Открытие пульсаров

Открытие пульсаров — это обнаружение в 1967 году астрономических объектов, представляющих собой нейтронные звёзды, испускающие строго периодические импульсы электромагнитного излучения. Открытие стало одним из важнейших событий в астрофизике XX века, подтвердившим существование нейтронных звёзд, предсказанных теорией, и открывшим новую область исследований — физику компактных объектов и релятивистской гравитации.

История открытия

Предпосылки и теоретические прогнозы

Существование нейтронных звёзд было теоретически предсказано в 1934 году астрономами Вальтером Бааде и Фрицем Цвикки, которые предположили, что при вспышке сверхновой массивная звезда коллапсирует, образуя сверхплотное ядро, состоящее в основном из нейтронов. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали первую модель такой звезды. Однако из-за крайне малых размеров (десятки километров) и слабой светимости нейтронные звёзды считались практически ненаблюдаемыми традиционными оптическими методами.

Обнаружение импульсов

В 1967 году в Кембриджском университете (Великобритания) аспирантка Джоселин Белл под руководством профессора Энтони Хьюиша проводила наблюдения на радиотелескопе, предназначенном для изучения мерцаний радиоисточников. Телескоп представлял собой массив из 2048 диполей, работающий на частоте 81,5 МГц. В ходе анализа самописцев Белл заметила необычный сигнал — «биты» шума, повторяющиеся с высокой точностью через каждые 1,337 секунды. Сигнал был настолько регулярным, что сначала исследователи предположили его искусственное происхождение — возможный сигнал внеземной цивилизации. Источник получил шутливое обозначение LGM-1 (от англ. Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»).

Однако после обнаружения второго аналогичного источника с другим периодом (около 1,2 секунды) в другой части неба гипотеза о внеземном разуме была отвергнута. В феврале 1968 года в журнале Nature была опубликована статья Хьюиша, Белл и их коллег, в которой сообщалось об открытии «быстро пульсирующих радиоисточников», названных пульсарами.

Роль команды и признание

Основная заслуга в обнаружении пульсаров принадлежит Джоселин Белл, которая провела кропотливый анализ данных и первой обратила внимание на аномальный сигнал. Однако Нобелевская премия по физике 1974 года за открытие пульсаров была присуждена только Энтони Хьюишу (совместно с Мартином Райлом за исследования в радиоастрономии). Это решение вызвало широкую дискуссию в научном сообществе о справедливости признания заслуг аспирантов и женщин в науке.

Природа пульсаров

Нейтронная звезда как источник

Пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды с мощным магнитным полем. Нейтронная звезда образуется в результате гравитационного коллапса ядра массивной звезды (с массой от 8 до 30 солнечных масс) после вспышки сверхновой. При сжатии до радиуса около 10–20 км плотность вещества достигает ядерной плотности (≈ 10¹⁷ кг/м³), а магнитное поле усиливается до 10⁸–10¹⁵ Гс.

Механизм излучения

Излучение пульсара обусловлено не тепловыми процессами на поверхности, а ускорением заряженных частиц в магнитосфере звезды. Вращающееся магнитное поле генерирует мощные электрические поля, которые вырывают частицы с поверхности и разгоняют их до релятивистских скоростей. Эти частицы, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, излучают в радиодиапазоне (и часто в других диапазонах — оптическом, рентгеновском, гамма). Излучение выходит узким конусом вдоль магнитных полюсов.

Эффект маяка

Поскольку магнитная ось пульсара, как правило, не совпадает с осью вращения, конус излучения «заметает» пространство, подобно лучу маяка. Наблюдатель на Земле регистрирует импульс только тогда, когда конус направлен в его сторону. Период импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды. Для типичных пульсаров он составляет от 0,001 до 10 секунд.

Классификация пульсаров

По источнику энергии

1. Радиопульсары — наиболее распространённый тип. Излучают в радиодиапазоне за счёт вращательной энергии. Со временем их вращение замедляется, и излучение прекращается.
2. Рентгеновские пульсары — входят в состав двойных систем. Вещество со звезды-компаньона перетекает на нейтронную звезду, разгоняется в её магнитном поле и, ударяясь о поверхность, генерирует рентгеновское излучение. Период таких пульсаров может быть как коротким (секунды), так и очень длинным (минуты).
3. Гамма-пульсары — излучают в гамма-диапазоне. Обнаружены, в частности, космическим гамма-телескопом «Ферми». Многие из них также являются радиопульсарами.

