Пульсари — це, насправді, космічні маяки. Вони являють собою нейтронні зірки, що швидко обертаються, надщільні останки масивних зірок, що вибухнули у вигляді наднових. Ці об’єкти мають приголомшливу щільність. Одна нейтронна зірка містить масу від 1,18 до 1,97 мас нашого Сонця, стиснуту у сферу діаметром лише 20 кілометрів. Більшість їх мають масу близько 1,35 сонячних мас.
Вони обертаються. Швидко.
Перші з цих об’єктів були виявлені в 1967 році Ентоні Хьюїшем та Джоселін Белл у Кембриджському університеті. Вони використовували радіотелескоп, призначений для реєстрації швидких коливань радіоджерел. Те, що вони побачили були надзвичайно регулярні імпульси. Деякі пульсари випускають радіохвилі. Інші спалахують у видимому світлі, рентгенівському чи гамма-діапазоні. Існують навіть радіотихі пульсари, які кричать тільки в рентгенівських або гамма-променях.
Механізм простий, але жорстокий. Коли зірка колапсує, нейтрони на поверхні розпадаються на протони та електрони. Ці заряджені частинки відриваються від поверхні та потрапляють у інтенсивне магнітне поле. Йдеться про 10^12 гаус. Для порівняння: магнітне поле Землі слабке — лише 0,5 гауси.
Частки розганяються до швидкостей, близьких до швидкості світла. Вони випромінюють синхротронне випромінювання. Воно виривається назовні у вигляді інтенсивних пучків від магнітних полюсів. Але ось загвоздка: магнітні полюси не збігаються з осями обертання. Тому, коли зірка обертається, це проміння сканує простір. Якщо Земля опиняється на їхньому шляху, ми реєструємо стабільний, ритмічний імпульс.
З того часу першого відкриття астрономи виявили близько 2000 пульсарів. Вони не розкидані випадково. Більшість із них зосереджено вздовж площини галактики Чумацький Шлях.
Рекорд швидкості
Пульсари сильно різняться за швидкістю обертання. Найповільніший із спостережуваних пульсарів здійснює один оберт приблизно за 11,8 секунди. Для зірки це повільно.
Потім є мілісекундні пульсари.
Протягом більш як двох десятиліть рекордсменом був PSR J1939+2134. Відкритий у 1982 році, він обертається 642 рази на секунду. Його період становить лише 1,55 мілісекунди.
У 2006 році цей рекорд було побито. J1748-2446ad обертається зі швидкістю 716 обертів за секунду. Його період становить 1,396 мілісекунди.
Чому існує межа? Відцентрова сила. Якщо нейтронна зірка обертається набагато швидше, сила на її екваторі долає гравітацію. Зірка розірвала б себе на частини. Швидкість втікання лежить на поверхні нейтронної зірки становить близько половини швидкості світла. Гравітаційне тяжіння настільки сильне. Тим не менш, ці зірки працюють на межі теоретичної межі.
Мілісекундні пульсари зазвичай утворюються у подвійних зоряних системах. Нейтронна зірка акрекує речовину від свого компаньйона після наднової. Ця додана маса та кутовий момент розкручують її. Це схоже на фігуриста, який притискає руки до тіла, але в галактичному масштабі.
Глітчі та гравітаційні хвилі
Пульсари сповільнюються. Дуже повільно. Зазвичай на мільйонну частку секунди на рік.
Це уповільнення дозволяє астрономам розрахувати “характеристичний вік”. Ви берете поточний період та ділите його на швидкість уповільнення. Це груба оцінка. Іноді вона збігається із фактичним віком. Характеристичний вік Крабовидного пульсара, що народився з наднової в 1054 н.е., становить 1240 років. Це близько.
Іноді вона помиляється. Пульсар J0205+6449 утворився 1181 року н.е. Його характеристичний вік становить 5390 років. Це дуже відрізняється.
Оскільки уповільнення настільки поступове, ці об’єкти є неймовірно точним годинником. А завдяки таким сильним гравітаційним полям є ідеальними об’єктами для перевірки теорій гравітації.
У 1993 році Джозеф Тейлор та Рассел Халс отримали Нобелівську премію з фізики. Вони вивчали пульсар PSR 1913+16. Він знаходиться на тісній орбіті з іншою нейтронною зіркою. Гравітація двох зірок порушує регулярність радіосигналів. Вимірюючи ці варіації, Тейлор і Халс побачили, що зірки обертаються все швидше і швидше на орбіті, що звужується.
Вони втрачали енергію. Єдиним поясненням були гравітаційні хвилі. Це стало першим експериментальним підтвердженням хвиль, передбачених Альбертом Ейнштейном у його загальній теорії відносності.
Потім є глітчі.
