Пульсары — это, по сути, космические маяки. Они представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звезды, сверхплотные останки массивных звезд, взорвавшихся в виде сверхновых. Эти объекты обладают ошеломляющей плотностью. Одна нейтронная звезда содержит массу от 1,18 до 1,97 масс нашего Солнца, сжатую в сферу диаметром всего 20 километров. Большинство из них имеют массу около 1,35 солнечных масс.
Они вращаются. Быстро.
Первые из этих объектов были обнаружены в 1967 году Энтони Хьюишем и Джоселин Белл в Кембриджском университете. Они использовали радиотелескоп, предназначенный для регистрации быстрых колебаний в радиоисточниках. То, что они увидели, были чрезвычайно регулярные импульсы. Некоторые пульсары испускают радиоволны. Другие вспыхивают в видимом свете, рентгеновском или гамма-диапазоне. Существуют даже радиотихие пульсары, которые «кричат» только в рентгеновских или гамма-лучах.
Механизм прост, но жесток. Когда звезда коллапсирует, нейтроны на поверхности распадаются на протоны и электроны. Эти заряженные частицы отрываются от поверхности и попадают в интенсивное магнитное поле. Речь идет о 10^12 гаусс. Для сравнения: магнитное поле Земли слабое — всего 0,5 гаусс.
Частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Они излучают синхротронное излучение. Оно вырывается наружу в виде интенсивных пучков от магнитных полюсов. Но вот загвоздка: магнитные полюса не совпадают с осями вращения. Поэтому, когда звезда вращается, эти лучи сканируют пространство. Если Земля оказывается на их пути, мы регистрируем стабильный, ритмичный импульс.
С тех пор первого открытия астрономы обнаружили около 2000 пульсаров. Они не разбросаны случайным образом. Большинство из них сосредоточено вдоль плоскости галактики Млечный Путь.
Рекорд скорости
Пульсары сильно различаются по скорости вращения. Самый медленный из наблюдаемых пульсаров совершает один оборот примерно за 11,8 секунды. Для звезды это медленно.
Затем есть миллисекундные пульсары.
На протяжении более двух десятилетий рекордсменом был PSR J1939+2134. Открытый в 1982 году, он вращается 642 раза в секунду. Его период составляет всего 1,55 миллисекунды.
В 2006 году этот рекорд был побит. J1748−2446ad вращается со скоростью 716 оборотов в секунду. Его период составляет 1,396 миллисекунды.
Почему существует предел? Центробежная сила. Если нейтронная звезда вращается намного быстрее, сила на ее экваторе преодолевает гравитацию. Звезда разорвала бы себя на части. Скорость убегания на поверхности нейтронной звезды составляет около половины скорости света. Гравитационное притяжение настолько сильно. Тем не менее, эти звезды работают на пределе теоретического предела.
Миллисекундные пульсары обычно образуются в двойных звездных системах. Нейтронная звезда аккрецирует вещество от своего компаньона после сверхновой. Эта добавленная масса и угловой момент раскручивают ее. Это похоже на фигуриста, который прижимает руки к телу, но в галактическом масштабе.
Глитчи и гравитационные волны
Пульсары замедляются. Очень медленно. Обычно на миллионную долю секунды в год.
Это замедление позволяет астрономам рассчитать «характеристический возраст». Вы берете текущий период и делите его на скорость замедления. Это грубая оценка. Иногда она совпадает с фактическим возрастом. Характеристический возраст Крабовидного пульсара, родившегося из сверхновой в 1054 году н.э., составляет 1240 лет. Это близко.
Иногда она ошибается. Пульсар J0205+6449 образовался в 1181 году н.э. Его характеристический возраст составляет 5390 лет. Это сильно отличается.
Поскольку замедление настолько постепенное, эти объекты являются невероятно точными часами. А благодаря таким сильным гравитационным полям они являются идеальными объектами для проверки теорий гравитации.
В 1993 году Джозеф Тейлор и Рассел Халс получили Нобелевскую премию по физике. Они изучали пульсар PSR 1913+16. Он находится на тесной орбите с другой нейтронной звездой. Гравитация двух звезд нарушает регулярность радиосигналов. Измеряя эти вариации, Тейлор и Халс увидели, что звезды вращаются все быстрее и быстрее на сужающейся орбите.
Они теряли энергию. Единственным объяснением были гравитационные волны. Это стало первым экспериментальным подтверждением волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности.
Затем есть глитчи.
