Что такое пульсары в космосе. Что такое пульсар: определение, особенности и интересные факты

Когда в июне 1967 года был открыт первый пульсар, его всерьез приняли за искусственный космический объект. Слишком уж необычным был. Главная его особенность, за что он и получил свое название – периодические вспышки излучения, причем со строго определенным периодом. Этакий радиомаяк в космосе. Сначала предполагали, что это пульсирующая звезда, которая меняет свои размеры – такие давно известны. А обнаружила его Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, с помощью радиотелескопа.

Что интересно, первый пульсар назвали LGM-1, что на английском означает «маленькие зеленые человечки». Однако постепенно выяснилось, что пульсары – естественные объекты нашей Вселенной, да и открыто их уже довольно много – под две тысячи. Самый близкий от нас находится на расстоянии 390 световых лет.

Итак, что же представляет собой пульсар? Это очень маленькая, но очень плотная нейтронная звезда. Такие звезды образуются после взрыва звезды – гиганта, гораздо большей, чем наше Солнце – карлик. В результате прекращения термоядерной реакции вещество звезды сжимается в очень плотный объект – это называется коллапсом, а во время этого электроны – отрицательные частицы, вдавливаются внутрь ядер и соединяются с протонами – положительными частицами. В конце концов, все вещество звезды оказывается состоящим из одних нейтронов, что и дает огромную плотность – нейтроны не имеют заряда и могут располагаться очень тесно, практически друг на друге.

Так вот, вся материя огромной звезды умещается в одной нейтронной звезде, которая имеет размеры всего в несколько километров. Плотность ее такова, что чайная ложка вещества этой звезды весит миллиард тонн .

Первый пульсар, открытый Джоселин Белл, посылал в космос электромагнитные вспышки с частотой 1.33733 секунды. Другие пульсары имеют другие периоды, но частота их излучения остается постоянной, хотя и может лежать в различных диапазонах – от радиоволн до рентгеновского излучения. Почему так происходит?

Дело в том, что нейтронная звезда размером с город очень быстро вращается. Она может совершить тысячу оборотов вокруг своей оси за одну секунду. При этом она имеет очень мощное магнитное поле. По силовым полям этого поля движутся протоны и электроны, а около полюсов, где магнитное поле особенно сильное и где эти частицы достигают очень больших скоростей, они выделяют кванты энергии в различных диапазонах. Получается как бы естественный синхрофазотрон – ускоритель частиц, только в природе. Вот так на поверхности звезды образуется две области, из которых идет очень мощное излучение.

Положите на стол фонарик и начните его вращать. Луч света вращается вместе с ним, освещая все по кругу. Так и пульсар, вращаясь, посылает свое излучение с периодом своего вращения, а оно у него очень быстрое. Когда на пути луча оказывается Земля, мы видим всплеск радиоизлучения. Притом идет этот луч из пятна на звезде, размер которого всего-навсего 250 метров! Это какая же мощность, если мы можем обнаружить сигнал за сотни и тысячи световых лет! Магнитные полюса и ось вращения у пульсара не совпадают, поэтому излучающие пятна вращаются, а не стоят на месте.

Увидеть пульсар нельзя даже в телескоп . Можно обнаружить окружающую его туманность – остатки газа от взорвавшейся звезды, которая и породила пульсар. Эта туманность подсвечивается самим пульсаром, но не обычным светом. Свечение возникает из-за движущихся протонов и электронов на околосветовых скоростях. Сам же пульсар виден только в радиодиапазоне. Только наведя на него радиотелескоп, можно его обнаружить. Хотя самые молодые пульсары имеют способность излучать в оптическом диапазоне, и с помощью очень чувствительной аппаратуры это смогли доказать, со временем эта способность у них исчезает.

В космосе уже обнаружено множество необычных объектов, обладающих уникальными, поражающими воображение свойствами. Это и черные дыры, и пульсирующие звезды, и черные дыры... Пульсары, а в частности, нейтронные звезды, относятся к одним из самых необычных. Явления, происходящие на них, невозможно воспроизвести в лаборатории, поэтому все самые интересные открытия, связанные с ними, еще впереди.

Пульсары – это космические источники радио-, оптического, рентгеновского и/или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).

Пульсар - это маленькая вращающаяся звезда. На поверхности звезды есть участок, который излучает в пространство узконаправленный пучок радиоволн. Наши радиотелескопы принимают это излучение тогда, когда источник повернут в сторону Земли. Звезда вращается, и поток излучения прекращается. Следующий оборот звезды - и мы снова принимаем ее радио послание.

