---

<< 8.3 Chernye dyry | Oglavlenie | Literatura >>

Razdely

• 8.4.1 Elektrodinamika pul'sarov

---

8.4 Pul'sary

Rassmotrim bolee podrobno odniochnye vrashayushiesya neitronnye zvezdy s sil'nym magnitnym polem. Eto naibolee horosho izuchennyi klass neitronnyh zvezd, naschityvayushii okolo 2000 ob'ektov (2002).

Pul'siruyushie radioistochniki (pul'sary) byli otkryty v 1967 g. (Nobelevskaya premiya po fizike E.H'yuishu 1967 g.) Osnovnye " neobychnye" svoistva etih ob'ektov:

1. Korotkie periody pul'sacii 0.0015 s - s. Otsyuda nemedlenno mozhno ocenit' harakternuyu plotnost' veshestva neitronnyh zvezd. Deistvitel'no, predel'nyi period vrasheniya zvezdy s massoi i radiusom mozhet byt' naiden iz usloviya ravenstva centrobezhnoi sily na ekvatore vrasheniya sile prityazheniya, . Togda ocenka plotnosti po nablyudaemomu periodu vrasheniya dast
   

   (8.5)

   
   
   Predel'no korotkii nablyudaemyi period vrasheniya pul'sarov (1.5 ms) sootvetstvuet yadernoi plotnosti veshestva g/sm.

2. Zamedlenie perioda pul'sacii c/c. Eto svoistvo interpretiruetsya kak tormozhenie vrasheniya neitronnoi zvezdy. Togda polnyi temp poteri energii vrasheniya neitronnoi zvezdy
   

   (8.6)

   
   
   Formal'no eto ochen' vysokii temp poteri energii, mnogo bol'she solnechnoi svetimosti ( erg/s). Odnako vrashatel'naya energiya neitronnoi zvezdy unositsya potokom relyativistskih chastic, vyryvaemyh s poverhnosti neitronnoi zvezdy v oblasti polyarnyh shapok komponentoi voznikayushego pri vrashenii kvadrupol'nogo elektricheskogo polya, parallel'noi magnitnym silovym liniyam (sm. nizhe).

3. Zaderzhka vremeni prihoda impul'sov na raznyh chastotah. Eto svyazano s rasprostraneniem izlucheniya v ionizovannoi kosmicheskoi plazme. Deistvitel'no, gruppovaya skorost' rasprostraneniya elektromagnitnyh voln v plazme yavlyaetsya funkciei chastoty :
   
   
   
   
   gde -plazmennaya Lengmyurovskaya chastota. Sledovatel'no, esli radivolny rasprostranyayutsya v srede s postoyannoi plotnost'yu elektronov zaderzhka vremeni , gde l - rasstoyanie do istochnika. Velichina
   

   (8.7)

   
   
   nazyvaetsya meroi dispersii. Izmeryaya zaderzhku vremeni prihoda impul'sov pul'sara na raznyh chastotah i ocenivaya iz drugih nablyudenii elektronnuyu koncentraciyu mezhzvezdnoi sredy (v srednem po Galaktike ), po mere dispersii ocenivayut rasstoyaniya do pul'sarov. Eto naibolee rasprostranennyi sposob opredeleniya rasstoyanii do neitronnyh zvezd. Tochnost' ocenki nevelika (faktor 2), t.k. neizvestno raspredelenie koncentracii ionizovannoi plazmy vdol' lucha zreniya.

4. Neobychaino vysokaya yarkostnaya temperatura izlucheniya. Esli uglovoi razmer radioistochnika , potok ot nego na chastote est' , to yarkostnaya temperatura v Relei-Dzhinsovskom predele est'
   

   (8.8)

   
   
   gde i - rasstoyanie do istochnika, - ego lineinyi razmer. Naprimer, dlya pul'sara v Krabovidnoi tumannosti km i kps i pri harakternyh radiopotokah 1 Yanskii (=Vt/m/Gc) na chastotah GGc yarkostnaya temperatura poluchaetsya K. Ochevidno, ni odno telo ne mozhet imet' takuyu temperaturu^8.1. Dlya ob'yasneniya radioizlucheniya pul'sarov privlekayutsya neteplovye mehanizmy. Po-vidimomu, naibolee veroyaten plazmennyi mehanizm izlucheniya elektronov v sil'nom magnitnom pole neitronnoi zvezdy.

