорость его вращения; но остается неизменным произведение
<img src="/cache/referats/5022/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1034 _x0000_s1033">
(которое и представляет собой -с точностью до несущественного числового множителя - момент импульса).В этом произведении Q - частота вращения тела, M- егомасса, R-размер тела в направлении, перпендикулярномоси вращения, который в случае сферической звезды совпадает. с еерадиусом. При неизменной массе остаетсяпостояннымпроизведение
, и, значит, с уменьшениемразмера тела частота его вращениявозрастает по закону:(1.3)
<img src="/cache/referats/5022/image019.gif" v:shapes="_x0000_s1035">
Нейтронная звезда образуется путем сжатия центральной области, ядра звезды,исчерпавшей запасы ядерного топлива. Ядро успевает еще предварительно сжатьсядо размеров белого карлика,
<img src="/cache/referats/5022/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1037 _x0000_s1036">
Дальнейшее сжатие до размера нейтронной звезды,
означает уменьшение радиуса втысячу раз. Соответственно в миллионраздолжна возрасти частота вращения и во столько жераз должен уменьшиться его период. Вместо, скажеммесяца звезда совершает теперь одиноборот вокруг своейоси всего затри секунды. Более быстрое исходное вращение дает и еще более короткие периоды.Сейчас известны не только пульсары,излучающие в радиодиапазоне, — их называют радиопульсарами, но и рентгеновскиепульсары, излучающие регулярные импульсы рентгеновских лучей. Они тожеоказались нейтронными звездами; в их физике много такого, что роднит их сбарстерами. Но и радиопульсары, и рентгеновские пульсары отличаются отбарстеров в одном принципиальном отношении: они обладают очень сильнымимагнитными полями. Именно магнитные поля — вместе с быстрым вращением — исоздают эффект пульсаций, хотя и действуют эти поля по-разному в радиопульсарахи пульсарах рентгеновских.
Мы расскажем сначала орентгеновских пульсарах, механизм излучения которых более или менее ясен, азатем о радиопульсарах, которые изучены пока в гораздо меньшей степени, хотяони и открыты раньше рентгеновских пульсаров и барстеров.
Рентгеновскиепульсары
Рентгеновские пульсары — этотесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая —яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этихобъектов. Первые два рентгеновских пульсара — в созвездии Геркулеса и всозвездий Центавра — открыты в 1972 г. (за три года до обнаружения барстеров) спомощью американского исследовательского спутница «Ухуру»). Пульсар в Геркулесепосылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. Всистеме имеется еще один период — нейтронная звезда и ее компаньон совершаютобращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальныйпериод был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству,что «обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается налуче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет навремя рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскостьзвездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучениепрекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые1,7 дня.
(Между прочим, наблюдениерентгеновских затмений для барстеров до
последнего времени не удавалось. Иэто было странно: если орбиты двойных
систем ориентированы в пространствехаотически, то нужно ожидать, что из
более чем трех десятков барстеровпо крайней мере несколько имеют
плоскости орбитального движения,приблизительно параллельные лучу зрения
(как у пульсара в Геркулесе), чтобыобычная звезда могла периодически
закрывать от нас нейтронную звезду.Только в 1982 г., т. е. через 7 лет после
открытия барстеров, один примерзатменного барстера был, наконец,
обнаружен.)Длительные наблюденияпозволили установить еще один -
третий — период рентгеновскогопульсара в Геркулесе: этот период составляет
35 дней, из которых II днейисточник светит, а 24 дня нет. Причина этого
явления остается пока неизвестной.Пульсар в созвездии Центавра имеет
период пульсаций 4,8 с. Периодорбитального движения составляет 2,087
дня—он тоже найден по рентгеновскимзатмениям. Долгопериодических
изменений, подобных 35-дневномупериоду пульсара в созвездии Геркулеса у
этого пульсара не находят.Компаньоном нейтронной звезды в двойной системе
этого пульсара является яркаявидимая звезда-гигант с массой 10-20 Солнц. В большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских
пульсарах является яркая голубаязвезда-гигант. Этим они отличаются от
барстеров, которые содержат слабыезвезды-карлики. Но как и в барстерах, в
этих системах возможно перетекание вещества отобычной звезды к
нейтронной звезде, и их излучениетоже возникает благодаря нагреву
поверхности нейтронной звездыпотоком аккрецируемого вещества. Это тот же
физический механизм излучения, чтои в случае фонового (не вспышечного)
излучения барстера. У некоторых изрентгеновских пульсаров вещество
перетекает к нейтронной звезде ввиде струи (как в барстерах). В большинстве
же случаев звезда-гигант теряетвещество в виде звездного ветра —
исходящего от ее поверхности во всестороны потока плазмы, ионизированного
газа. (Явление такого роданаблюдается и у Солнца, хотя солнечный ветер и
слабее — Солнце не гигант, акарлик.) Часть плазмы звездного ветра попадает
в окрестности нейтронной звезды, взону преобладания ее тяготения, где и
захватывается ею.
