Астрономия

Краткий рассказ о пульсарах

                                  Введение
   На  протяжении  веков  единственным  источником  сведений  о  звездах  и
Вселенной был для астрономов видимый  свет.  Наблюдая  невооруженным  глазом
или с помощью телескопов, они использовали только очень  небольшой  интервал
волн  из  всего  многообразия  электромагнитного   излучения,   испускаемого
небесными телами. Астрономия преобразилась с  середины  нашего  века,  когда
прогресс физики и  техники  предоставил  ей  новые  приборы  и  инструменты,
позволяющие вести наблюдения  в самом широком диапазоне волн –  от  метровых
радиоволн  до  гамма-лучей,  где  длины  волн  составляют  миллиардные  доли
миллиметра. Это вызвало нарастающий  поток  астрономических  данных,  в  том
числе и открытие пульсаров.

                                  Открытие

   Летом 1967 г. в Кембриджском университете (Англия) вошел в  строй  новый
радиотелескоп, специально построенный Э.  Хьюишем  и  его  сотрудниками  для
одной   наблюдательной    задачи    -    изучения    мерцаний    космических
радиоисточников.  Новый  радиотелескоп   позволял   производить   наблюдения
больших участков неба, а аппаратура для  обработки  сигналов  была  способна
регистрировать уровень радио-потока через  каждые  несколько  десятых  долей
секунды.  Эти  две  особенности  их  инструмента  и  позволили  кембриджским
радиоастрономам  открыть  нечто  совершенно  новое  -   пульсары.   Открытие
пульсаров отмечено Нобелевской премией по физике в 1978 г.

                      Интерпретация: нейтронные звезды

   В астрономии известно немало звезд, блеск которых  непрерывно  меняется,
то возрастая, то падая. Имеются звезды,  их  называют  цефеидами  со  строго
периодическими вариациями блеска. Усиление и ослабление  яркости  происходит
у разных звезд этого класса с периодами от нескольких дней до  года.  Но  до
пульсаров никогда еще не встречались звезды со столь коротким периодом,  как
у первого «кембриджского» пульсара.
   Вслед за ним в очень короткое  время  было  открыто  несколько  десятков
пульсаров, и периоды некоторых из  них  были  еще  короче.  Сейчас  известно
около четырех сотен пульсаров. Очень короткие  периоды  пульсаров  послужили
первым и самым веским аргументом в пользу интерпретации  этих  объектов  как
вращающихся нейтронных звезд.  Происхождение  быстрого  вращения  нейтронных
звезд-пульсаров  несомненно  вызвано   сильным   сжатием   звезды   при   ее
превращении из «обычной» звезды в нейтронную.  Когда  звезда  сжимается,  ее
вращение убыстряется. Здесь действует один из основных  законов  механики  -
закон сохранения момента  импульса.  Из  него  следует,  что  при  изменении
размеров вращающегося  тела,  изменяется  и  скорость  его  вращения.  Более
быстрое  исходное  вращение  дает  и  еще  более  короткие  периоды.  Сейчас
известны не только пульсары, излучающие  в  радиодиапазоне,  -  их  называют
радиопульсарами,  но  и  рентгеновские   пульсары,   излучающие   регулярные
импульсы рентгеновских лучей. Но и радиопульсары, и  рентгеновские  пульсары
отличаются от барстеров  в  одном  принципиальном  отношении:  они  обладают
очень сильными магнитными полями,  которые  вместе  с  быстрым  вращением  и
создают  эффект  пульсаций,  хотя  и  действуют  эти   поля   по-разному   в
радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.