Osnovnaya ideya, ob'yasnyayushaya fenomen pul'sara (Pachini, Sal'vati; Ostraiker, Gann 1967) - poteri energii vrasheniya zamagnichennoi neitronnoi zvezdoi. Zapas energii vrasheniya NZ ochen' velik: erg (poryadka teplovoi energii Solnca  erg). V prosteishei modeli rassmatrivaetsya vrashayushiisya magnitnyi dipol' v vakuume: . Poteri energii na magnitodipol'noe izluchenie v vakuume

ili s uchetom gde - napryazhennost' magnitnogo polya na poverhnosti shara radiusa :

No eto - polnyi temp poteri energii vrasheniya NZ. Nizkochastotnoe magnitodipol'noe izluchenie ne mozhet rasprostranyat'sya v mezhzvezdnoi plazme:

poetomu dolzhen sushestvovat' mehanizm pererabotki energii vrasheniya v elektromagnitnye volny bolee vysokih energii.

Vazhnaya velichina, harakterizuyushaya pul'sar - ponyatie svetovogo cilindra - poverhnosti, na kotoroi skorost' tverdotel'nogo vrasheniya s chastotoi dostigaet skorosti sveta:

S tochki zreniya generacii elektromagnitnyh voln, svetovoi cilindr yavlyaetsya granicei volnovoi zony. Vnutri svetovogo cilindra (v blizhnei zone) magnitnoe pole NZ dipol'noe , a vne ego nosit haratker elektromagnitnoi volny, napryazhennost' kotoroi ubyvaet obratno proporcional'no rasstoyaniyu r:

Potok energii v elektromagnitnoi volne (vektor Pointinga)

Sshivaya polya na svetovom cilindre nahodim (polagaya )

kak i v sluchae ocenki po magnitodipol'noi formule!

Iz vyrazheniya poluchaetsya zakon ubyvaniya chastoty vrasheniya pul'sara ot vremeni:

otkuda

ili vyrazhaya cherez nablyudaemye velichiny (period vrasheniya pul'sara i ego proizvodnuyu )

Vidno, chto nablyudaya tol'ko period pul'sara i skorost' ego zamedleniya , my neposredstvenno poluchaem ocenku napryazhennosti magnitnogo polya vblizi poverhnosti neitronnoi zvezdy . Podstavlyaya harakternye velichiny (  (g sm), km) nahodim

Eta formula pokazyvaet skol' velika napryazhennost' magnitnogo polya vblizi poverhnosti pul'sarov. V takom sverhsil'nom magnitnom pole izmenyayutsya svoistva veshestva i stanovyatsya sushestvennymi (i dazhe opredelyayushie) kvantovye effekty (naprimer, rozhdenie elektron-pozitronnyh par fotonami), kotorye vazhny dlya opisaniya fizicheski processov vblizipoverhnosti neitronnyh zvezd.

Vyrazhenie  (8.12) mozhno rassmatrivat' kak differencial'noe uravnenie dlya tormozheniya pul'sara. Reshaya ego s nachal'nym usloviem poluchaem ocenku vozrasta pul'sara po nablyudaemym velichinam - periodu vrasheniya i pervoi proizvodnoi perioda

Eto vremya nazyvayut dinamicheskim vozrastom pul'sara. Tipichnye znacheniya dinamicheskih vozrastov pul'sarov - sotni tysyach let. Pul'sar schitaetsya "starym", esli ego let. Kak polagayut, na bol'shih vremennyh intervalah (poryadka milliona let i bolee) sushestvennym mozhet okazat'sya Omicheskoe zatuhanie magnitnogo polya neitronnoi zvezdy.