Однако при приближении кповерхности нейтронной звезды заряженные
частицы плазмы начинают испытыватьвоздействие еще одного силового поля
магнитногополя нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно
перестроитьаккреционный поток, сделать его несферически-симметричным, а направленным. Какмы сейчас увидим, из-за этого и возникает эффект пульсаций излучения, эффектмаяка. Есть все основания полагать, что нейтронные звезды рентгеновскихпульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значениймагнитной индукции
<img src="/cache/referats/5022/image024.gif" v:shapes="_x0000_s1038">
что в
<img src="/cache/referats/5022/image026.gif" v:shapes="_x0000_s1039">
раз больше среднего магнитного поляСолнца. Но такие поля естественно
получаютсяв результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную.Согласно общим соотношениям электродинамики магнитная
индукция В поля, силовые линии.которого пронизывают данную массу
<img src="/cache/referats/5022/image028.gif" v:shapes="_x0000_s1040">
вещества, усиливается при уменьшении геометрических размеров R этой
массы:(1.4)
Это соотношение следует из законасохранения магнитного потока. Стоит
обратить внимание на то,что магнитная индукция нарастает присжатии тела
точно так же, как и его частотавращения.
<img src="/cache/referats/5022/image030.gif" v:shapes="_x0000_s1041">
При уменьшении радиуса звезды от значения, равного, например, радиусу Солнца
<img src="/cache/referats/5022/image032.gif" v:shapes="_x0000_s1042">
, до радиуса нейтронной звезды,
<img src="/cache/referats/5022/image034.gif" v:shapes="_x0000_s1043">
магнитное поле усиливается на 10 порядков. Магнитное поле с индукцией
сравнимое с полем Солнца,считается более или менее типичным для обычных звезд; у некоторых «магнитных»звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можноожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезддействительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такомузаключению пришел советский астрофизик Н. С. Кардашев еще в 1964 г.
По своей структуре, т. е. погеометрии силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, намагнитное поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разныестороны расходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным.
Вещество, аккрецируемоенейтронной звездой, — это звездный ветер, оно ионизовано, и поэтомувзаимодействует при своем движении с ее магнитным полем. Известно, что движениезаряженных частиц поперек силовых линий поля затруднено, а движение вдольсиловых линий происходит беспрепятственно. По этой причине аккрецируемоевещество движется вблизи нейтронной звезды практически по силовым линиям еемагнитного поля. Магнитное поле нейтронной звезды как бы создает воронки у еемагнитных полюсов, и в них направляется аккреционный поток. На такуювозможность указали еще в 1970 г. советские астрофизики Г. С.Бисноватый-Коганта. А. М. Фридман. Благодаря этому нагрев поверхностинейтронной звезды оказывается неравномерным: у полюсов температура значительновыше, чем на всей остальной поверхности. Горячие пятна у полюсов имеют, согласно расчетам, площадь околоодного квадратного километра; они и создают главным образом излучение звезды — ведь светимость очень чувствительна к температуре — она пропорциональнатемпературе в четвертой степени.
