Що таке пульсар? Нейтронна зірка Коли було відкрито перший пульсар
Залишок наднової Корма-А, в центрі якої знаходиться нейтронна зірка
Нейтронні зірки є залишками масивних зірок, які досягли кінця свого еволюційного шляху у часі та просторі.
Ці цікаві об'єкти, народжуються від колись масивних гігантів, які в чотири-вісім разів більші від нашого Сонця. Відбувається це у спалаху наднового.
Після такого вибуху зовнішні шари викидаються в космос, ядро залишається, але вона більше не може підтримувати ядерний синтез. Без зовнішнього тиску від шарів, що лежать вище, вона колапсує і катастрофічно стискається.
Незважаючи на свій малий діаметр — близько 20 км, нейтронні зірки можуть похвалитися в 1,5 рази більшою масою, ніж у нашого Сонця. Таким чином вони є неймовірно щільними.
Маленька ложка речовини зірки на Землі важитиме близько ста мільйонів тонн. У ній протони та електрони поєднуються в нейтрони - цей процес називається нейтронізацією.
склад
Склад їх невідомий, припускають, що вони можуть складатися із надплинної нейтронної рідини. Вони мають надзвичайно сильне гравітаційне тяжіння, набагато більше, ніж у Землі і навіть у Сонця. Це гравітаційні сили особливо вражають, оскільки вона має невеликий розмір.
Усі вони обертаються навколо осі. При стисненні кутовий момент обертання зберігається, а через зменшення розмірів швидкість обертання зростає.
Через величезну швидкість обертання, зовнішня поверхня, що є твердою «корою» періодично тріскається і відбуваються «зіркотруси», які уповільнюють швидкість обертання і скидають «надлишки» енергії в космос.
Приголомшливий тиск, який існує в ядрі, може бути схожим на той, який існував у момент великого вибуху, але на жаль, його не можна змоделювати на Землі. Тому ці об'єкти є ідеальними природними лабораторіями, де ми можемо спостерігати недоступні на Землі енергії.
Радіопульсари
Радіоульсари були відкриті наприкінці 1967 р. аспірантом Jocelyn Bell Burnell як радіоджерела, які пульсують на постійній частоті.
Радіація, що випускається зіркою, видно як пульсуючий джерело випромінювання або пульсар.
Схематичне зображення обертання нейтронної зірки
Радіопульсари (або просто пульсар) - це нейтронні зірки, що обертаються, струмені частинок яких, рухаються майже зі швидкістю світла, як обертається промінь маяка.
Після безперервного обертання протягом декількох мільйонів років пульсари втрачають свою енергію і стають нормальними нейтронними зірками. На сьогодні відомо лише близько 1000 пульсарів, хоча їх можуть бути сотні у галактиці.
Радіопульсар у Крабовидній туманності
Деякі нейтронні зірки випромінюють рентгенівське випромінювання. Знаменита Крабовидна туманність — добрий приклад такого об'єкта, що утворилася під час вибуху наднової. Цей спалах надновий спостерігався у 1054 році нашої ери.
Вітер від Пульсара, відео телескопа Чандра
Радіопульсар у Крабовидній туманності, сфотографований за допомогою космічного телескопа Хаббла через фільтр 547nm (зелене світло) з 7 серпня 2000 року до 17 квітня 2001 року.
Магнетари
Нейтронні зірки мають магнітне поле в мільйони разів сильніше, ніж найсильніше магнітне поле, яке виробляється на Землі. Вони також відомі як магнетари.
Планети у нейтронних зірок
На сьогодні відомо, що чотири мають планети. Коли вона перебуває у подвійний системі, можна виміряти її масу. З-поміж таких двійкових систем у радіо або рентгенівському діапазоні, виміряні маси нейтронних зірок були приблизно в 1.4 рази більшими за масу Сонця.
Подвійні системи
Зовсім інший тип пульсарів видно у деяких рентгенівських подвійних системах. У цих випадках нейтронна зірка і звичайна утворюють подвійну систему. Сильне гравітаційне поле тягне матеріал із звичайної зірки. Матеріал, що падає на неї в процесі акреції, нагрівається так сильно, що виробляє рентгенівське проміння. Імпульсні рентгенівські промені видно, коли гарячі плями на пульсарі, що обертається, проходять через промінь зору з Землі.
Для бінарних систем, що містять невідомий об'єкт, ця інформація допомагає відрізнити: чи є він нейтронною зіркою, або, наприклад, чорною діркою, тому що чорні діри куди більш масивні.
Астрономи вивчали небесний покрив з давніх-давен. Однак, тільки зі значним стрибком у розвитку технологій, ученим вдалося виявити такі об'єкти, яких у колишніх поколінь астрономів був навіть уяви. Одними з них стали квазари та пульсари.
