Пульсары (радиопульсары)
1. Открытие пульсаров
2. Основные характеристики наблюдаемого излучения пульсаров
3. Физика пульсаров
П. - источники космич. импульсного радиоизлучения с очень большой стабильностью периода. Они излучают в широком спектр. диапазоне - от метровых до сантиметровых волн включительно, а в ряде случаев - даже в оптич., рентг. и гамма-диапазонах. Осн. особенностью П. состоит в том, что импульсы приходят от них через определенное, характерное для каждого П. время (рис. 1). периоды повторения испульсов P лежат в пределах от 1,56 мс для П. PSR 1937+21 до 4,3 с для PSR 1845-19. У каждого П. период сохраняется с очень высокой точностью, напр., для PSR 1919+21 он равен 1,33730110168 с.
1. Открытие пульсаров
Рис. 1. Сигналы PSR 1919+21 на частоте 72,7 МГц. Период пульсара в момент его открытия был равен 1,33730113 с. |
Известно ок. 400 П. Обозначение каждого П. состоит из трех букв - PSR (от англ. pulsar) - и шести цифр, соответствующих значениям координат П. Напр., PSR 0833-45 - П. с координатами и (см. Координаты астрономические).
2. Основные характеристики наблюдаемого излучения пульсаров
Импульсы П. имеют как простую, так и сложную структуру, к-рая зависит от времени и частоты. Но, несмотря на вариации, ср. форма импульсов (полулученная усреднением большого числа импульсов) стабильна (рис. 2) и характерна для каждого П. (рис. 3). Отдельный импульс обычно состоит из одного или неск. субимпульсов. Субимпульсы часто имеют простую симметричную форму и могут появляться в любой части ср. профиляю Там, где субимпульсы сильнее или появляются чаще, в ср. профиле образуется пик (рис. 2). У нек-рых П. наблюдается дрейф субимпульсов. Возникнув у одного края ср. профиля, субимпульсы в каждом последующем импульсе появляются все ближе к др. краю. При наблюдениях с высоким временным разрешением (рис. 4) в субимпульсах ряда П. можно выделить микроструктуру (микроимпульсы). Существуют П., у к-рых в промежутке между главными импульсами (почти посередине) наблюдается т.н. интеримпульс. Энергия интеримпульсов, как правило, меньше энергии главных импульсов, может быть сравнима с ней.. Ширина усредненого импульса составляет обычно (0,01-0,1)P .
Рис. 2. Последовательные импульсы PSR 1133+16. Положение и форма отдельных импульсов меняются во времени, но усредненный импульс (вверху) стабилен. |
Иногда в нек-рых П. наблюдаются скачкообразные изменения периода (за время, не превышающее неск. суток). Впервые такие изменения были зарегистрированы у двух самых молодых П.: PSR 0531+21 и PSR 0833-45 (П. в созвезщдии Парусов). Относительное изменение периодов () у этих П. достигало соответственно и . У PSR 0833-45 скачки наблюдались примерно раз в два года, а у PSR 0531+21 - в неск. раз чаще, и, что особенно характерно, они имели как положительную, так и отрицательную величину . Скачки периода были обнаружены и у старых П., причем у одного из них скачок оказался в 100 раз большим, чем у PSR 0531+21.
Помимо указанных внезапных изменений интервал между импульсами систематически то увеличивается, то уменьшается из-за эффекта Доплера. Наблюдатель движется вместе с Землей вокруг Солнца, то приближаясь, то удаляясь от П., в результате импульсы принимаются соответственно то чаще, то реже.
Рис. 3. Усредненные профили импульсов 45 пульсаров. Длительности импульсов нормированы на величины периодов пульсаров. |
Излучение П., как правило, сильно поляризовано (см. Поляризация). Напр., степень линейной поляризации радиоизлучения PSR 0833-45 близка к 100%. Наблюдается изменение позиционного угла в пределах импульса (рис. 5), причем это изменение характерно для каждого П. Изменение позиционного угла в пределах импульса связано, вероятно, с изменениями направления магн. поля (по отношению к наблюдателю) в области генерации радиоизлучения П. У нек-рых П. наблюдается также круговая поляризация радиоизлучения, достигающая 30-50%.
Импульс радиоизлучения П. возникает практически одновременно в широком интервале радиоволн. Однако при распространении через атмосферу П. и ионизованный межзвездный газ низкочастотная часть излучения запаздывает относительно высокочастотной (чем ниже частота, тем меньше групповая скорость волн в межзвездной среде), и поэтому высокочастотные импульсы приходят к наблюдателю раньше низкочастотных (см. Мера дисперсии). Влияние межзвездной среды сказывается также на длительности импульсов на метровых волнах. Облака межзвездного газа рассеивают проходящее через них радиоизлучение, в результате наблюдатель видит одновременно множество импульсов, прошедших разными путями. Чем больше рассеяние, тем больше запаздывание и размытие импульса.