Как и у Земли, магнитная осьнейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает эффектмаяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдателю. Излучение быстровращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым,пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В.Ф. Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. На самомделе излучение горячего пятна происходит, конечно, непрерывно, но оно неравномерно по направлениям, не изотропно, и рентгеновские лучи от него ненаправлены все время на нас, их пучок вращается в пространстве вокруг осивращения нейтронной звезды, пробегая по Земле один раз за период.
<img src="/cache/referats/5022/image036.gif" v:shapes="_x0000_s1044">
От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкамбарстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярныхпульсаций. Почему же барстеры не пульсируют, а пульсары не вспыхивают? Вседело, вероятно, в том, что магнитное поле нейтронных звезд в барстерах заметнослабее, чем в пульсарах, и потому оно не влияет сколько-нибудь заметно надинамику аккреции, допуская более или менее равномерный прогрев всейповерхности нейтронной звезды. Ее вращение, которое может быть столь жебыстрым, как и у пульсаров, не сказывается на рентгеновском потоке так как этотпоток изотропен. С другой стороны, предполагают, что поле магнитной индукцией
способно как то — хотя, правда,и не вполне ясно пока, как именно, — подавлять термоядерные взрывы вприполярных зонах нейтронных звезд. Различие в магнитном поле связано,вероятно, с различием возраста барстеров и пульсаров. О возрасте двойнойсистемы можно судить по обычной звезде-компаньону. Нейтронные звезды в рентгеновских пульсарахимеют компаньонами яркие звезды-гиганты; в барстерах же компаньонами нейтронныхзвезд являются слабые по блеску звезды малых масс. Возраст ярких гигантов непревышает нескольких десятков миллионов лет, тогда как возраст слабыхзвезд-карликов может насчитывать миллиарды лет: первые гораздо быстреерасходуют свое ядерное топливо, чем вторые. Отсюда следует, что барстеры — этостарые системы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то степениослабнуть, а пульсары — это относительно молодые системы и потому магнитныеполя в них. сильнее. Может быть, барстеры когда-то в прошлом пульсировали, а,пульсарам еще предстоит вспыхивать в будущем.
Известно, что самые молодые ияркие звезды Галактики находятся в ее диске, вблизи галактической плоскости.Естественно поэтому ожидать, что и рентгеновские пульсары с их яркимизвездами-гигантами располагаются преимущественно у галактической плоскости. Ихобщее распределение по небесной сфере должно отличаться от распределениябарстеров, старых объектов, которые — как и все старые звезды Галактики — концентрируются не к ее плоскости, а к галактическому центру. Наблюденияподтверждают эти соображения: рентгеновские пульсары действительно находятся вдиске Галактики, в сравнительно узком слое по обе стороны галактическойплоскости. Такое же распределение на небе обнаруживают и пульсары, излучающиерадиоимпульсы, — радиопульсары.