Незважаючи на величезні відстані до цих об'єктів, ученим вдалося вивчити деякі властивості. Але незважаючи на це, вони приховують дуже багато нерозкритих таємниць.
Що таке пульсари та квазари
Пульсар, як з'ясувалося, – це нейтронна зірка. Його першовідкривачами стали Е.Хьюїш та його аспірант Д.Белл. Їм вдалося виявити імпульси, що являють собою потоки випромінювання вузької спрямованості, які видніються через певні часові проміжки, оскільки цей ефект відбувається за рахунок обертання нейтронних зірок.
Значне ущільнення магнітного поля зірки і її щільності відбувається за її стиску. Вона може зменшитися до розмірів кілька десятків кілометрів, і в такі моменти обертання відбувається з неймовірно великою швидкістю. Ця швидкість у деяких випадках досягає тисячних часток секунди. Звідси й виходять електромагнітні хвилі, що випромінюються.
Квазари і пульсари можна назвати незвичайними та загадковими відкриттями астрономії. Поверхня нейтронної зірки (пульсара) має менший тиск, ніж її центр, тому відбувається розпад нейтронів на електрони та протони. Електрони розганяються до неймовірних швидкостей з допомогою наявності потужного магнітного поля. Іноді ця швидкість досягає швидкості світла, наслідком є викид електронів від магнітних полюсів зірки. Два вузькі пучки електромагнітних хвиль – саме так виглядає переміщення заряджених частинок. Тобто електронами у бік свого напрямку випромінюється випромінювання.
Продовжуючи перерахування незвичайних явищ, пов'язаних із нейтронними зірками, слід зазначити їхній зовнішній шар. У цій сфері зустрічаються простори, в яких ядро не може бути зруйноване через недостатню щільність речовини. Наслідком цього є покриття найщільнішою корою за рахунок утворення кристалічної структури. У результаті накопичується напруга і в певний момент ця щільна поверхня починає тріскати. Цей феномен вчені прозвали «зірковим трясінням».
Пульсари та квазари залишаються повністю невивченими. Але якщо дивовижні дослідження розповіли нам про пульсар або т.зв. У нейтронних зірках багато нового, то квазари тримають астрономів у напрузі незвіданості.
Вперше світ дізнався про квазари у 1960 році. Відкриття говорило, що це об'єкти з невеликим кутовими розмірами, яким властива висока світність, а за класом вони відносяться до позагалактичних об'єктів. З тієї причини, що вони мають досить маленький кутовий розмір, багато років вважалося, що це просто зірки.
Точної кількості виявлених квазарів невідомо, але у 2005 році проводилися дослідження, в яких налічувалося 195 тисяч квазарів. Поки що нічого доступного для пояснення про них невідомо. Існує маса припущень, однак жодне з них не має жодних підтверджень.
Астрономи з'ясували лише те, що за тимчасовий відрізок менше 24 годин їхній блиск відзначає достатню змінність. За цими даними можна відзначити їх відносно невеликий розмір області випромінювань, який можна порівняти з розмірами Сонячної системи. Знайдені квазари існують на відстані до 10 мільярдів світлових років. Розглянути їх вдалося через їх високий рівень світності.
Найближчий подібний об'єкт до нашої планети розташувався приблизно на позначці 2 мільярди світлових років. Можливо, майбутні дослідження і новітні технології, що використовуються в них, нададуть людству нові знання про білі плями відкритого космосу.
Передбачені теоретиками, зокрема, академіком Л. А. Ландау 1932 року.
Перетворення зірок
Зірки не вічні. Залежно від того, якою була зірка і як протікало її існування, зірка перетворитьсяабо в білого карлика, або в нейтронну зірку. Нейтронна зірка пульсар. Якщо зірка колапсує, то утворює чорну діркув просторі.Чорна діра. Такі уявлення про «смерть» зірок, розвинені академіком Я. Б. Зельдовичемта його учнями. Білі карлики відомі дуже давно. Протягом трьох десятків років довкола цього пророцтва точилися суперечки. Суперечки, але не пошуки. Шукати нейтронні зірки засобами наземних обсерваторій було безглуздо: видимих променів вони, мабуть, не випромінюють, а промені інших ділянок електромагнітного спектра безсилі подолати броньовий щит земної атмосфери.