Так же действует маяк с вращающимся фонарем. Издали мы воспринимаем его свет как пульсирующий. То же самое происходит и с пульсаром. Мы воспринимаем его излучение, как пульсирующий с определенной частотой источник радио волнового излучения. Пульсары относятся к семейству нейтронных звезд. Нейтронная звезда - это звезда, которая остается после катастрофического взрыва гигантской звезды.

Пульсар – нейтронная звезда

Звезда средней величины, например Солнце, размерами в миллион раз превосходит такую планету, как Земля. Гигантские звезды в поперечнике в 10, а иногда и в 1000 раз больше Солнца. Нейтронная звезда - это гигантская звезда, сжатая до размера крупного города. Это обстоятельство и делает поведение нейтронной звезды очень странным. Каждая такая звезда равна по массе гигантской звезде, но эта масса стиснута в чрезвычайно малом объеме. Одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиард тонн.

– это космические источники радио-, оптического, рентгеновского и/или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).

Поэтому по виду излучения их разделяют на радиопульсары, оптические пульсары, рентгеновские и/или гамма-пульсары. Природа излучения пульсаров пока полностью не раскрыта, модели пульсаров и механизмов излучения ими энергии изучаются теоретически. На сегодняшний день преобладает мнение о пульсарах как о вращающихся нейтронных звездах с сильным магнитным полем.

Открытие пульсаров

Это произошло в 1967 г. Английский радиоастроном Э. Хьюиш и его сотрудники обнаружили идущие как бы из пустого места в космосе короткие радиоимпульсы, повторяющиеся стабильно с периодом не менее секунды. Сначала результаты наблюдений за этим явлением хранились в тайне, т.к. можно было предположить, что эти импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение – возможно, это сигналы какой-нибудь внеземной цивилизации? Но источника излучения, совершающего орбитальное движение, обнаружено не было, зато группа Хьюиша нашла еще 3 источника подобных сигналов. Таким образом, надежда на сигналы внеземной цивилизации исчезла, и в феврале 1968 г. в появилось сообщение об открытии быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы с высокостабильной частотой.

Это сообщение вызвало настоящую сенсацию, а в 1974 г. за это открытие Хьюиш получил Нобелевскую премию. Пульсар этот называется PSR J1921+2153. В настоящее время известно около 2 тысяч радиопульсаров, они обычно обозначаются буквами PSR и цифрами, которые выражают их экваториальные координаты.

Что представляет собой радиопульсар?

Астрофизики пришли к общему мнению, что радиопульсар представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения, и в результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени - так образуются импульсы пульсара. Большинство астрономов уверены в том, что пульсары - это крохотные нейтронные звезды с диаметром в несколько километров, вращающиеся с периодами в доли секунды. Их даже называют иногда «звездными волчками». Из-за магнитного поля излучение пульсара похоже на луч прожектора: когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну радиотелескопа, видны всплески излучения. Сигналы пульсаров на разных радиочастотах распространяются в межзвездной плазме с разной скоростью. По взаимному запаздыванию сигналов определяют расстояние до пульсара, определяют их расположение в Галактике. Распределение пульсаров приблизительно соответствует распределению остатков сверхновых звезд.

Рентгеновские пульсары

Рентгеновский пульсар представляет собой тесную двойную систему , одним из компонентов которой является нейтронная звезда , а вторым - нормальная звезда , в результате чего происходит перетекание материи с обычной звезды на нейтронную. Нейтронные звезды - это звезды с очень малыми размерами (20-30 км в диаметре) и чрезвычайно высокими плотностями, превышающими плотность атомного ядра. Астрономы считают, что нейтронные звёзды появляются в результате взрывов сверхновых. При взрыве сверхновой происходит стремительный коллапс ядра нормальной звезды, которое затем и превращается в нейтронную звезду. Во время сжатия в силу закона сохранения момента импульса, а также сохранения магнитного потока происходит резкое увеличение скорости вращения и магнитного поля звезды. Таким образом, для рентгеновского пульсара важны именно два этих признака: быстрая скорость вращения и чрезвычайно высокие магнитные поля. Материя, ударяясь о твердую поверхность нейтронной звезды, сильно разогревается и начинает излучать в рентгене. Близкими родственниками рентгеновских пульсаров являются поляры и промежуточные поляры . Различие между пульсарами и полярами заключается в том, что пульсар - это нейтронная звезда, а поляр - белый карлик. Соответственно, у них ниже магнитные поля и скорость вращения.

