Пульсар: нейтронная звезда¶

Пульсар — это космический источник импульсного (периодически изменяющегося) электромагнитного излучения, представляющий собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с сильным магнитным полем. Впервые пульсары были обнаружены в 1967 году как источники строго периодических радиоимпульсов, что первоначально породило гипотезу об их искусственном происхождении. В современной астрофизике пульсары рассматриваются как один из ключевых объектов для изучения физики сверхплотного вещества, магнитосферной динамики и проверки общей теории относительности.

¶Природа и происхождение

Пульсары образуются в результате гравитационного коллапса массивных звёзд (с массой примерно от 8 до 30 масс Солнца), завершающих свою эволюцию вспышкой сверхновой. В ходе взрыва внешние слои звезды сбрасываются в окружающее пространство, а ядро сжимается до состояния нейтронной звезды — объекта с радиусом порядка 10–15 километров, но с массой, сравнимой с солнечной. Плотность вещества в таких объектах достигает ядерных значений (около 10¹⁷ кг/м³).

Сжатие ядра сопровождается резким возрастанием скорости вращения (сохранение момента импульса) и усилением магнитного поля. Если ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения, возникает эффект «космического маяка»: узкий пучок излучения, генерируемый в магнитосфере звезды, сканирует пространство, и наблюдатель фиксирует импульсы каждый раз, когда пучок пересекает луч зрения. Период импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды.

¶Классификация и виды

Пульсары принято классифицировать по источнику энергии и наблюдаемым характеристикам.

¶Радиопульсары

Наиболее многочисленный класс. Излучают в радиодиапазоне за счёт вращательной энергии. Характерные периоды составляют от 1,5 миллисекунд до нескольких секунд. Радиопульсары постепенно замедляют вращение, и по мере старения их излучение ослабевает, после чего они переходят в «мёртвую» фазу.

¶Миллисекундные пульсары

Пульсары с периодами вращения от 1 до 10 миллисекунд. Считается, что они «раскручены» до столь высоких скоростей за счёт аккреции вещества от звезды-компаньона в двойной системе. Такие объекты отличаются высокой стабильностью периода и используются в пульсарной хронометрии.

¶Рентгеновские пульсары

Входят в состав тесных двойных систем, где нейтронная звезда перетягивает вещество с нормальной звезды-компаньона. Падающий газ разогревается до миллионов градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. Источником энергии здесь служит гравитационная энергия аккрецирующего вещества, а не вращение.

¶Гамма-пульсары

Обнаружены космическими обсерваториями (например, Fermi) как источники гамма-излучения. Часть из них не проявляет активности в радиодиапазоне, что указывает на особенности геометрии излучения.

¶Магнитары

Особая разновидность нейтронных звёзд с экстремально сильным магнитным полем (до 10¹¹ тесла). Некоторые магнитары проявляют себя как аномальные рентгеновские пульсары или источники повторяющихся гамма-всплесков. Их излучение связано с распадом магнитного поля, а не с вращением.

¶Устройство и механизм излучения

Вращающаяся нейтронная звезда с дипольным магнитным полем создаёт вокруг себя магнитосферу — область, заполненную плазмой. Вблизи полярных шапок генерируются каскады частиц (электронов и позитронов), ускоряемых электрическим полем. Эти частицы излучают когерентное радиоизлучение, направленное вдоль открытых силовых линий магнитного поля.

Светимость радиопульсара обеспечивается запасённой кинетической энергией вращения. Постепенная потеря энергии приводит к увеличению периода вращения — эффект, известный как торможение пульсара. Скорость замедления позволяет оценить возраст объекта и напряжённость его магнитного поля.

Для миллисекундных пульсаров характерна чрезвычайно высокая стабильность периода. Отклонения хода таких «часов» сравнимы с точностью атомных стандартов частоты, что делает их уникальным инструментом для астрофизических измерений.

¶История открытия и исследования

Первый пульсар был открыт в ноябре 1967 года аспиранткой Джоселин Белл и её научным руководителем Энтони Хьюишем в Кембриджском университете на радиотелескопе с дипольной решёткой. Объект PSR B1919+21 излучал импульсы с периодом 1,337 секунды. Из-за строгой периодичности сигнала исследователи первоначально рассматривали возможность искусственного происхождения источника, однако вскоре были найдены другие аналогичные объекты, что подтвердило их естественную природу. За открытие пульсаров Энтони Хьюиш получил Нобелевскую премию по физике в 1974 году.

В 1968 году Томас Голд предложил модель вращающейся нейтронной звезды, которая впоследствии стала общепринятой. В 1974 году был открыт первый двойной пульсар PSR B1913+16 (система Халса — Тейлора), наблюдения за которым позволили экспериментально подтвердить существование гравитационных волн в соответствии с общей теорией относительности. Рассел Халс и Джозеф Тейлор получили за эти исследования Нобелевскую премию в 1993 году.

¶Значение для науки

Пульсары играют важную роль в нескольких областях астрофизики. Они позволяют:

• исследовать уравнение состояния сверхплотной материи, которое не может быть воспроизведено в земных лабораториях;
• проверять предсказания общей теории относительности в сильных гравитационных полях;
• изучать межзвёздную среду по эффектам рассеяния и дисперсии радиоволн;
• создавать пульсарную шкалу времени — высокоточную временную сетку на основе стабильных периодов миллисекундных пульсаров;
• обнаруживать экзопланеты по вариациям периода пульсара, вызванным гравитационным влиянием планет.

В 2016 году международная коллаборация NANOGrav сообщила о первых намёках на регистрацию гравитационно-волнового фона с помощью массива миллисекундных пульсаров, что открывает новые перспективы в низкочастотной гравитационно-волновой астрономии.

¶Интересные факты

Самый известный пульсар — Крабовидный (PSR B0531+21), расположенный в Крабовидной туманности. Он образовался в результате вспышки сверхновой, наблюдаемой китайскими астрономами в 1054 году, и вращается с периодом около 33 миллисекунд. Этот пульсар излучает во всём диапазоне электромагнитного спектра — от радиоволн до гамма-лучей.

Ближайший к Земле пульсар — PSR J0108−1431, находящийся на расстоянии около 280 световых лет. Всего в нашей Галактике, по современным оценкам, насчитывается порядка 200 000 активных пульсаров, однако обнаружено лишь около 3 000 из них.

В 2022 году в данных российского радиотелескопа РАТАН-600 был зарегистрирован новый транзиентный радиопульсар, что подтверждает продолжающуюся роль отечественных инструментов в исследованиях этих объектов.