                           Рентгеновские пульсары

   Рентгеновские пульсары — это тесные двойные системы, в которых  одна  из
звезд является нейтронной,  а  другая  —  яркой  звездой-гигантом.  Известно
около двух десятков  этих объектов. Первые два рентгеновских  пульсара  —  в
созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра.  Пульсар  в  Геркулесе  посылает
импульсы с периодом 1,24 с. Это период  вращения  нейтронной  звезды.  Между
прочим,  наблюдение  рентгеновских  затмений  для  барстеров  до  последнего
времени не удавалось. Пульсар в созвездии Центавра  имеет  период  пульсаций
4,8 с. В большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды  в  рентгеновских
пульсарах является яркая  голубая  звезда-гигант.  Этим  они  отличаются  от
барстеров,  которые  содержат  слабые  звезды-карлики.  Есть  все  основания
полагать, что  нейтронные  звезды  рентгеновских  пульсаров  обладают  очень
сильным магнитным полем, достигающим значений магнитной индукции  B(  108  –
109 Тл, что в 1011- 1012 раз больше  среднего  магнитного  поля  Солнца.  Но
такие  поля  естественно  получаются  в  результате  сильного   сжатия   при
превращении обычной звезды в нейтронную.
   По своей структуре, т. е. по геометрии  силовых  линий,  магнитное  поле
пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное поле Земли  или  Солнца:  у
него имеются два полюса, из которых  в  разные  стороны  расходятся  силовые
линии. Такое поле называют дипольным.
   От  рентгеновских  пульсаров  никогда  не  наблюдали  вспышек,  подобных
вспышкам барстеров. С другой стороны,  от  барстеров  никогда  не  наблюдали
регулярных пульсаций. Магнитное поле нейтронных звезд  в  барстерах  заметно
слабее, чем в пульсарах. Различие в  магнитном  поле  связано,  вероятно,  с
различием возраста барстеров и  пульсаров.  Следовательно,  барстеры  -  это
старые системы, в которых магнитное  поле  успело  со  временем  в  какой-то
степени ослабнуть, а пульсары - это относительно молодые  системы  и  потому
магнитные поля в них сильнее.

                                Радиопульсары

   Распределение  радиопульсаров  на  небесной  сфере  позволяет  заключить
прежде всего, что эти источники принадлежат нашей Галактике:  они  очевидным
образом концентрируются к ее  плоскости  служащей,  экватором  галактической
координатной сетки. Если радиопульсары  располагаются  вблизи  галактической
плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать,  что  и
сами они являются  молодыми.  Строгая  периодичность  следования  импульсов,
расположение  в  плоскости  Галактики  и  молодость  -  все   это   сближает
радиопульсары с рентгеновскими пульсарами.  Но во многих  других  отношениях
они резко отличаются  друг  от  друга.  Дело  не  только  в  том,  что  одни
испускают радиоволны, а другие рентгеновские  лучи.  Важнее  всего  то,  что
радиопульсары - это одиночные, а не двойные  звезды.  Физика  радиопульсаров
должна быть совсем  иной,  чем  у  барстеров  или  рентгеновских  пульсаров.
Принципиально иным должен  быть  источник  их  энергии.  Излучение  пульсара
Крабовидной туманности регистрируется во  всех  диапазонах  электромагнитных
волн - от радиоволн  до  гамма-лучей.  Больше  всего  энергии  он  испускает
именно в области гамма-лучей:
E ( 10-11 Вт / м2
   Но  большинство  радиопульсаров  регистрируются  благодаря  излучению  в
радиодиапазоне.  Расстояние  до  Крабовидной  туманности:  d  =  6*1019   м,
следовательно, можно найти светимость пульсара:

                              Источник энергии

   Периодичность  импульсов  радиопульсара  выдерживается  с   удивительной
точностью. Это самые точные часы  в  природе.  Характерное  время  изменения
периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет.
   Вращение  замедляется  со  временем,  следовательно,  тратится   энергия
вращения. Кинетическую энергию вращения звезды можно получить по формуле:
где М — масса звезды,  V  —  характерная  скорость  вращения.  При  типичном
периоде 1 с и радиусе нейтронной звезды 10000 м:
E = 3*1039 Дж.
Таков запас  энергии  вращения.  Кинетическая  энергия  вращения  нейтронной
звезды достаточно велика и она способна  служить  резервуаром,  из  которого
излучение черпает свою энергию.