Оптические пульсары

В январе 1969 г. район пульсара в Крабовидной туманности был обследован оптическим телескопом с фотоэлектрической аппаратурой, способной регистрировать быстрые колебания блеска. Было отмечено существование оптического объекта с колебаниями блеска, имеющими такой же период, как и радиопульсар в этой туманности. Этим объектом оказалась звездочка 16-й величины в центре туманности. Она имела какой-то неразборчивый спектр без спектральных линий. Исследуя в 1942 г. Крабовидную туманность, В. Бааде указал на нее как на возможный звездный остаток сверхновой, а И.С. Шкловский в более поздние годы предполагал, что она является источником релятивистских частиц и фотонов высокой энергии. Но все это были лишь предположения. И вот звезда оказалась оптическим пульсаром , имеющим одинаковые с радиопульсаром период и интеримпульсы, а физически она должна быть нейтронной звездой, расход энергии которой достаточен для поддержания свечения и всех видов излучений Крабовидной туманности. После открытия оптического пульсара были проведены поиски и в других остатках сверхновых, особенно в тех, где уже найдены радиопульсары. Но только в 1977 г. австралийским астрономам с помощью специальной техники удалось нащупать пульсацию в оптическом диапазоне исключительно слабой звездочки 25-й величины в остатке сверхновой Паруса X. Третий оптический пульсар нашли в 1982 г. в созвездии Лисички по радиоизлучению. Остатка сверхновой не найдено.

Что же собой представляет оптический пульсар? Центральные компоненты спектральных линий SS 433 показывают перемещения с периодом 13 суток и изменения скорости движения от -73 до +73 км/с. Видимо, здесь также присутствует тесная двойная система, состоящая из оптически наблюдаемого горячего сверхгиганта классов О или В и невидимого в оптике рентгеновского компонента. Сверхгигант имеет массу более десяти солнечных, он раздулся до предельных границ собственной зоны тяготения, пополняет своим газом диск, окружающий по экватору вращения рентгеновский компонент. Плоскость диска перпендикулярна оси вращения компактного объекта, каким является рентгеновский компонент, а не лежит в орбитальной плоскости двойной системы. Поэтому диск и обе газовые струи ведут себя как наклонно вращающийся волчок, причем ось их вращения прецессирует (описывает конус), совершая один оборот за 164 суток (это известное явление прецессии вращающихся тел). Рентгеновский компонент, пожирающий газ диска и выбрасывающий струи, может быть нейтронной звездой.

Относятся к числу самых мощных космических источников гамма-излучения. Астрофизики очень хотят выяснить, каким образом эти нейтронные звезды ухитряются так сильно светить в гамма-диапазоне. До запуска телескопа Ферми было известно лишь около десятка гамма-пульсаров, в то время как общее число пульсаров составило примерно 1800. Теперь новая обсерватория стала открывать гамма-пульсары десятками. Ученые надеются, что ее работа дастмножество ценных сведений, которые помогут лучше понять природу гамма-пульсаров и других космическихгенераторов гамма-квантов.

В 2012 г. астрономы обнаружили при помощи орбитального гамма-телескопа "Ферми" быстрейший на сегодня гамма-пульсар в созвездии Центавра, совершающий один оборот за 2,5 миллисекунды и пожирающий при этом останки звезды-компаньона размером с Юпитер. (Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи , γ-лучи ) - вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны - < 5·10 −3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. На картинке гамма-излучение показано фиолетовым цветом.

Подытожим…

Нейтронные звезды – удивительные объекты. Их в последнее время наблюдают с особенным интересом, т.к. загадку представляет не только их строение, но и огромная их плотность, сильнейшие магнитные и гравитационные поля. Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Пульсар - это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита . Если бы на него ничего не падало и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле. Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, а вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 1010-1014 гаусс. Сравним: земное поле составляет 1 гаусс, солнечное - 10-50 гаусс). Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звездами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды необязательно совпадает с осью ее вращения, то при вращении звезды поток радиоволн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маяка - лишь на миг прорезая окружающую мглу.

Пульсары были обнаружены совершенно случайно в середине 60-х годов ХХ века. Это произошло во время наблюдений при помощи радиотелескопа, который изначально был предназначен для того, чтобы изучать различные мерцающие источники в неизведанных глубинах космоса. Что же представляют собой эти космические объекты?