Радиопульсары
Распределение радиопульсаров нанебесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежатнашей Галактике: они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей,экватором галактической координатной сетки. Объекты, которые никак не связаны о галактикой,никогда не показали бы никакой, преимущественной ориентации такого рода.Распределение по направлениям говорит в этом случае о реальном пространственномрасположении источников: такая картина может возникнуть лишь тогда, когда источникинаходятся в диске Галактики. Некоторые из них лежат заметно выше или нижеэкватора; но они тоже расположены в диске, около плоскости Галактики, толькоближе к нам, чем большинство остальных пульсаров. Ведь вместе с Солнцем мынаходимся почти точно в галактической плоскости, и потому направление от нас наблизкие объекты внутри хотя бы и узкого слоя может быть, вообще говоря,любым. Близких пульсаров сравнительномало и они не затемняют общую картину. Если радиопульсары располагаются вблизигалактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумнополагать, что и сами они являются молодыми. Об одном из них, пульсаре Крабовидной туманности, определенно известно,что он существует всего около тысячи лет — это остаток вспышки сверхновой 1054 года;его возраст значительно меньше времени жизни ярких звезд-гигантов, — 10миллионов лет, не говоря уже о звездах-карликах, средний возраст которых еще в1000 раз больше. Строгая периодичность следования импульсов, расположение вплоскости Галактики и молодость — все это сближает радиопульсары срентгеновскими пульсарами. Но во многихдругих отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, чтоодни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, чторадиопульсары — это одиночные, а не двойные звезды. Известно всего трирадиопульсара, имеющих звезду-компаньона. У всех остальных, а их более трехсотпятидесяти, никаких признаков двойственности не замечается. Отсюда немедленноследует, что физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у барстеров илирентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии —это во всяком случае не аккреция. Другой важнейший факт: спектр излучениярадиопульсаров очень далек от какого-либо подобия универсальному чернотельномуспектру, который характерен для излучения нагретых тел. Это означает, чтоизлучение радиопульсаров никак не связано с нагревом нейтронной звезды, стемпературой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Излучениеэлектромагнитных волн, не связанное с нагревом тела, называют нетепловым. Такоеизлучение не редкость в астрофизике, физике и технике. Вот простой пример.Антенна радиостанции или телецентра — это проводник определенного размера иформы. В нем имеются свободные электроны, которые под действием специальногогенератора совершают согласованные движения вдоль проводника туда и обратно сзаданной частотой. Так как электроны колеблются «в унисон», то и излучают они согласованно: все излучаемые в пространствоэлектромагнитные волны имеют одинаковую частоту — частоту колебаний электронов.Так что спектр излучения антенны содержит только одну частоту или длину волны.Сведения о спектре излучения радиопульсаров удалось получить прежде всего благодаря наблюдениям самого яркого изних — пульсара Крабовидной туманности. Замечательно, что его излучениерегистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн — от радиоволн догамма-лучей. Больше всего энергии он испускает именно в области гамма-лучей(так что пульсар вполне заслуживает названия гамма-пульсара);
<img src="/cache/referats/5022/image038.gif" v:shapes="_x0000_s1045">
принимаемый гамма-поток в рентгеновской области в 5—10 раз меньше. В области видимого света он еще в десять раз меньше.Слабее всего поток в радиодиапазоне:
<img src="/cache/referats/5022/image040.gif" v:shapes="_x0000_s1046">
Можно проверить, что ни при какой температуре излучение нагретого тела не можетобладать таким распределением энергии по областям спектра.
Кроме пульсара Крабовиднойтуманности, «миллисекундного» пульсара в созвездии Лисички и еще одногопульсара в созвездии Парусов, все остальные радиопульсары регистрируются лишьблагодаря излучению в радиодиапазоне. Не исключено, что они излучают и в другихобластях спектра — в видимом свете, в рентгеновских и гамма-лучах, подобнопульсару Крабовидной.туманности (хотя, вероятно, и не так интенсивно, как он);но они находятся дальше от нас, а чувствительность существующих радиотелескоповвыше чувствительности оптических, рентгеновских и гамма-телескопов.
