Пульсар: что это такое, как образуется и почему «пульсирует»
Пульсар — это вращающаяся нейтронная звезда, излучение которой наблюдается с Земли в виде повторяющихся импульсов. Сам объект не включается и не выключается: его излучение направлено в узкие пучки, которые при вращении периодически проходят через направление на Землю. Поэтому для наблюдателя пульсар напоминает космический маяк.
Пульсары являются одними из самых компактных объектов во Вселенной. В сфере диаметром всего несколько десятков километров может находиться масса, сравнимая с массой Солнца или превышающая её. Они обладают сильными магнитными полями, а некоторые совершают сотни оборотов в секунду.
Что такое пульсар простыми словами
Пульсар — это один из способов, которым может проявлять себя нейтронная звезда.
После гибели массивной звезды её центральная часть может сжаться до чрезвычайно плотного объекта — нейтронной звезды. Если такая звезда быстро вращается и создаёт направленные пучки электромагнитного излучения, которые периодически попадают в сторону Земли, астрономы регистрируют последовательность импульсов.
Именно эти повторяющиеся сигналы дали пульсарам название: от английского pulsating radio source — «пульсирующий радиоисточник».
Пульсации можно представить на примере маяка. Лампа маяка светит постоянно, но наблюдатель видит яркую вспышку каждый раз, когда вращающийся луч оказывается направлен на него. Примерно такая же геометрия возникает у многих пульсаров.
Как образуется пульсар
Большинство обычных пульсаров связано с гибелью массивных звёзд.
Когда в ядре массивной звезды заканчивается топливо для дальнейших термоядерных реакций, ядро теряет способность противостоять собственной гравитации и коллапсирует. Внешние слои звезды могут быть выброшены во время взрыва сверхновой, а сжатое ядро превращается в нейтронную звезду.
Новый объект сохраняет часть углового момента первоначальной звезды. При резком уменьшении размера скорость вращения возрастает — примерно по тому же принципу фигурист начинает вращаться быстрее, прижав руки к телу. Одновременно нейтронная звезда обладает очень сильным магнитным полем.
Если условия позволяют возникнуть наблюдаемому периодическому излучению, нейтронную звезду регистрируют как пульсар.
При этом не каждая нейтронная звезда обязательно наблюдается с Земли как пульсар. Даже если объект создаёт направленное излучение, его пучок может никогда не пересекать нашу линию зрения.
Почему пульсар «пульсирует»
Ось магнитного поля нейтронной звезды обычно не обязана совпадать с осью её вращения.
В магнитосфере пульсара возникают мощные электрические поля, а заряженные частицы могут ускоряться почти до скорости света и двигаться вдоль линий магнитного поля. Связанное с этими частицами излучение направлено преимущественно в определённые области пространства.
По мере вращения нейтронной звезды направление излучения тоже перемещается. Когда пучок проходит через Землю, телескоп фиксирует импульс. Через один оборот ситуация повторяется.
Поэтому частота импульсов непосредственно связана с вращением объекта.
Однако сама физика возникновения пульсарного излучения сложнее простой модели маяка. Особенно для радиоизлучения детали того, каким именно образом частицы создают наблюдаемый когерентный сигнал, остаются предметом исследований. Наблюдения в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах показывают, что излучение разных энергий может возникать в различных областях магнитосферы.
Насколько быстро вращаются пульсары
Периоды вращения пульсаров сильно различаются. У одних один оборот занимает секунды, у других — лишь несколько миллисекунд.
Рекордсменом среди хорошо подтверждённых быстро вращающихся пульсаров остаётся PSR J1748−2446ad, совершающий около 716 оборотов в секунду. Один оборот занимает примерно 1,4 миллисекунды.
Для сравнения, знаменитый пульсар в центре Крабовидной туманности совершает оборот примерно за 33 миллисекунды, то есть около 30 раз в секунду.
Пульсар в Парусах вращается примерно раз за 89 миллисекунд — более 11 оборотов в секунду.