По периоду и возрасту

• Миллисекундные пульсары — вращаются с периодами от 1,5 до 10 миллисекунд (до 700 оборотов в секунду). Считаются «старыми» пульсарами, которые были «раскручены» за счёт аккреции вещества в двойной системе.
• Обычные пульсары — периоды от 0,1 до 10 секунд. Возраст — от тысяч до миллионов лет.
• Аномальные рентгеновские пульсары (AXP) и мягкие гамма-репитеры (SGR) — связываются с магнитарами, нейтронными звёздами с экстремально сильным магнитным полем (до 10¹⁵ Гс). Их излучение питается за счёт энергии магнитного поля.

Значение открытия

Подтверждение теории нейтронных звёзд

Открытие пульсаров стало прямым наблюдательным доказательством существования нейтронных звёзд. Было установлено, что пульсар в Крабовидной туманности (PSR B0531+21) с периодом 33 миллисекунды находится точно в центре остатка сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году. Это подтвердило связь пульсаров со вспышками сверхновых.

Проверка общей теории относительности

Пульсары, особенно в двойных системах, служат уникальными лабораториями для проверки эффектов общей теории относительности (ОТО). Самым известным примером является двойной пульсар PSR B1913+16 (открыт в 1974 году Расселом Халсом и Джозефом Тейлором). Наблюдения за изменением орбиты этой системы показали потерю энергии на гравитационные волны с точностью, совпадающей с предсказаниями ОТО. За это открытие Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Астрономические применения

• Исследование межзвёздной среды: импульсы пульсаров проходят через межзвёздный газ и плазму, испытывая дисперсию (задержка низких частот). По задержке можно оценить плотность электронов на луче зрения.
• Гравитационное линзирование: пульсары используются для поиска массивных компактных объектов (например, чёрных дыр), которые могут искривлять их излучение.
• Пульсарное время: из-за высокой стабильности периодов миллисекундные пульсары могут служить высокоточными естественными часами. Разрабатываются проекты «пульсарной навигации» для космических аппаратов.

Поиск гравитационных волн

Массивы пульсаров, наблюдаемые на протяжении многих лет, позволяют регистрировать гравитационные волны сверхнизких частот (наногерцового диапазона), возникающие при слиянии сверхмассивных чёрных дыр. В 2023 году коллаборации NANOGrav, EPTA и другие сообщили о первых свидетельствах существования такого фона гравитационных волн.

Известные пульсары

• PSR B0531+21 (Крабовидный пульсар) — один из самых известных, расположен в Крабовидной туманности. Период 33 мс. Излучает во всех диапазонах от радио до гамма.
• PSR B1913+16 (пульсар Халса — Тейлора) — первый двойной пульсар, использованный для проверки ОТО.
• PSR J0437-4715 — ближайший и самый яркий миллисекундный пульсар (расстояние около 500 световых лет).
• PSR J1748-2446ad — самый быстрый из известных пульсаров, период 1,4 мс (716 оборотов в секунду), обнаружен в шаровом скоплении Терзан 5.

Интересные факты

• Первоначально сигнал пульсара LGM-1 был записан на бумажную ленту самописца. Белл заметила, что «биты» шума имеют строго одинаковые интервалы, что было невозможно для естественных источников.
• Пульсары могут терять энергию вращения, что приводит к очень медленному увеличению их периода (обычно на 10⁻¹⁵ – 10⁻¹² секунды за оборот). Однако у некоторых пульсаров наблюдаются «глитчи» — внезапные скачки частоты, связанные с перестройкой коры нейтронной звезды.
• В 1982 году был открыт первый миллисекундный пульсар PSR B1937+21 с периодом 1,56 мс, что опровергло существовавшие представления о максимально возможной скорости вращения нейтронных звёзд.

Источники

• Hewish, A., Bell, S. J., Pilkington, J. D. H., Scott, P. F., & Collins, R. A. (1968). Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source. Nature, 217(5130), 709–713.
• Gold, T. (1968). Rotating Neutron Stars as the Origin of the Pulsating Radio Sources. Nature, 218(5140), 731–732.
• Lyne, A. G., & Graham-Smith, F. (2012). Pulsar Astronomy (4th ed.). Cambridge University Press.
• Manchester, R. N., & Taylor, J. H. (1977). Pulsars. W. H. Freeman.
• Shapiro, S. L., & Teukolsky, S. A. (1983). Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars: The Physics of Compact Objects. Wiley-Interscience.