Открытие пульсаров британскими исследователями

Группа ученых - Джослин Белл, Энтони Хьюис и другие - проводили исследования в Кембриджском университете. Эти импульсы поступали с периодичностью в 0,3 сек., а их частота составляла 81,5 МГц. Тогда астрономы еще не задумывались о том, что такое пульсар в действительности и какова его природа. Первое, на что они обратили внимание - это на удивительную периодичность обнаруженных ими "посланий". Ведь обычные мерцания происходили в хаотичном режиме. Среди ученых даже возникло предположение о том, что эти сигналы являются свидетельством пытающейся достучаться до человечества внеземной цивилизации. Для их обозначения было введено название LGM - это английское сокращение означало little green men ("маленькие зеленые человечки"). Исследователи начали предпринимать серьезные попытки для того, чтобы расшифровать загадочный "код", и для этого привлекались именитые специалисты-дешифровщики со всей планеты. Однако их попытки не увенчались успехом.

В течение последующих трех лет астрономами были обнаружены еще 3 подобных источника. И тогда-то ученые поняли, что такое пульсар. Он оказался еще одним объектом Вселенной, никакого отношения не имеющим к инопланетным цивилизациям. Именно тогда пульсары и получили свое название. За их открытие ученый Энтони Хьюиш был удостоен Нобелевской премии по физике.

Что представляют собой нейтронные звезды?

Но несмотря на то, что открытие это произошло достаточно давно, многих до сих пор интересует ответ на вопрос "что такое пульсар". Это неудивительно, ведь не каждый может похвастать, что в его школе или университете астрономия преподавалась на высшем уровне. Отвечаем на вопрос: пульсар - это нейтронная звезда, которая образовывается после того, как происходит вспышка сверхновой звезды. А так удивившее в свое время постоянство пульсации может быть легко объяснено - причиной его является стабильность вращения этих нейтронных звезд.

В астрономии пульсары обозначаются четырехзначным числом. Причем первые две цифры названия обозначают часы, а следующие две - минуты, в которые происходит прямое восхождение импульса. А впереди цифр ставятся две латинские буквы, в которых кодируется место открытия. Самый первый из всех открытых пульсаров получил название СР 1919 (или "Кембриджский пульсар").

Квазары

Что такое пульсары и квазары? Мы уже разобрались с тем, что пульсары являются мощнейшими радиоисточниками, излучение которых сосредотачивается в отдельно взятых импульсах определенной частоты. Квазары также являются одними из интереснейших объектов во всей Вселенной. Они также являются чрезвычайно яркими - превосходят по своей мощности общую силу излучения галактик, которые подобны Млечному Пути. Квазары были обнаружены астрономами как объекты, обладающие большим красным смещением. Согласно одной из распространенных теорий, квазары - это галактики на начальном этапе своего развития, внутри которых находится

Самый яркий пульсар в истории

Одним из самых знаменитых таких объектов Вселенной является пульсар в Крабовидной туманности. Данное открытие показывает, что пульсар - это один из самых удивительных объектов во всей Вселенной.

Взрыв нейтронной звезды в нынешней Крабовидной туманности был настолько мощным, что это даже не может вписаться в современную теорию астрофизики. В 1054 году н. э. на небосклоне засияла новая звезда, которая в наши дни получила название SN 1054. Взрыв ее наблюдался даже в дневное время, что было засвидетельствовано в исторических хрониках Китая и арабских стран. Интересно, что Европа не заметила этого взрыва - тогда общество было настолько поглощено разбирательствами между папой римским и его легатом, кардиналом Гумбером, что ни один ученый того времени не зафиксировал этого взрыва в своих работах. А несколько веков спустя на месте этого взрыва была обнаружена новая туманность, впоследствии получившая название Крабовидной. Ее первооткрывателю, Уильяму Парсонсу, она почему-то по своей форме напомнила краба.

А в 1968 году впервые был обнаружен пульсар PSR B0531+21, и именно этот пульсар был первым из всех, которые ученые отождествили с остатками от сверхновой звезды. Источником пульсации, если судить более строго, является не сама звезда, а так называемая вторичная плазма, которая образуется в магнитном поле вращающейся с бешеной скоростью звезды. Частота вращения пульсара Крабовидной туманности составляет 30 раз в одну секунду.