                        Магнитно-дипольное излучение

   Нейтронная звезда может обладать  очень  значительным  магнитным  полем.
Скорее всего, поле имеет дипольный характер,  а  его  ось  наклонена  к  оси
вращения нейтронной звезды,  как  и  у  рентгеновского  пульсара.  Магнитно-
дипольное излучение  давно  изучено  в  электродинамике.  Итак,  вращающаяся
нейтронная  звезда   с   наклонным   магнитным   полем   способна   излучать
электромагнитные  волны.  При  этом  энергия  ее  вращения  преобразуется  в
энергию излучения.

                                Магнитосфера

   Магнитосфера  –  вращающееся  облако   заряженных   частиц,   окружающее
нейтронную звезду. Возможность и  даже  необходимость  существования  такого
облака  доказали  американские  астрофизики-теоретики  П.  Голдрайх   и   В.
Джулиан. Рождение  и  ускорение  частиц,  образующих  магнитосферу,  требует
значительной энергии, которая черпается  из  кинетической  энергии  вращения
нейтронной звезды.  Теоретический анализ, проделанный  П.  Голдрайхом  и  В.
Джулианом,  показывает,  что  на  это  тратится  приблизительно  столько  же
энергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение.
   Основная   доля   энергии   вращения,   теряемой   нейтронной   звездой,
преобразуется не в наблюдаемое  излучение  пульсара,  а  в  энергию  частиц,
ускоряемых в магнитосфере нейтронной звезды. Радиопульсары  являются,  таким
образом, мощным  источником  частиц  высоких  энергий.  С  течением  времени
пульсар  теряет  свою  энергию  вращения  и  магнитную  энергию,   так   что
постепенно и частота вращения, и магнитное поле нейтронной  звезды  убывают.
Радиопульсары - это одиночные нейтронные звезды, а не члены  тесных  двойных
систем. И тем не менее свечение,  хотя  и  довольно  слабое,  все  же  может
возникать:
L = 1024 Вт

                         Пульсары и космические лучи

   Еще в 1934г. В. Бааде и Ф.  Цвикки  указали  на  возможную  связь  между
вспышками  сверхновых,  нейтронными  звездами  и   космическими   лучами   -
частицами  высоких   энергий,   приходящими   на   Землю   из   космического
пространства. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная  в  космических
лучах:
E = 1020 эВ ( 10 Дж
Средняя концентрация частиц космических  лучей  в  межзвездном  пространстве
нашей Галактики оценивается величиной:
n ( 10-4 м3
Средняя энергия частицы:
E ( 10-9 Дж ( 1010 эВ
Плотность энергии космических лучей, т. е. энергия частиц в единице объема:
(E ( 10-13 Дж / м3
   Основной же вопрос физики космических лучей с самого начала ее  развития
— природа их  высокой  энергии.  Он  до  сих  пор  еще  не  решен.  Открытие
пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах  высокой  энергии  в
Крабовидной туманности — все это указывает на пульсары  как  на  эффективный
источник космических лучей.

                                 Заключение

   За  открытие  пульсаров  Энтони  Хьюишу  в  1974  году  была  присуждена
Нобелевская премия по физике.  Открытие действительно  было  выдающемся,   и
лишь название оказалось  не  точным.  Пульсары  вовсе  не  пульсируют.   Это
название дали им тогда,   когда  еще  полагали,  что  это  звезды,  которые,
подобно цефеидам, периодически расширяются и  сжимаются.  Теперь  мы  знаем,
что  пульсары  -  это  вращающиеся  нейтронные  звезды.    Однако   название
прижилось.
-----------------------
[pic]


[pic]



[pic]



[pic]





смотреть на рефераты похожие на "Краткий рассказ о пульсарах "