Со временем обычные пульсары постепенно теряют энергию вращения и замедляются.
Что такое миллисекундный пульсар
Миллисекундными называют пульсары с очень коротким периодом вращения — порядка нескольких миллисекунд.
Многие из них являются старыми нейтронными звёздами, которые ранее находились или продолжают находиться в двойных системах.
Если вещество звезды-компаньона начинает падать на нейтронную звезду, вместе с веществом передаётся угловой момент. В результате нейтронная звезда постепенно раскручивается. После прекращения интенсивной аккреции она может остаться чрезвычайно быстро вращающимся радиопульсаром.
Такой механизм называют переработкой, или recycling, пульсара.
Некоторые миллисекундные пульсары обладают настолько стабильным вращением, что их импульсы используются как исключительно точные космические часы.
Чем пульсар отличается от нейтронной звезды
Эти понятия связаны, но не являются полными синонимами.
Нейтронная звезда — это тип компактного звёздного остатка.
Пульсар — нейтронная звезда, от которой наблюдаются периодические импульсы электромагнитного излучения.
Таким образом, пульсар является нейтронной звездой, но нейтронная звезда необязательно наблюдается как пульсар.
Различие в первую очередь связано не с составом объекта, а с его наблюдаемыми свойствами и геометрией излучения.
Чем пульсар отличается от магнетара
Магнетар тоже является нейтронной звездой, но его характерная особенность — чрезвычайно сильное магнитное поле.
Активность обычного вращающегося пульсара в значительной степени питается энергией вращения. У магнетара значительная часть наблюдаемой активности связана с энергией его чрезвычайно мощного магнитного поля.
Граница между классами при этом не абсолютно жёсткая: некоторые магнетары демонстрируют пульсирующее радио- или рентгеновское излучение. Поэтому слова «пульсар» и «магнетар» описывают разные характеристики нейтронной звезды и в некоторых случаях могут относиться к одному объекту.
Какие бывают пульсары
Пульсары можно классифицировать по источнику энергии и наблюдаемому излучению.
Радиопульсары обнаруживаются прежде всего по периодическим радиоимпульсам. Именно радиоизлучение позволило открыть первые пульсары.
Рентгеновские пульсары ярко проявляют себя в рентгеновском диапазоне. В двойных системах источником энергии может служить вещество звезды-компаньона, падающее на нейтронную звезду. Её магнитное поле направляет вещество к определённым участкам поверхности, формируя горячие области, вращение которых создаёт рентгеновские пульсации.
Гамма-пульсары испускают периодические сигналы высокой энергии. Космический гамма-телескоп Fermi значительно увеличил количество известных объектов этого класса.
Миллисекундные пульсары отличаются особенно высокой скоростью вращения и высокой стабильностью прихода импульсов.
Один пульсар при этом может наблюдаться сразу в нескольких диапазонах электромагнитного спектра.
Известные пульсары
Один из самых известных примеров — пульсар Крабовидной туманности. Он расположен в центре остатка сверхновой, вспышка которой наблюдалась с Земли в 1054 году. Пульсар вращается примерно раз в 33 миллисекунды и снабжает энергией окружающую туманность потоком высокоэнергетических частиц.
Другой хорошо изученный объект — пульсар в Парусах (Vela). Его период составляет около 89 миллисекунд. Наблюдения показывают связанные с ним мощные потоки высокоэнергетических частиц.
Отдельное место занимает PSR J1748−2446ad — самый быстро вращающийся подтверждённый радиопульсар с частотой около 716 оборотов в секунду.
Как учёные обнаруживают пульсары
Исторически пульсары обнаруживали прежде всего с помощью радиотелескопов.
Телескоп записывает радиоизлучение определённого участка неба, после чего исследователи ищут в данных повторяющийся сигнал. При этом приходится учитывать влияние межзвёздной плазмы: радиоволны разных частот проходят через неё с немного различной скоростью, из-за чего исходный импульс растягивается во времени.