Интересно, что уже и однихтолько данных о светимости пульсаров в радиодиапазоне — без каких-либо сведенийоб излучении на более коротких длинах волн достаточно, чтобы убедиться внетепловом, нечернотельном характере их излучения. Расстояние до Крабовиднойтуманности известно:
<img src="/cache/referats/5022/image042.gif" v:shapes="_x0000_s1047">
, поэтому с помощью данных о потоке излучения можно найти светимость пульсара.Полная Светимость во всех диапазонах получается умножением полного потока наплощадь, сферы радиуса d:
<img src="/cache/referats/5022/image044.gif" v:shapes="_x0000_s1048">
(В качестве потока f взят фактически поток вгамма-диапазоне.) Светимость этого пульсара приблизительно в тысячу раз большесветимости Солнца на всех длинах волн. Здесь, однако нужно сделать одно замечание.Наша оценка была бы вполне справедлива, если бы пульсар излучал одинаково вовсех направлениях. На самом деле его излучение не изотропно, оно обладаетопределенной направленностью. Мы не знаем, как выглядит луч этого «маяка»:какова его ширина и как ось вращения пульсара ориентирована относительно Земли.Поэтому учесть направленность излучения точно не удается; Действительнаясветимость может быть, вообще говоря, и больше, и меньше; чем
<img src="/cache/referats/5022/image046.gif" v:shapes="_x0000_s1049">
Неопределенность все же некатастрофически велика; так что значение светимости находится, вероятно, между
<img src="/cache/referats/5022/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1050">
Источникэнергии
Периодичность импульсоврадиопульсара выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы вприроде. И все же для многих.пульсаров удалось зарегистрировать и регулярныеизменения их периодов. Конечно, этоисключительно малые изменения и происходят они крайне медленно, так чторегулярность следования импульсов нарушается лишь очень слабо. Характерноевремя изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительномиллион лет; это означает, что только за миллион лет можно ожидать заметного — скажем, вдвое — изменения периода.
Во всех известных случаяхрадиопульсары увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, ихвращение замедляется со временем. Что-то тормозит вращение нейтронной звезды,на что-то тратится ее энергия вращения. Так не служит ли вращение источником,питающим излучение пульсара?
Чтобы это проверить, нужносделать прежде всего энергетическую оценку. Если пульсар действительно излучаетза счет вращения, то кинетическая энергия вращения должна обеспечиватьнаблюдаемую мощность излучения, его светимость. Ориентировочную оценкукинетической энергии вращения звезды можно получить по простой формуле
<img src="/cache/referats/5022/image050.gif" v:shapes="_x0000_s1051">
где М — масса звезды, V —характернаяскорость вращения, в качестве которой можно взять линейную скорость вращения наэкваторе звезды. При типичном периодеР==1 с и радиусе нейтронной звезды 10000 м находим :
<img src="/cache/referats/5022/image052.gif" v:shapes="_x0000_s1052">
Таков запас энергии вращения. Оценим теперь темп ее использования. Еслипериод пульсара увеличивается вдвое за время t, то за то же время кинетическая энергия вращения нейтроннойзвезды уменьшается в 4 раза
<img src="/cache/referats/5022/image054.gif" v:shapes="_x0000_s1053">
Значит, за время t теряется ¾ начального запаса энергиивращения. Средняяпотеря энергии в единицу времени:(1.5)
<img src="/cache/referats/5022/image056.gif" v:shapes="_x0000_s1054">
Мы приняли здесь в качестве t характерное время, равное одному миллиону лет
, и воспользовались предыдущейоценкой энергии вращения Е. Величина W-
средняя мощность, связанная срасходованием энергии вращения, что для
типичного пульсара на несколькопорядков выше его радиосветимости
<img src="/cache/referats/5022/image058.gif" v:shapes="_x0000_s1055">
Для пульсара Крабовидной туманности, период которого составляет одну тридцатуюсекунды, оценку нужно сделать отдельно. У него и характерное время увеличенияпериода не миллион лет; как показывают наблюдения, оно сравнимо с еговозрастом, т. е. близко к тысяче лет. В этом случае мощность Ж окажется вмиллион раз больше, чем по соотношению (1.5); она превышает на несколько порядков полную светимость этогопульсара во всех диапазонах волн.
Можно, таким образом, сказать,что предположение о вращении как источнике энергии пульсара выдерживает первуюпроверку: кинетическая энергия вращения нейтронной звезды достаточно велика иона способна служить резервуаром, из которого излучение черпает свою энергию.При этом на излучение тратится только небольшая доля общего расхода энергии.