Глитч — это внезапный скачок в периоде пульсара. Он ускоряется, а затем постепенно замедляется обратно до значения, предшествовавшего глитчу. Это происходит из-за «звездотрясений». Жесткая железная кора звезды трескается. Или смещается связь между корой и жидким внутренним ядром. Обычно внутреннее ядро вращается быстрее, чем кора. Иногда кора догоняет ее. Или проскальзывает. Тайминг меняется.
Мы используем эти глитчи для исследования внутренней структуры звезд, которые мы не видим. Мы картографируем невидимое, наблюдая за мерцанием света.
«Эти скорости вращения близки к теоретическому пределу для пульсара, потому что нейтронная звезда, вращающаяся всего в четыре раза быстрее, разлетелась бы на части».
Странно думать, что смерть звезды может стать инструментом для измерения самого времени. Или доказательство правоты Эйнштейна десятилетиями до того, как мы смогли обнаружить рябь в пространстве-времени. Туманность Краба светится. Миллисекундные пульсары тикают. И мы просто слушаем.
В космосе все еще есть радиотихие пульсары. Мы не знаем, где все они находятся. Млечный Путь огромен. Вселенная еще больше. И маяки продолжают вращаться.
Пульсары Краб и Вела — это не просто вращающиеся волчки. Они представляют собой «энергетических вампиров», которые так быстро теряют скорость вращения, что их энергетические потери проявляются во всём электромагнитном спектре. Это не просто теория. Это наблюдаемая реальность, вспыхивающая в наших детекторах каждую миллисекунду.
Возьмём пульсар Краба. На оптических фотографиях он выглядит как скромная звезда 16-й звёздной величины, расположенная в самом сердце Туманности Краба. Но если присмотреться внимательнее, свет не просто мерцает — он пульсирует. Астрономы из Обсерватории Стюарда в Аризоне зафиксировали это поведение в 1968 году, вскоре после первоначального открытия в радиодиапазоне. Видимый свет вспыхивает с той же частотой, что и радиоволны. Пульсар также испускает регулярные импульсы рентгеновского и гамма-излучения. Это многоволновой маяк.
Затем есть пульсар Вела. В видимом свете он гораздо слабее, его звёздная величина составляет около 24. Для его наблюдения требуется серьёзное оборудование. Чувствительные поиски в 1977 году с использованием крупного англо-австралийского телескопа в Парксе позволили его обнаружить. Вела также пульсирует в рентгеновском диапазоне. Но его главным достижением является гамма-излучение. Это самый мощный источник такого излучения на всём небе. Регулярные, предсказуемые гамма-импульсы.
Механика аккреции и аномалии
Не все рентгеновские пульсары подчиняются одним и тем же правилам. Некоторые являются «аккрецирующими» пульсарами. Они существуют в двойных системах. Нейтронная звезда вытягивает вещество из звезды-компаньона. Это вещество падает вдоль силовых линий магнитного поля, ударяясь о магнитные полярные шапки. Удар высвобождает рентгеновское излучение. Это космическая траектория столкновения.
Затем есть класс «аномальных» пульсаров. Они необычны. Их периоды превышают пять секунд. Они непредсказуемо вспыхивают рентгеновской активностью. Часто они связаны с остатками сверхновых. Эти объекты рождаются из сильно намагниченных нейтронных звёзд, известных как магнетары. Их магнитные поля составляют от 10^14 до 10^15 гаусс. Это невероятно сильно.
Эти магнетары также пересекаются с другой группой: повторителями мягкого гамма-излучения. Они не просто пульсируют. Они взрываются. Повторяющиеся вспышки гамма-лучей, освещающие космос хаотичными вспышками.
Тайна только гамма-излучения
Некоторые пульсары вообще не излучают радиоволны. Они светятся только в гамма-диапазоне. Космический телескоп Ферми по-новому открыл эту область. В 2008 году он обнаружил первый такой пульсар внутри остатка сверхновой CTA 1. С тех пор он добавил в этот список ещё одиннадцать объектов.
Механизм излучения здесь противоречит стандартным моделям. Радиопульсары получают свой сигнал от пучков частиц, вылетающих из магнитных полюсов. Пульсары, излучающие только в гамма-диапазоне, работают иначе. Излучение происходит далеко от поверхности нейтронной звезды. Физика, стоящая за этим механизмом излучения в зазоре, остаётся загадкой.
Мы знаем, что они существуют. Мы можем их подсчитать. Но точный физический процесс, генерирующий эти гамма-импульсы, всё ещё неизвестен. Двигатель работает, свет вспыхивает, но мы всё ещё гадаем о механике этого процесса.