Всесвіт із космічного простору
Пошуки почалися лише тоді, коли з'явилася можливість подивитись Всесвіт із космічного простору. Наприкінці 1967 року астрономи зробили сенсаційне відкриття. У певній точці неба раптово спалахував і через соті частки секунди згасав точкове джерело радіопроменів. Приблизно через секунду спалах повторювався. Ці повторення йшли один за одним з точністю корабельного хронометра. Здавалося, крізь чорну ніч Всесвіту спостерігачам підморгує далекий маяк. Потім таких маяків стало відомо чимало. Виявилося, що вони відрізняються один від одного періодичністю променевих імпульсів, складом випромінювання. Більшість пульсарів- так назвали ці новознайдені зірки - мало повну тривалість періоду від чверті секунди до чотирьох секунд. Сьогодні кількість відомих науці пульсарів становить близько 2000. І можливості нових відкриттів далеко не вичерпані. Пульсари і є нейтронні зірки. Важко уявити собі якийсь інший механізм, що з залізною точністю запалює і гасить спалах пульсара, ніж обертання самої зірки. З одного боку зірки «встановлене» джерело випромінювання, і при кожному обороті її навколо осі вилучений промінь на мить падає і на нашу Землю. Але які ж зірки здатні обертатися зі швидкістю кількох обертів на секунду? Нейтронні – і жодні інші. Наше , наприклад, робить один оборот майже за 25 діб; збільште швидкість - і відцентрові сили просто розірвуть його, рознесуть на частини.Схід сонця. Однак на нейтронних зірок, відбувається стиснення речовини до щільності, неймовірної у нормальних умовах. Кожен кубічний сантиметр речовини нейтронної зірки у земних умовах важив би від 100 тисяч до 10 мільярдів тонн! Фатальний стиск різко зменшує діаметр зірки. Якщо у своєму сяючому житті зірки мають діаметри сотні тисяч і мільйони кілометрів, то радіуси нейтронних зірок рідко перевищують 20-30 кілометрів. Такий невеликий «маховик», і до того ж міцно склепаний силами всесвітнього тяжіння, можна розкрутити і зі швидкістю кілька оборотів в секунду - він не розвалиться. Нейтронна зірка має обертатися дуже швидко. Чи бачили ви, як крутиться балерина, піднявшись на одному носку і щільно притиснувши руки до тіла? Але вона розкинула руки - її обертання відразу ж сповільнилося. Фізик скаже: збільшився момент інерції. У нейтронної зірки у міру зменшення її радіусу момент інерції, навпаки, зменшується, вона хіба що «притискає руки» дедалі ближче й ближчі один до тіла. Швидкість її обертання у своїй швидко зростає. І коли діаметр зірки зменшиться до зазначеної вище величини, число її оборотів навколо осі має виявитися саме таким, що забезпечує ефект пульсара. Фізикам дуже хотілося б опинитися на поверхні нейтронної зірки та поставити кілька дослідів. Адже там мають існувати умови, подібних до яких немає більше ніде: фантастична величина гравітаційного поля та фантастична напруженість поля магнітного. За розрахунками вчених, якщо зірка, що стискалася, мала магнітне поле дуже скромної величини - в один ерстед (магнітне поле Землі, що покірно повертає синю стрілку компаса на північ, дорівнює приблизно половині ерстеда), то у нейтронної зірки напруженість поля може досягати і 100 мільйонів і триллі ! У 20-х роках ХХ століття, у період своєї роботи у лабораторії Е. Резерфорда, відомий радянський фізик академік П. Л. Капіцапоставив досвід отримання надсильних магнітних полів. Йому вдалося отримати обсягом двох кубічних сантиметрів магнітне поле небувалої напруженості - до 320 тисяч ерстед. Звичайно, зараз цей рекорд перевищено. Шляхом найскладніших хитрощів, обрушивши на єдиний виток соленоїда цілу електричну ніагару - потужність мільйон кіловат - і вибухаючи при цьому допоміжний пороховий заряд, примудряються отримати напруженість магнітного поля до 25 мільйонів ерстед. Існує це поле кілька мільйонних часток секунди. А на нейтронній зірці можливе постійне поле у тисячі разів більше!
Будова нейтронної зірки
Радянський вчений академік В. Л. Гінзбургнамалював досить докладну картину будови нейтронної зірки. Поверхневі її шари повинні перебувати в твердому стані, і вже на глибині кілометра з підвищенням температури тверда кора повинна змінюватися нейтронною рідиною, що містить у своєму складі деяку домішку протонів і електронів, що є рідкістю дивовижною за своїми властивостями, надплинною і надпровідною.Будова нейтронної зірки пульсар. У земних умовах єдиний приклад надплинної рідини - це поведінка так званого гелію-2, рідкого гелію при температурах, близьких до абсолютного нуля. Гелій-2 здатний миттєво витекти з судини крізь дрібний отвір, здатний, нехтуючи силою тяжкості, підніматися стіною пробірки вгору. Надпровідність також відома в земних умовах лише за дуже низьких температур. Як і надплинність, вона – прояв у наших умовах законів світу елементарних частинок. У самому центрі нейтронної зірки, на думку академіка В. Л. Гінзбурга, може бути не надплинне і не надпровідне ядро. Два гігантські поля - гравітаційне та магнітне, створюють навколо нейтронної зірки своєрідний вінець. Вісь обертання зірки не збігається з магнітною віссю, це і викликає ефект пульсара. Якщо уявити, що магнітний полюс Землі, (детальніше:
Нейтронна зірка - дуже дивний об'єкт при діаметрі 20 кілометрів це тіло має масу порівнянну із сонячною, один грам нейтронної зірки важив би у земних умовах понад 500 мільйонів тонн! Що це за об'єкти? Про них і йтиметься у статті.