Сегодня пульсары также обнаруживают и исследуют в рентгеновском и гамма-диапазонах с помощью космических обсерваторий.
Особенно важна методика пульсарного тайминга — очень точного измерения времени прихода последовательных импульсов.
Если импульс приходит чуть раньше или позже расчётного времени, это может указывать на изменение вращения самого пульсара, движение в двойной системе, влияние межзвёздной среды или другие физические эффекты.
Зачем учёным нужны пульсары
Пульсары позволяют исследовать физические условия, которые невозможно воспроизвести в земной лаборатории.
Наблюдения нейтронных звёзд помогают изучать поведение вещества при чрезвычайно высокой плотности, свойства сильных магнитных полей и процессы ускорения частиц.
Двойные пульсары позволяют проводить точные проверки теорий гравитации.
Особенно стабильные миллисекундные пульсары используются для поиска низкочастотных гравитационных волн. Для этого астрономы одновременно следят за временем прихода импульсов от множества пульсаров. Проходящие через Галактику гравитационные волны слегка изменяют расстояния между Землёй и этими объектами, вызывая характерные отклонения времени прихода сигналов.
Пульсары рассматриваются и как возможная основа автономной навигации космических аппаратов. Их стабильные рентгеновские импульсы могут использоваться как естественные космические ориентиры, аналогично тому, как навигационные спутники используются около Земли.
Кто открыл пульсары
Первый пульсар был обнаружен в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, которая тогда была аспиранткой Кембриджского университета.
Она заметила в данных радионаблюдений чрезвычайно регулярные импульсы с интервалом около 1,3 секунды. Источник получил обозначение PSR B1919+21.
Необычная регулярность сигнала сначала заставила исследователей рассмотреть даже возможность искусственного происхождения, но вскоре были обнаружены другие аналогичные источники. Стало ясно, что речь идёт о новом классе астрономических объектов — вращающихся нейтронных звёздах.
Связанные понятия
Нейтронная звезда — компактный остаток массивной звезды, из которого может образоваться пульсар.
Магнетар — нейтронная звезда с исключительно сильным магнитным полем.
Сверхновая — звёздный взрыв, после которого в ряде случаев остаётся нейтронная звезда.
Аккреция — падение вещества на массивный объект; может раскручивать нейтронную звезду в двойной системе.
Гравитационные волны — изменения пространства-времени, которые можно исследовать при помощи массивов миллисекундных пульсаров.
Пульсарный тайминг — высокоточное измерение времени прихода импульсов пульсара.
Частые вопросы
Пульсар — это звезда?
Да, но не обычная звезда. Пульсар представляет собой нейтронную звезду — компактное ядро, оставшееся после гибели массивной звезды. Внутри него уже не происходят обычные термоядерные реакции, поддерживающие существование звёзд главной последовательности.
Почему пульсар мигает?
Сам пульсар не обязан периодически выключаться. Наблюдаемые импульсы возникают потому, что направленный пучок излучения вращается вместе с нейтронной звездой и регулярно проходит через направление на Землю. Это напоминает луч вращающегося маяка.
Чем пульсар отличается от нейтронной звезды?
Нейтронная звезда — физический тип объекта. Пульсар — нейтронная звезда, периодическое излучение которой мы наблюдаем. Поэтому каждый обычный пульсар является нейтронной звездой, но не каждую нейтронную звезду мы видим как пульсар.
Как быстро вращается пульсар?
Скорость зависит от объекта. Один оборот может занимать от миллисекунд до секунд и более. Самый быстро вращающийся подтверждённый радиопульсар PSR J1748−2446ad совершает около 716 оборотов в секунду.
Опасны ли пульсары для Земли?
Известные пульсары находятся слишком далеко, чтобы их излучение представляло опасность для Земли. Они могут создавать чрезвычайно мощное излучение и потоки частиц в непосредственной близости от себя, но расстояния до наблюдаемых объектов огромны.