4. Пульсары
Пульсары– источники пульсирующего
р
Рис.
6.8. Скачок периода пульсара Vela.
Пульсарное радиоизлучение поступает в виде правильно повторяющихся импульсов. Периоды повторения импульсов от ~1.5 мс до ~10 с. Стабильность повторения импульсов до 10–9, но при этом у большинства пульсаров периоды со временем растут. Итак, два основных параметра любого пульсара – период следования импульсов P и производная периода . Время от времени у пульсаров наблюдаются сбои периода (glitches), когда период скачком уменьшается, а затем продолжает возрастать, но уже с несколько иной скоростью (рис. 6.8).
Скважность излучения от 10 до 100. Бывают интеримпульсы (то есть вторичные импульсы в промежутках между главными). Отдельные импульсы также могут обладать сложной внутренней структурой, которая может меняться от одного импульса к другому. Светимости радиопульсаров достигают 1038 эрг/с.
Спектры пульсаров в диапазоне метровых волн (~ 100 – 400 МГц) линейные (S µ –), довольно крутые (в среднем ~ ~ 3 ± 1), на частотах > 1000 МГц наступает завал. Наблюдается сильная линейная поляризация излучения. В течение одного импульса происходит поворот плоскости поляризации. От импульса к импульсу свойства поляризации существенно меняются.
П
Рис. 6.9. Форма
импульсов некоторых пульсаров.
t =1.345×10–3 –2 ne L [с],
где [Гц], ne [см–3], L [см], или
t = 4.15 (DM) –2 [с],
где [МГц], DM [пк/см3].
Величина DM называется мерой дисперсии пульсара, она характеризует среднюю столбцовую плотность ионизованной среды в направлении пульсара и может использоваться для грубой оценки расстояния.
Излучение большинства пульсаров имеет линейную поляризацию. При прохождении ионизованной среды с магнитным полем плоскость поляризации испытывает фарадеевское вращение (из-за различия коэффициентов преломления для обыкновенной и необыкновенной волн, см. главу 2). Угол поворота плоскости поляризации
[рад] = (RM)2 [рад], (6.9)
ne [см–3]; H║ [мкГс] – продольная составляющая межзвездного магнитного поля (параллельная лучу зрения); l [пк]; [м]; RM [рад/м2] – мера вращения в межзвездной среде в направлении пульсара.
Наряду с периодом P и его производной , мера дисперсии DM и мера вращения RM – основные параметры пульсаров, определяемые непосредственно из наблюдений.
Простейший способ оценки возраста пульсаров использует свойство возрастания их периодов. Экстраполируем величину периода пульсара назад по времени к тому моменту, когда P = 0 (то есть считаем, что в момент рождения пульсар имел нулевой период). Тогда, очевидно, приближенный возраст пульсара можно оценить как . Прокалибровать шкалу можно по объектам, возраст которых известен из других данных. Пример такого объекта – пульсар в Крабовидной туманности, для которого точно известен момент рождения (вспышки Сверхновой) – 1054 год н.э. Оценка дает ~2000 лет. Поэтому обычно формулу для оценки возраста используют в виде
, (6.10)
где ½ – "нормировочный множитель".
Оцененные по формуле (6.10) возрасты лежат в пределах 106–107 лет. Пульсар в Крабе – один из самых короткопериодических (P = 33 мс) и самых молодых ( ~ 950 лет). Относительно молод также пульсар Vela (P = 89 мс, ~ 104 лет).
Некоторые число пульсаров входит в двойные системы. Двойственность пульсара определяется по периодическим изменениям периода P пульсара. Один из пульсаров, входящих в двойную систему – PSR 1913+16. Период следования импульсов P = 59 мс, орбитальный период системы Porb = 7h45m. Очень велик эксцентриситет орбиты: e = 0.61. Имеется смещение периастра со скоростью 3.6° в год и вековое уменьшение орбитального периода, что может свидетельствовать об излучении гравитационных волн. Таким образом, пульсары, входящие в двойные системы, предоставляют возможность проверки Общей теории относительности.
Имеется группа короткопериодических ("миллисекундных") пульсаров. Их периоды заключены в пределах от 1.5 до ~10 мс. Всего известно около пятидесяти миллисекундных пульсаров. По своим свойствам и эволюционному положению они сильно отличаются от "классических" пульсаров с более длинными периодами. У них производная периода < 10–19, иногда даже отрицательна, магнитное поле ~108 Гс, а возраст достигает 109 лет. Практически обо всех миллисекундных пульсарах известно, что они входят в тесные двойные системы; в том числе – имеются пульсары в старых шаровых скоплениях. Двойственность дает ключ к пониманию их природы: это нейтронные звезды, испытавшие повторную "раскрутку" вследствие аккреции вещества с вторичного компонента, который уже достиг стадии красного гиганта и заполнил полость Роша.