Склад нейтронних зірок
Склад цих об'єктів (зі зрозумілих причин) вивчений поки що тільки в теорії та математичних розрахунках. Проте відомо вже багато. Як і випливає з назви, вони складаються переважно з щільно упакованих нейтронів.
Атмосфера нейтронної зірки має товщину лише кілька сантиметрів, але у ній зосереджено її теплове випромінювання. За атмосферою знаходиться кора, що складається із щільно упакованих іонів та електронів. У середині знаходиться ядро, що складається з нейтронів. Ближче до центру досягається максимальна щільність речовини, яка в 15 разів більша за ядерну. Нейтронні зірки - найщільніші об'єкти у всесвіті. Якщо спробувати й надалі збільшувати густину речовини відбудеться колапс у чорну дірку, або утвориться кваркова зірка.
Магнітне поле
Нейтронні зірки мають швидкості обертання до 1000 оборотів за секунду. При цьому електропровідна плазма та ядерна речовина виробляють магнітні поля гігантських величин. Наприклад магнітне поле Землі 1 гаус, нейтронної зірки 10 000 000 000 000 гаус. Найсильніше поле, створене людиною, буде в мільярди разів слабшим.
Пульсари
Ця узагальнююча назва для всіх нейтронних зірок. Пульсари мають чітко визначений період обертання, який змінюється дуже довгий час. Завдяки цій властивості їх прозвали «маяками всесвіту».
Частинки вузьким потоком на дуже високих швидкостях вилітають через полюси, стаючи джерелом радіовипромінювання. Через розбіжність осей обертання, напрямок потоку постійно змінюється, створюючи ефект маяка. І, як у кожного маяка, у пульсарів своя частота сигналу, якою його можна ідентифікувати.
Практично всі виявлені нейтронні зірки існують у подвійних рентгенівських системах або як одиночні пульсари
Екзопланети у нейтронних зірок
Першу екзопланету відкрили для дослідження радіопульсара. Так як нейтронні зірки дуже стабільні, можна дуже точно відслідковувати планети, що знаходяться поруч, з масами, набагато меншими за маси Юпітера.
Дуже просто знайшлася планетна система у пульсара PSR 1257+12, віддаленого від Сонця на 1000 світлових років. Поруч із зіркою три планети, що мають маси 0,2, 4,3 та 3,6 мас Землі з періодами звернень у 25, 67 та 98 діб. Пізніше знайшлася ще одна планета з масою Сатурна та періодом обігу 170 років. Також відомий пульсар із планетою трохи масивніший за Юпітер.
Насправді, парадоксально, що біля пульсара існують планети. Нейтронна зірка народжується внаслідок вибуху наднової, і вона втрачає основну частину своєї маси. Частина, що залишилася, вже не має достатньої гравітації для утримання супутників. Ймовірно, знайдені планети утворилися після катаклізму.
Дослідження
Число відомих нейтронних зірок близько 1200. З них 1000 вважаються радіопульсарами, інші визначені як рентгенівські джерела. Вивчати ці об'єкти неможливо, надіславши до них якийсь апарат. У кораблях «Піонер» було надіслано послання розумним істотам. І розташування нашої Сонячної системи вказано саме з орієнтацією на найближчі до Землі пульсари. Від Сонця лініями показані напрями на ці пульсари та відстані до них. А уривчастість лінії позначає період їх обігу.
Найближчий до нас нейтронний сусід розташований у 450 світлових роках. Це подвійна система – нейтронна зірка та білий карлик, період її пульсації 5,75 мілісекунди.
Навряд чи можна опинитися поряд з нейтронною зіркою і залишитися в живих. Можна лише фантазувати на цю тему. Та й як уявити за межі розуму величини температури, магнітного поля і тиску? Але пульсари допоможуть нам в освоєнні міжзоряного простору. Будь-яка, навіть найдальша галактична подорож, виявиться не згубною, якщо працюватимуть стабільні маяки, видимі у всіх куточках Всесвіту.