8.4.1 Elektrodinamika pul'sarov

Rassmotrim prosteishii sluchai, kogda os' magnitnogo dipolya parallel'na osi vrasheniya (model' Goldraiha-Dzhuliana). Formal'no v etom sluchae effekta pul'sara net (potok relyativistskih chastic napravlen vdol' osi vrasheniya i ne pul'siruet dlya nablyudatelya), odnako na etom primere my pokazhem, kak proishodit tormozhenie vrasheniya neitronnoi zvezdy.

V sfericheskoi sisteme kordinat s os'yu vdol' osi vrasheniya komponenty napryazhennosti dipol'nogo magnitnogo polya imeyut vid:

tak chto =0 (bessilovoe pole). Zametim, chto na bol'shih rasstoyaniyah magnitnoe pole ogranichennogo raspredeleniya tokov vsegda nosit dipol'nyi harakter.

Predstavim, chto neitronnaya zvezda yavlyaetsya ideal'no provodyashei sferoi (eto horoshee nulevoe priblizhenie). Budem otschityvat' polyarnyi ugol ot osi vrasheniya k ekvatoru. Tochki na poverhnosti sfery dvizhutsya so skorost'yu i v nashem sluchae otlichna ot nulya lish' tangencial'naya komponenta skorosti ( ). Na elektricheskie zaryady deistvuet sila Lorenca , privodyashaya k razdeleniyu zaryadov i poyavleniyu vneshnego elektricheskogo polya . Zaryady perestayut dvigat'sya, kogda vo vrashayusheisya sisteme otscheta EDS ravnyaetsya nulyu:

Otsyuda

Vidno, chto harakter navedennogo elektricheskogo polya - kvadrupol'nyi. Etot effekt izvesten v elektrodinamike kak unipolyarnaya indukciya. Dlya radial'noi komponenty elektricheskogo polya nahodim

Vyrazheniya  (8.15) i  (8.16) pokazyvayut, chto v oblasti magnitnyh polyusov () radial'naya komponenta elektricheskogo polya parallel'na magnitnym silovym liniyam. Sledovatel'no, v etih oblastyah mozhet proishodit' otryv zaryadov s poverhnosti i ih uskorenie.

Sdelaem ocenku. Dipol'nyi magnitnyi moment dlya tipichnogo polya na poverhnosti NZ  Gs i napryazhennost' vneshnego polya

(dlya sravneniya napryazhennost' elektricheskogo polya v atome vodoroda  V/sm). Takoe pole ionizuet veshestvo i vyryvaet zaryady s poverhnosti neitronnoi zvezdy:

Maksimal'naya energiya, do kotoryh zaryad v principe mozhet uskorit'sya v magnitosfere pul'sara ogromna:

i sootvetstvuet energiyam samyh energichnyh kosmicheskih luchei. Etogo, odnako, ne proishodit. V deistvitel'nosti zaryad nachinaet uskoryat'sya elektricheskim polem vdol' magnitnoi silovoi linii (poperechnaya sostavlyayushaya impul'sa chasticy v takom sil'nom magnitnom pole otutstvuet). Iz-za krivizny silovoi linii poyavlyaetsya uskorenie, privodyashee k izlucheniyu energichnogo gamma-kvanta s harakternoi chastotoi , gde - Lorenc-faktor relyativistskogo elektrona, - ego skorost', - radius krivizny silovoi linii magnitnogo polya (izgibnoe izluchenie - raznovidnost' sinhrotronnogo izlucheniya relyativistskoi zaryazhennoi chastiy). Foton, letyashii pod uglom k silovoi linii magnitnogo polya, v sil'nom pole rozhdaet elektron-pozitronnuyu paru, prichem elektron i pozitron dvizhutsya v protivopolozhnyh napravleniyah. V svoyu ochered' vtorichnye elektrony rozhdayut izgibnye fotony i t.d. Tak voznikaet elektron-pozitronnaya lavina v magnitosfere pul'sara. Generiruemaya takim obrazom plazma ekraniruet elektricheskoe pole i zapolnyaet prostranstvo vnutri zamknutyh silovyh linii magnitnogo polya vnutri svetovogo cilindra, a chast' vtorichnoi plazmy, tekushaya vdol' otkrytyh (nezamknutyh) silovyh linii, peresekaet svetovoi cilindr i uhodit na beskonechnost'. Imenno v kineticheskiyu energiyu etih relyativistskih chastic i uhodit pochti vsya energiya vrasheniya neitronnoi zvezdy. Etot vazhneishii fakt pryamo podtverzhdaetsya nablyudeniyami - polnaya svetimost' sinhrotronnogo izlucheniya elektronov Krabovidnoi tumannositi (ostatka sverhnovoi 1054 g. v sozvezdii Tel'ca)  erg/s v tochnosti sootvetstvuet ocenke tempa poter' energii vrasheniya central'noi neitronnoi zvezdy - pul'sara v Krabovidnoi tumannosti pri nablyudaemyh znacheniyah c i c/c. Analogichnaya situaciya i nablyudaetsya i v drugih molodyh ostatkah sverhnovyh.