Магнитно-дипольное излучениеКаким же образом энергиявращения превращается в энергию электромагнитных волн? Согласно идее,выдвинутой итальянским астрофизиком Ф. Пачини и английским теоретиком Т.Голдом, решающая роль в этом должна принадлежать магнитному полю нейтроннойзвезды. Как мы уже говорили, нейтронная звезда может обладать оченьзначительным магнитным полем. Скореевсего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтроннойзвезды, как и у рентгеновского пульсара Система силовых линий магнитного полявращается с той угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная звезда.Вне светового цилиндра магнитное поле вращающегося наклонного диполя уже неможет оставаться тем же, что и внутри его. На световом цилиндре происходитпревращение дипольного магнитного поля в электромагнитные волны, которыераспространяются вовне, унося с собой определенную энергию. Эта энергиячерпается из энергии вращения нейтронной звезды. Такого рода магнитно-дипольноеизлучение давно изучено в электродинамике. Известно, что частота излученныхволн равна частоте вращения магнитного диполя, длина волны равна радиусусветового цилиндра. Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитнымполем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращенияпреобразуется в энергию излучения. Но магнитно-дипольные волны — это отнюдь нето излучение, которое наблюдают у пульсаров: его частота слишком мала, а длинаволны слишком велика — десятки и сотни километров. Магнитно-дипольные волныдолжны претерпеть какие-то очень существенные превращения, прежде, чемвозникнет наблюдаемое излучение пульсаров. Эти превращения происходят, по-видимому, в магнитосфере пульсара — вокружающем нейтронную звезду вращающемся облаке заряженных частиц.
Магнитосфера
Возможность и даженеобходимость существования такого облака доказали американскиеастрофизики-теоретики П. Голдрайх и В. Джулиан. Они изучили электромагнитныеявления, происходящие не на световом цилиндре, где рождается магнитно-дипольноеизлучение, а вблизи самой поверхности нейтронной звезды. Здесь намагниченнаянейтронная звезда способна «работать» подобно динамомашине: ее вращениевызывает появление сильных электрических полей, а с ними и токов, т. е.направленных движений заряженных частиц. Отношение электрической силы к силе тяжести, испытываемой электроном,очень велико:
<img src="/cache/referats/5022/image060.gif" v:shapes="_x0000_s1056">
Такая же оценка для протона показывает, что действующая на него электрическаясила в миллиард раз больше силы притяжения к нейтронной звезде. Это означает,что силы тяготения совершенно несущественны для заряженных частиц по сравнениюс электрическими силами у самой поверхности нейтронной звезды. Электрическиесилы здесь необычайно велики и они способны беспрепятственно управлятьдвижением электронов и протонов: они могут отрывать их от поверхностинейтронной звезды, ускорять их, сообщая частицам огромные энергии.Электрическая сила, действующая в поле на частицу о зарядом, совершает на пути частицы работу. Значит проходя вэлектрическом поле расстояние, сравнимое с радиусом нейтронной звезды(например, от экватора до одного из полюсов), частица приобретает энергию
<img src="/cache/referats/5022/image062.gif" v:shapes="_x0000_s1057">
Это действительно огромная энергия, намного порядков превышающая даже энергии покоя электрона и протона. Гигантскаяэнергия частиц соответствует их скоростям движения, приближающимся к скоростисвета, а фактически совпадающим с ней. Частицы высоких энергий, отрываемые отповерхности нейтронной звезды и ускоряемые сильным электрическим полем, создаютпоток, исходящий от нейтронной звезды и похожий на солнечный или звездныйветер. Магнитное поле увлекает этот поток во вращение вместе о нейтроннойзвездой. Так вокруг нее возникает расширяющаяся и вращающаяся магнитосфера. Рождение и ускорениечастиц, образующих магнитосферу, требует значительной энергии, котораячерпается из кинетической энергии вращения нейтронной звезды. Теоретический анализ, проделанный П.Голдрайхом и В.; Джулианом, показывает, что на это тратится приблизительностолько же энергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение. При этом и самомагнитно-дипольное излучение пополняет запас энергии магн