Пульсар

Пульсація інтенсивності гамма-променів від пульсара Вела.

Пульсар — космічне джерело електромагнітного випромінювання, що реєструється на Землі у вигляді імпульсів — сплесків, які періодично повторюються.

Перший пульсар відкрили Джоселін Белл і Ентоні Х'юїш у 1967. Джерелом імпульсів вважається нейтронна зоря з сильним магнітним полем, яка обертається і має вузькоспрямоване випромінювання.

Більшість пульсарів спостерігаються у радіодіапазоні. В наш час відомо більше 1000 пульсарів (зокрема в Паркському огляді було зареєстровано 1031 пульсар). Радіопульсар є кінцевою стадією еволюції одиночної масивної зорі. Нейтронна зоря утворюється в результаті вибуху Наднової. Вибух є асиметричним, тому швидкості радіопульсарів часто перевищують 300 км/с. З часом період радіопульсара збільшується, а потужність випромінювання спадає. Навколо багатьох радіопульсарів спостерігаються газові оболонки, сформовані пульсарним вітром — плеріони.

У радіопульсарів спостерігаються стрибкоподібні зменшення періодів — глітчі. Їх намагаються пояснювати перебудовою внутрішньої структури нейтронної зорі, наприклад зсувами кори (зоретруси) або фазовими переходами ядерної речовини.

В 1991-1994 поблизу пульсарів PSR B1257+12 в Діві і PSR B1620-26 в Скорпіоні відкриті 4 планети за доплерівським зсувом радіовипромінювання.

Особливий інтерес становлять спостереження пульсарів, що входять до складу подвійних систем. Перший подвійний радіопульсар відкритий в 1972 Халсом і Тейлором. У 2004 відкрито систему з 2 нейтронних зір, причому з обох спостерігається пульсуюче радіовипромінювання. Спостереження таких систем дозволяють виявити втрати енергії за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, які передбачаються Загальною теорією відносності.

У 1967 відкритий перший рентгенівський пульсар — Кентавр Х-3. Більшість відомих рентгенівських пульсарів (біля 40) входять до складу тісних подвійних систем і мають акреційні диски. Відомі також одиночні рентгенівські пульсари — магнетари. Вони мають магнітне поле в 1000 разів більше, ніж у звичайних нейтронних зір і проявляються у вигляді аномальних рентгенівських пульсарів і джерел повторювальних гамма-спалахів.

Магнітосфера пульсара

Магнітосфера пульсара складається з електронно-позитронної плазми, яка рухається в магнітному полі нейтронної зорі. Зовнішня границя магнітосфери — світловий циліндр, на якому лінійна швидкість обертального руху плазми досягає швидкості світла. Розмір магнітосфери пульсара має порядок розміру Землі — десятки тисяч кілометрів. Сильне магнітне поле нейтронної зорі індукує поблизу її поверхні електричне поле. Найбільше електричне і магнітне поле досягається в полярній шапці поблизу магнітної осі. Розмір полярної шапки приблизно 1 км. Електронно-позитронні пари народжуються з вакууму під дією електричного поля в приповерхневому шарі висотою біля 100 метрів. Заряджені частинки рухаються вздовж магнітних силових ліній. Деякі магнітні силові лінії обриваються на світловому циліндрі. Тому заряди, які по них рухалися, стікають по поверхні циліндра і далі по останній замкненій силовій лінії (сепаратрисі) на поверхню нейтронної зорі. При русі по поверхні заряди викликають пондеромоторну силу, яка вповільнює обертання зорі. Таким чином енергія на утворення і випромінення магнітосфери отримується з кінетичної енергії обертання. Плазма вморожена в магнітне поле і електрони при русі по силовій лінії зазнають прискорення і випромінюють. Поблизу поверхні нейтронної зорі енергія квантів випромінення досягає 10¹² еВ, а на світловому циліндрі вона спадає до радіодіапазону. Так утворюється випромінення пульсара.

Пульсарні відскакування

Пульсарне відскакування (pulsar kick) — спостережний феномен, суть якого полягає в тому, що нейтронні зорі — залишки наднових — рухаються з надмірно великими швидкостями.? За оцінками просторового розподілу багато радіопульсарів мають швидкості близько 30-40 км/с. Також відомо немало пульсарів зі швидкостями 200-500 км/с, а у деяких випадках оцінки швидкостей сягають 2000 км/с. Наприклад, зоря B1508+55 має швидкість 1100 км/с та траєкторію, спрямовану назовні Галактики. Дуже переконливий зразок пульсарного відскакування можна спостерігати в туманності Гітара, де ударна хвиля, генерована пульсаром, рухається відносно туманності — залишку наднової — зі швидкістю 800 км/с.

Існує дві основних гіпотези виникнення таких великих швидкостей. Згідно з однією з них вони з'являються при розпаді подвійних систем (ефект Блаау). Якщо вибух у подвійній системі відбувається миттєво, швидкість, яку набувають зорі, що розлітаються, повністю визначається за їх початковими та кінцевими масами, періодами обертання та ексцентриситетом. Припустимо, маємо систему, що складається з гелієвої зорі масою 10 M_ʘ та нейтронної зорі масою 1 M_ʘ. При колапсі гелієва зоря скине 90% своєї маси, і система розлетиться. При цьому швидкості компонентів можуть бути близькими до початкових (але не перевищуватимуть їх). Максимальна швидкість нейтронної зорі в такій системі сягає 500 км/с, при цьому швидкість гелієвої зорі буде близько 50 км/с. Механізм Блаау разом із сучасним сценарієм еволюції подвійних систем може пояснити швидкості до 700 км/с. Один з головних наслідків цієї теорії — нейтронна зоря, що швидко рухається, має бути старою. Якщо досліджуваний радіопульсар має теплове рентгенівське випромінювання, що пов'язане з охолодженням пульсара і свідчить про його молодість, механізм Блаау для цієї зорі можна відкинути.

За гіпотезою Шкловського пульсарні відскакування виникають внаслідок асиметрії у вибуху наднової. Якщо припустити, що під час колапсу частина енергії виділяється анізотропно, то із закону збереження імпульсу можна вирахувати, що швидкості можуть сягати 3000 км/с. Існують різноманітні гіпотези щодо причин такої асиметрії. Чугай (1984) помітив, що в сильному магнітному полі нейтронної зорі, що формується, має проявлятися ефект несиметричного випромінювання нейтрино. Детальні розрахунки показують, що навіть у надсильних магнітних полях за рахунок цього ефекту неможливо досягнути швидкостей більше 100 км/с. Тим не мешне в останні роки інтенсивно розвиваються моделі несиметричного випромінювання нейтрино. В моделі Кусенко пульсарне відскакування обумовлене випромінюванням стерильного нейтрино, що є одним із кандидатів у темну матерію.

Другий можливий механізм, запропонований Липуновим (1983) — припливне спотворення зорі, що колапсує. Але цей ефект може бути суттєвим лише у маломасивних подвійних системах з білими карликами. За оцінками такий механізм може давати швидкості до кількох тисяч кілометрів за секунду. Також як можливий механізм розглядається несиметричній підпал речовини білого карлика внаслідок спотворення його форми.

Література

• Липунов В. М. Астрофизика нейтронных звёзд. Москва: Наука, 1987.

Посилання

• Физика космоса. Маленькая энциклопедия, М.: Советская Энциклопедия, 1986
• Каталог пульсарів Товариства Австралійського телескопа
• Каталог рентгенівських пульсарів Астрономічного інституту ім. Штернберга (Москва)