Neustoichivosti v plazmennom potoke chastic vnutri ili vblizi svetovogo cilindra, dvizhushihsya vdol' otkrytyh silovyh linii s relyativistskimi skorostyami, rozhdayut elektromagnitnye radiovolny v uzkonapravlennom puchke. Imenno eto vysokochastotnoe neteplovoe radioizluchenie i nablyudaetsya ot pul'sarov. Dolya energii, unosimaya radioizlucheniem, kraine mala (okolo ot polnyh poter' vrashatel'noi energii neitronnoi zvezdy). Sovremennye predstavleniya o fizike magnitosfer pul'sarov i mehanizmah radioizlucheniya na dostupnom urovne izlozheny v nedavnem obzore V.S.Beskina (1999).

Okolo 100 radiopul'sarov nablyudayutsya v sostave dvoinyh sistem. Vtoraya zvezda v etih sistemah chashe vsego - belyi karlik. Est' neskol'ko dvoinyh pul'sarov, vtoroi komponentoi u kotoryh yavlyaetsya neitronnaya zvezda. Dva pul'sara vhodyat v sostav dvoinyh sistem s normal'nymi zvezdami. Pul'sarov v pare s chernoi dyroi poka ne obnaruzheno. Naibolee interesny s tochki zreniya fundamental'noi fiziki dvoinye pul'sary, sostoyashie iz dvuh neitronnyh zvezd. Eto svyazano s tem, chto esli period obrasheniya komponent v takoi sisteme dostatochno korotok (menee 15 chasov), sushestvennymi okazyvayutsya effekty OTO v dvizhenii pul'sara - izmenenie fizicheskih parametrov orbity iz-za unosa orbital'noi energii i momenta impul'sa gravitacionnymi volnami. Pervyi otkrytyi pul'sar takogo tipa, PSR 1913+16, izuchaetsya svyshe 20 let, i effekty OTO v nem podtverzhdeny s tochnost'yu luchshe . Nadezhno ustanovleno vekovoe umen'shenie perioda etogo pul'sara iz-za izlucheniya gravitacionnyh voln. Za otkrytie i vysokotochnye mnogoletnie nablyudeniya etogo pul'sara, kotorye vnesli sushestvennyi vklad v fundamental'nuyu fiziku, amer. astofizikam Dzh. Teiloru (Taylor) i R. Halsu (Hulse) byla prisuzhdena Nobelevskaya premiya po fizike 1993 g.

---

<< 8.3 Chernye dyry | Oglavlenie | Literatura >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika Publikacii so slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika
Sm. takzhe: Mestnoe mezhzvezdnoe oblako Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Zvezdy, pyl' i tumannost' v NGC 6559 25 samyh yarkih zvezd na nochnom nebe Animaciya: chernaya dyra razrushaet zvezdu Razlozhenie dalekogo sveta Sravnenie razmerov zvezd Vse publikacii na tu zhe temu >>