Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 
На сайте
Астрометрия
Астрономические инструменты
Астрономическое образование
Астрофизика
История астрономии
Космонавтика, исследование космоса
Любительская астрономия
Планеты и Солнечная система
Солнце

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$\pm 7\cdot 10^{-11}$ 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.
В июле 1967 г. в Великобритании, в Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета, группа ученых, возглавляемая Э. Хьюишем, начала наблюдения на новом высокочувствительном меридиональном радиотелескопе на волне 3,5 м. Этот инструмент был создан для исследований радиоисточников методом мерцаний (см. Метод мерцаний). Вскоре после начала наблюдений аспирантка Дж. Белл обратила внимание на периодически возникающие радиоимпульсы, к-рые появлялись в один и тот же момент звездных суток, что свидетельствовало об их внеземном происхождении. Так был обнаружен первый источник импульсного космич. радиоизлучения. В дальнейщем были открыты и др. аналогичные источники. Эти необычные объекты названы П. (от англ. pulse - импульс). Более раннему открытию П. помешала очень низкая интенсивность их радиоизлучения, особенно в обычном для радиоастрономических наблюдений в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн. Главная трудность была в том, что сигналы от П. можно обнаружить лишь с помощью радиоприемников, способных регистрировать (разрешать) радиоимпульсы малой длительности (сотые и тысячные доли секунды). Обычно же в радиоастрономии для повышения чувствительности радиотелескопа наблюдения проводят с большими временами накопления.

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 $\alpha=8^{\rm h}33^{\rm m}$ и $\delta=-45^\circ$ (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 $\approx 0,04 P$.

Рис. 2. Последовательные импульсы PSR 1133+16.
Положение и форма отдельных импульсов меняются
во времени, но усредненный импульс (вверху) стабилен.
Со временем периоды П. медленно увеличиваются. Так, у PSR 0531+21 в Крабовидной туманности, к-рый явл. остатком сравнительно недавней (1054 г.) вспышки сверхновой, период растет на $1,4\cdot 10^{-5}$ с в год (удваивается каждые 2000 лет). У PSR 0834+06 удвоение периода происходит примерно за 8 млн. лет.

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 ($\Delta P/P$) у этих П. достигало соответственно $3\cdot 10^{-9}$ и $2\cdot 10^{-6}$. 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 $\Delta P$. Скачки периода были обнаружены и у старых П., причем у одного из них скачок $\Delta P/P$ 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.
Амплитуда импульсов может меняться, отдельные импульсы даже пропадают. Такое "замирание" П. может длиться неск. десятков периодов, а в ряде случаев излучение возобновляется только через неск. суток и даже недель. Именно эта особенность излучения П. долгое время ставила под сомнение существование PSR 0943+10.

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.
Зная длительность импульсов, можно получить верхний предел на размеры излучающей области. Действительно, область излучения не может быть больше длины пути, проходимого эл.-магн. излучением за время длительности импульса. Отсюда следует, что размеры излучающих областей П. $\le$1000-10000 км. Углы, под к-рыми эти области видны с Земли, очень малы (~ 10-12 секунды дуги). Результаты измерений мерцаний П. на еноднородностях межзвездной среды подтверждают малость (<10-8 секунды дуги) областей излучения. Радиосветимости П. лежат в пределах 1025-1031 эрг/с.
Рис. 5. Изменение поляризации по среднему
импульсу PSR 0833-45.
Вывод о малых размерах областей генерации радиоизлучения П. указывает на их высокие яркостные температуры Tя. Для PSR 0833-45, напр., на волне 13 см Tя ~ 1025 К, и мощность радиоизлучения пульсаров с ед. поверхности достигает десятков МВт/см2 (мощность излучения с ед. поверхности Солнца $\approx$ 7000 Вт/см2).

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)].
Большая часть энергии молодых П. излучается в рентгеновских и гамма-диапазонах. Радиосветимость этих П. ~ 10-5-10-6 от их полной светимости. Характер излучения PSR 0531+21 и PSR 0833-45 существенно различен. У PSR 0531+21 импульсы излучения исупскаются одновременно во всем чрезвычайно широком интервале частот - от $3\cdot 10^7$ до 1024 Гц (рис. 7, I). В случае же PSR 0833-45 картина более сложная: импульсы в разных участках спектра испускаются со сдвигом по времени (рис .7, II).

Ультрареля-
тивистские
частицы
Диапазоны излучения
 радио-оптич.рентг.гамма-
PSR 0531+2110381030103310361036
PSR 0833-45$4\cdot 10^{34}$1029102810321034

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).
При вращении П. в его магнитосфере благодаря мощному магн. полю индуцируется сильное электрич. поле, к-рое ускоряет частицы до ультрарелятивистских энергий. Эти частицы и генерируют, напр., нетепловое излучение П. В магнитосферах П. ультрарелятивистские частицы теряют на излучение небольшую долю своей энергии и выходят в окружающее пространство. Именно эти частицы генерируют, напр., синхротронное излучение Крабовидной туманности, окружающей самый молодой П. PSR 0531+21.

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: $\Omega R^2=(2\pi/P) R^2$=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 $\approx 1$ 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.
Отсутствие остатков сверхновых вокруг подавляющего большинства известных П. связано, по-видимому, с тем, что ср. возраст П. (неск. млн. лет) в десятки раз превосходит ср. возраст остатков вспышек сверхновых, т.е. остатки сверхновых вокруг большинст