Обманчивое мерцание: разгадка природы пульсаров

Как они «мерцают» и почему со временем исчезают.

В бескрайних просторах космоса существуют уникальные объекты, периодически испускающие мощные световые импульсы. Они характеризуются чрезвычайно высокой скоростью вращения, массой, сопоставимой с полутора солнечными массами, и продолжительностью существования, достигающей миллиардов лет. Астрономы используют эти небесные тела для поиска экзопланет. Их называют пульсарами.

Что такое пульсары

Пульсары — эНейтронные звезды – это космические объекты, характеризующиеся чрезвычайно высокой плотностью. Именно такой судьбой предстоит обернуться массивным звездам по мере завершения их жизненного цикла и прекращения термоядерных реакций. Однако не каждая нейтронная звезда классифицируется как пульсар. Данное определение относится лишь к тем объектам, которые способны вращаться с исключительно высокой скоростью. Пульсары излучают энергию в виде ритмичных вспышек, интервалы между которыми могут составлять всего несколько долей секунды и регистрируются на Земле.

Название «пульсар» может ввести в заблуждение. Эти объекты не демонстрируют пульсаций —то есть они не изменяют свои размеры посредством сжатия или расширения, как изначально предполагали ученые прошлых лет. Регулярность вспышек обусловлена исключительно особенностями геометрии наблюдения.

Секрет такого «мерцания» — магнитные поляВнутри нейтронной звезды существуют сложные процессы, связанные с управлением движением заряженных частиц. Эти частицы направляются к магнитным полюсам, где они разгоняются почти до скорости света. В результате этого явления из каждого полюса исходит мощное излучение. Важно отметить, что ось магнитного поля пульсара не совпадает с его осью вращения. Это приводит к тому, что лучи света описывают в пространстве окружности, подобно гигантским прожекторам. Мы наблюдаем вспышку лишь тогда, когда один из этих лучей оказывается направленным непосредственно на Землю; в остальное время звезда кажется погасшей, хотя ее свечение остается непрерывным.

Характеристики масс пульсаров демонстрируют заметную однородность, обычно составляя около 1,5 солнечных масс, однако их скорость вращения подвержена значительным колебаниям. В 2022 году было зафиксировано открытие особо массивного объекта — «Черная вдова» (PSR J0952−0607), чья масса достигает 2,35 солнечной массы. Этот пульсар демонстрирует впечатляющую скорость вращения, совершая 707 оборотов в секунду, что соответствует частоте 707 Гц! Достижение такой скорости объясняется тем, что он сформировался в двойной звездной системе и аккрецировал вещество от звезды-компаньона, получив дополнительный угловой момент, который раскрутил его до сотен оборотов в секунду.

Как появляются пульсары

Формирование пульсара – это процесс, начинающийся с драматических событий. Когда звезда, чья масса превышает массу Солнца в 4-8 раз, исчерпывает запасы термоядерного топлива, внутреннее давление резко снижается. В результате гравитация перестает встречаться с сопротивлением, и ядро начинает стремительно сжиматься. Одновременно внешние слои звезды выбрасываются мощным взрывом сверхновой. В центре остается железное ядро, масса которого приблизительно в полтора раза превышает массу Солнца. Это ядро сжимается до размеров, сопоставимых с размерами земного города – поперечник составляет около 20–27 км.

В условиях экстремальной плотности электроны и протоны объединяются, формируя нейтронную материю, занимающую около 95% объема объекта. Это приводит к образованию чрезвычайно плотного вещества: всего одна чайная ложка такой массы эквивалентна четырем миллиардам тонн. Эта величина сопоставима с весом почти восьми тысяч небоскребов Бурдж-Халифа!

Процесс дальнейшего сжатия ядра ограничивается квантовыми свойствами нейтронов. Если бы масса ядра превысила определенный предел, ничто не смогло бы предотвратить коллапс, и звезда трансформировалась бы в черную дыру.

Как открыли пульсары

В 1932 году английский физик, специализирующийся на ядерной физике, Джеймс Чедвик совершил открытие нейтрона. Уже спустя два года, в период с 1934 по 1935 год, советский физик-теоретик Лев Ландау, а также немецкие и американские астрофизики Вальтер Бааде и Фриц Цвики независимо друг от друга предсказали возможность существования нейтронных звезд. В 1939 году американский физик-ядерщик Роберт Оппенгеймер и его канадский коллега Джордж Волкофф разработали теоретическую модель этих объектов. Однако первый пульсар был обнаружен лишь спустя три десятилетия.

В период с 1967 по 1968 год кембриджские радиоастрономы проводили поиск квазаров — активных ядер галактик на ранних этапах эволюции. Используемая ими аппаратура фиксировала быстрые и непредсказуемые изменения интенсивности радиоволн. В этот момент двадцатичетырехлетняя аспирантка Джоселин Белл обнаружила идеально регулярные импульсы. Первоначально эти сигналы были восприняты как искусственные помехи или даже как потенциальный контакт с внеземной цивилизацией, что привело к присвоению источнику шутливого обозначения LGM1 — «Маленький зеленый человечек 1». Позднее было установлено, что это пульсар с периодом в 1,3373 секунды. В настоящее время он известен как PSR B1919+21.

На сегодняшний день астрономы располагают информацией о более чем трех тысячах пульсаров. Эти объекты регистрируются не только в радиоволновом диапазоне, но и фиксируются при наблюдении рентгеновского излучения, гамма-излучения, а также в видимом спектре.

Как астрономы используют пульсары

Пульсары представляют собой исключительный инструмент в области астрофизики. Их излучение содержит информацию о процессах, происходящих внутри нейтронных звезд, где плотность материи достигает значений, превосходящих лишь плотность черных дыр, черным дырамПод воздействием внешнего давления атомы способны формировать плоские структуры, напоминающие спирали, либо собираться в комки. Данное необычное состояние вещества ученые окрестили ядерной пастой.

Периодичность вспышек пульсаров отличается исключительной точностью, что позволяет считать их самыми надежными природными часами. Анализируя колебания яркости этих объектов, исследователи выявляют экзопланеты, расположенные за пределами нашей Солнечной системы — первую экзопланету нашли именно у пульсара.

Пульсары также используются для определения расстояний до различных космических объектов. В процессе движения в пространстве пульсар демонстрирует изменение времени поступления его сигналов. Это становится возможным благодаря высокой точности хода этих «звездных часов»благодаря чему астрономы могут определять расстояния до них с высокой точностью.

Кроме того, пульсары служат средством для проверки предсказаний общей теории относительности, поскольку регулярность их сигналов может быть подвержена воздействию гравитационных волн – колебаний пространства-времени, предсказанных Эйнштейном и впервые зарегистрированных в феврале 2016 года. В настоящее время исследователи используют пульсары для обнаружения подобных волн.

Когда пульсары попадают на «кладбище»

Продолжительность жизни типичного пульсара составляет приблизительно 10 миллионов лет, в течение которых его вращение постепенно замедляется. Одновременно с этим снижается мощность излучения пульсара: сначала оно становится недоступным для гамма-телескопов, затем – для радиотелескопов, и переходит на так называемое «кладбище пульсаров».

Однако, при наличии поблизости звезды, может произойти процесс «реанимации»: остановившийся пульсар вновь начинает вращаться, достигая сотен герц и становясь источником импульсов длительностью в миллисекунды. Эти объекты, получившие название «каннибалы» (их также называют «черными вдовами» или «красноспинками», по аналогии с пауками, поедающими своих партнеров), существуют на протяжении миллиардов лет и продолжат излучать энергию столь же продолжительное время.