По величине запаздывания импульсов на разных частотах, а также независимо по поглощению излучения в облаках нейтрального водорода межзвездной среды на волне 21 см были найдены расстояния до П. и получено их пространственное распределение. Оказалось, что они концентрируются к галактической плоскости и находятся на расстоянии в среднем ок. 3 кпк, т.е. являются, несомненно, галактическими объектами.
П. обладают значит. собственными скоростями. Напр., составляющая скорости PSR 1133+16, перпендикулярная лучу зрения, равна 380 км/с.
Плотности потоков радиоизлучения П. исследовались в широком диапазоне волн - от декаметровых до сантиметровых включительно.
Спектры пульсаров сильно отличаются друг от друга, однако обладают нек-рыми общими св-вами, а именно: на частотах ниже ~ 100 МГц наблюдается уменьшение плотности потока радиоизлучения - "завал" спектра, а на частотах выше неск. ГГц спектр становится круче - "излом" спектра (рис. 6). Внутри этого интервала изменение плотности потока носит степенной характер и спектральный индекс лежит в пределах 0,6-3.
Рис. 4. Микроструктура импульса PSR 0950+08. |
Рис. 5. Изменение поляризации по среднему импульсу PSR 0833-45. |
Пульсары излучают широкий спектр волн, но ИК-, оптическое, рентгеновское и гамма-излучения наблюдаются только от двух самых молодых (PSR 0531+21 b PSR 0833-45). Данные о светимости этих П. в разных участках спектра и мощности, уносимой релятивистскими частицами, приведены в табл. (численные значения даны в эрг/с).
Рис. 6. Типичный спектр радиоизлучения пульсара [F - спектральная плотность потока в единицах 10-29 Вт/(м2 Гц)]. |
Ультрареля- тивистские частицы |
Диапазоны излучения | ||||
радио- | оптич. | рентг. | гамма- | ||
PSR 0531+21 | 1038 | 1030 | 1033 | 1036 | 1036 |
PSR 0833-45 | 1029 | 1028 | 1032 | 1034 |
3. Физика пульсаров
Сразу же после открытия П. было высказано предположение, что источниками пульсирующего излучения явл. быстровращающиеся нейтронные звезды с сильным магн. полем (~ 1012-1013 Гс). Излучение П. сильно анизотропно - испускается в узком конусе. При вращении звезды наблюдатель видит П. лишь в тот момент, когда этот конус направлен на него (подобно маяку). Очевидно, период повторения импульсов излучения П. совпадает при этом с периодом вращения нейтронной звезы. Веклвле увеличение периода П. естественно связать с торможением вращения нейтронной звезды. Торможение обусловлено потерями энергии на ускорение частиц и излучение. Трансформация кинетич. энергии вращения в эл.-магн. излучение П. происходит след. образом.
Рис. 7. Средние профили импульсов двух пульсаров: PSR 0531+21 (I) в радио- (2295 МГц, в), оптическом (б) и гамма-диапазонах (а); PSR 0833-45 (II) в радио- (430 МГц, г), оптическом (в) и гамма-диапазонах (а). |
Открытие П. в остатках вспышек сверхновых (звезд в Крабовидной туманности и парусах) показало, что П. (либо только часть из них) образуются при вспышках сверхновых звезд. Как следует из теории эволюции звезд, при взрыве сверхновой в результате сжатия ее центральной части может образовываться нейтронная звезда - массивное компактное тело. Если сжатие звезды происходит с сохранением углового момента вращения: =const, то при изменении ее радиуса R в 105 раз (от 1011 см для нормальной звезды до 106 см для нейтронной) период вращения P уменьшится в 1010 раз. Возможны начальные периоды вращения нейтронных звезд мс. При сжатии звезды может также сохраняться величина магн. потока (~ BR2). Поэтому если звезда имела магн. поле B ~ 102-103 Гс, то в результате сжатия магн. поле усилится до величины ~ 1012-1013 Гс. Эти грубые оценки показывают, что нейтронные звезды должны быстро вращаться и обладать сильным магнитным полем, как это иимеет место в случае П.
Рис. 8. Схема, поясняющая формирование направленности излучения пульсара (n - направление на наблюдателя): а - излучение генерируется вблизи поверхности и испускается вдоль магнитных силовых линий; б - излучение генерируется вблизи светового цилиндра и испускается в направлении движения источника. |