У пульсара PSR B1257+12 по колебаниям периода обнаружены маломассивные спутники (0.2, 4.3 и 3.6 массы Земли), которые могут быть планетами, обращающимися вокруг пульсара.
Модели
пульсаров.
Общепринятой является модель быстро
вращающейся нейтронной звезды с сильным
магнитным полем (~1012
Гс). Поле имеет приблизительно дипольную
структуру, магнитная ось, вообще говоря,
не совпадает с осью вращения (рис. 6.10).
Такой вращающийся диполь будет излучать
волны на ч
Рис. 6.10. Модель
радиоизлучения пульсара.
(6.11)
Здесь – энергия вращения, I – момент инерции нейтронной звезды, – угловая скорость вращения, – период пульсара , m – компонент магнитного момента, перпендикулярный к оси вращения. Отсюда получим:
(6.12)
Масса и размер нейтронной звезды достаточно хорошо известны, а, следовательно, и момент инерции I. Отсюда можно найти магнитный момент и напряженность поля на поверхности нейтронной звезды (~1012 Гс).
Следствие быстрого вращения магнитного поля – генерация сильного электрического поля в результате динамо-эффекта. Электрическое поле ускоряет заряженные частицы до очень высоких энергий.
Совместное вращение плазмы и магнитного поля возможно только внутри светового цилиндра (r = c/).
Ускоряемые частицы летят вдоль силовых линий. Излучение идет преимущественно в направлении движения. На Земле излучение принимается тогда, когда конус, в котором излучают частицы, направлен на Землю.
Предложены два типа моделей пульсаров:
1) излучение возникает вблизи поверхности светового цилиндра;
2) излучение возникает вблизи поверхности нейтронной звезды.
В моделях первого типа направленность излучения – следствие релятивистской тангенциальной скорости вращающейся плазмы вблизи поверхности светового цилиндра; частицы излучают при помощи синхротронного механизма.
В моделях второго типа имеет место излучение частиц, летящих вдоль силовых линий магнитного поля, в направлении вектора мгновенной скорости.
Сбои периода пульсаров (glitches) вызваны звездотрясениями, разломами в структуре нейтронной звезды. Разломы приводят к уменьшению момента инерции, а, следовательно, и периода. При этом достаточно очень малого изменения размера нейтронной звезды. Момент инерции сплошного шара массой M равен ; из формул вращательного движения имеем
(6.13)
При сбое периода пульсара в Крабе в сентябре 1969 г. было . При R = 10 км требуемое изменение радиуса R всего лишь 5 мкм. При звездотрясении, вероятно, происходит растрескивание коры нейтронной звезды, меняется момент инерции, однако нейтронную жидкость внутри звезды это очень мало затрагивает.
Массы нейтронных звезд M от 0.15 до 1.7. При массе >1.7образуется черная дыра. При M < 1звезда может быть и белым карликом, но при вспышке Сверхновой происходит существенная перестройка всей структуры звезды, и гораздо вероятнее образование именно нейтронной звезды (или черной дыры).
Структура нейтронной звезды (при радиусе R = 10 км): ядро радиусом 1 км – твердое, содержит только наиболее массивную нейтронную компоненту; далее до радиуса 9 км – "нейтронная жидкость", состоящая из смеси нейтронов, протонов и электронов; и внешняя кора толщиной 1 км, состоящая из тяжелых ядер.
При быстром вращении замагниченной нейтронной звезды возникает сильное электрическое поле:
(6.14)
Здесь r0 – радиус светового цилиндра. Для пульсара в Крабе = = 200 с–1, B = 1012 Гс, отсюда напряженность электрического поля ~1018 В/см, а разность потенциалов между полюсом и экватором ~1018 В. Следовательно, энергия ускоряемых частиц может достигать ~1018 эВ (если только поле не изменено экранирующим объемным электрическим зарядом). Таким образом, пульсары – важные источники космических лучей в Галактике. Однако трудность данной модели в том, что частицы, которые теряет звезда, приводят к появлению на ее поверхности заряда, который запирает дальнейшее вырывание частиц. Выход состоит в генерации электрон-позитронных пар в сильном магнитном поле -квантами синхротронного происхождения от первичных частиц.