Глітч – це раптовий стрибок у періоді пульсара. Він прискорюється, а потім поступово сповільнюється назад до значення, що передував гліткові. Це відбувається через «зіркотруси». Тверда залізна кора зірки тріскається. Або зміщується зв’язок між корою та рідким внутрішнім ядром. Зазвичай внутрішнє ядро обертається швидше ніж кора. Іноді кора наздоганяє її. Або прослизає. Таймінг змінюється.
Ми використовуємо ці глітчі для вивчення внутрішньої структури зірок, які ми не бачимо. Ми картографуємо невидиме, спостерігаючи за мерехтінням світла.
«Ці швидкості обертання близькі до теоретичної межі для пульсара, тому що нейтронна зірка, що обертається всього вчетверо швидше, розлетілася б на частини».
Дивно думати, що смерть зірки може стати інструментом вимірювання самого часу. Або доказ правоти Ейнштейна десятиліттями до того, як ми змогли виявити бриж у просторі-часі. Туманність Краба світиться. Мілісекундні пульсари цокають. І ми просто слухаємось.
У космосі все ще є радіотихі пульсари. Ми не знаємо, де вони всі знаходяться. Чумацький Шлях величезний. Всесвіт ще більший. І маяки продовжують обертатися.
Пульсари Краб і Вела – це не просто дзиги, що обертаються. Вони є «енергетичними вампірами», які так швидко втрачають швидкість обертання, що їх енергетичні втрати проявляються у всьому електромагнітному спектрі. Це не просто теорія. Це реальність, що спалахує в наших детекторах кожну мілісекунду.
Візьмемо пульсар Краба. На оптичних фотографіях він виглядає як скромна зірка 16 зіркової величини, розташована в самому серці Туманності Краба. Але якщо придивитися уважніше, світло не просто мерехтить — воно пульсує. Астрономи з Обсерваторії Стюарда в Аризоні зафіксували цю поведінку 1968 року, невдовзі після початкового відкриття радіодіапазоні. Видимий світло спалахує з такою самою частотою, як і радіохвилі. Пульсар також випускає регулярні імпульси рентгенівського та гамма-випромінювання. Це багатохвильовий маяк.
Потім є пульсар Вела. У видимому світлі він набагато слабший, його зоряна величина становить близько 24. Для його спостереження потрібне серйозне обладнання. Чутливі пошуки 1977 року з використанням великого англо-австралійського телескопа в Парксі дозволили його виявити. Вела також пульсує у рентгенівському діапазоні. Але його основним досягненням є гамма-випромінювання. Це найпотужніший джерело такого випромінювання на всьому небі. Регулярні, передбачувані гамма-імпульси.
Механіка акреції та аномалії
Не всі рентгенівські пульсари підпорядковуються тим самим правилам. Деякі є «акреціюючими» пульсарами. Вони існують у подвійних системах. Нейтронна зірка витягує речовину із зірки-компаньйона. Ця речовина падає вздовж силових ліній магнітного поля, ударяючись об магнітні полярні шапки. Удар звільняє рентгенівське випромінювання. Це космічна траєкторія зіткнення.
Потім є клас «аномальних» пульсарів. Вони незвичайні. Їхні періоди перевищують п’ять секунд. Вони непередбачено спалахують рентгенівською активністю. Часто вони пов’язані із залишками наднових. Ці об’єкти народжуються із сильно намагнічених нейтронних зірок, відомих як магнетари. Їхні магнітні поля становлять від 10^14 до 10^15 гаусс. Це неймовірно сильно.
Ці магнетари також перетинаються з іншою групою: повторювачами м’якого гамма-випромінювання. Вони не просто пульсують. Вони вибухають. Спалахи гамма-променів, що повторюються, висвітлюють космос хаотичними спалахами.
Таємниця тільки гамма-випромінювання
Деякі пульсар взагалі не випромінюють радіохвилі. Вони світяться лише у гамма-діапазоні. Космічний телескоп Фермі відкрив цю область по-новому. У 2008 році він виявив перший такий пульсар усередині залишку наднової CTA 1. З того часу він додав до цього списку ще одинадцять об’єктів.
Механізм випромінювання тут суперечить стандартним моделям. Радіопульсари отримують свій сигнал від пучків частинок, що вилітають із магнітних полюсів. Пульсари, що випромінюють лише в гамма-діапазоні, працюють інакше. Випромінювання походить далеко від поверхні нейтронної зірки. Фізика, що стоїть за цим механізмом випромінювання у зазорі, залишається загадкою.
Ми знаємо, що вони є. Ми можемо їх порахувати. Але точний фізичний процес, що генерує ці гамма-імпульси, все ще невідомий. Двигун працює, світло спалахує, але ми все ще гадаємо про механіку цього процесу.