Открытие, которое не вписывается в рамки современных теорий

Но этот пульсар удивителен не только своей яркостью и частотой. Недавно было обнаружено, что PSR B0531+21 испускает радиоактивные лучи в диапазоне, который превышает отметку в 100 млрд вольт. Это число в миллионы раз превосходит то излучение, которое используется в медицинском оборудовании, а также оно в десять раз выше, чем то значение, которое описывается в современной теории гамма-лучей. Мартин Шредер, американский астроном, говорит об этом так: «Если бы всего лишь два года назад вы задали любому астрофизику вопрос о том, может ли быть обнаружено такого рода излучение, вы бы получили однозначное "нет". Такой теории, в которую может уложиться открытый нами факт, попросту не существует».

Что такое пульсары и как они образовались: загадка астрономии

Благодаря исследованиям пульсара Крабовидной туманности, ученые имеют представление о природе этих загадочных объектов космоса. Теперь можно более-менее четко представлять себе, что такое пульсар. Их возникновение объясняется тем, что на финальной стадии своей эволюции некоторые звезды взрываются и вспыхивают огромнейшим фейерверком - происходит рождение сверхновой звезды. От обычных звезд их отличает мощность вспышки. Всего в нашей Галактике происходит порядка 100 таких вспышек в год. Всего лишь за несколько суток сверхновая звезда увеличивает светимость в несколько миллионов раз.

Все без исключения туманности, а также пульсары появляются на месте вспышек сверхновых звезд. Однако наблюдать пульсары можно не во всех остатках этого типа небесных светил. Это не должно смущать любителей астрономии - ведь пульсар можно наблюдать только в том случае, если он расположен под определенным углом вращения. Кроме того, в силу своей природы пульсары «живут» дольше, чем туманности, в которых они образовываются. Ученые до сих пор не могут точно определить те причины, которые заставляют остывшую и, казалось бы, давно мертвую звезду становиться источником мощнейшего радиоизлучения. Несмотря на обилие гипотез, ответ на этот вопрос астрономам предстоит дать в будущем.

Пульсары с самым коротким периодом вращения

Вероятно, тем, кто задается вопросом о том, что такое пульсар и каковы последние новости от астрофизиков об этих небесных объектах, будет интересно знать и общее количество открытых на сегодняшний день звезд такого рода. Сегодня ученым известно более чем 1 300 пульсаров. Причем огромное количество - порядка 90 % - этих звезд пульсируют в пределах от 0,1 до 1 секунды. Есть даже пульсары с еще меньшими периодами - они носят название миллисекундных. Один из них был обнаружен астрономами в 1982 году в созвездии Лисички. Период его вращения составлял всего лишь 0,00155 сек. Схематическое изображение пульсара включает в себя ось вращения, магнитное поле, а также радиоволны.

Такие короткие периоды вращения пульсаров и послужили главным аргументом в пользу предположений о том, что по своей природе они представляют собой вращающиеся нейтронные звезды (пульсар является синонимом выражения "нейтронная звезда"). Ведь небесное тело с таким периодом вращения должно быть очень плотным. Исследования этих объектов продолжаются до сих пор. Узнав о том, что такое нейтронные пульсары, ученые не остановились на открытых ранее фактах. Ведь эти звезды были поистине удивительными - их существование могло быть возможным исключительно при условии, что центробежные силы, которые возникают вследствие вращения, меньше сил тяготения, которые связывают вещество пульсара.

Различные виды нейтронных звезд

В дальнейшем оказалось, что пульсары с миллисекундными периодами вращения являются не самыми молодыми, а, напротив, одними из старейших. И у пульсаров этой категории были самые слабые магнитные поля.

Есть также и тип нейтронных звезд, называемых рентгеновскими пульсарами. Это такие небесные тела, которые испускают рентгеновское излучение. Они также относятся к категории нейтронных звезд. Однако радиопульсары и звезды, излучающие рентгеновское излучение, действуют по-разному и имеют разные свойства. Впервые пульсар такого рода был открыт в 1972 году в

Природа пульсаров

Когда исследователи только лишь начали изучать, что такое пульсары, то они решили, что нейтронные звезды обладают той же природой и плотностью, что и ядра атомов. Такой вывод был сделан, поскольку для всех пульсаров характерно жесткое излучение - точно такое же, какое сопровождает и ядерные реакции. Однако дальнейшие расчеты позволили астрономам сделать другое утверждение. Тип космических объектов "пульсар" - это небесное тело, которое подобно планетам-гигантам (иначе называемым "инфракрасными звездами").