Pul'sary (radiopul'sary)
1. Otkrytie pul'sarov
2. Osnovnye harakteristiki nablyudaemogo izlucheniya pul'sarov
3. Fizika pul'sarov
P. - istochniki kosmich. impul'snogo radioizlucheniya s ochen' bol'shoi stabil'nost'yu perioda. Oni izluchayut v shirokom spektr. diapazone - ot metrovyh do santimetrovyh voln vklyuchitel'no, a v ryade sluchaev - dazhe v optich., rentg. i gamma-diapazonah. Osn. osobennost'yu P. sostoit v tom, chto impul'sy prihodyat ot nih cherez opredelennoe, harakternoe dlya kazhdogo P. vremya (ris. 1). periody povtoreniya ispul'sov P lezhat v predelah ot 1,56 ms dlya P. PSR 1937+21 do 4,3 s dlya PSR 1845-19. U kazhdogo P. period sohranyaetsya s ochen' vysokoi tochnost'yu, napr., dlya PSR 1919+21 on raven 1,33730110168 s.
1. Otkrytie pul'sarov
Ris. 1. Signaly PSR 1919+21 na chastote 72,7 MGc. Period pul'sara v moment ego otkrytiya byl raven 1,33730113 s. |
Izvestno ok. 400 P. Oboznachenie kazhdogo P. sostoit iz treh bukv - PSR (ot angl. pulsar) - i shesti cifr, sootvetstvuyushih znacheniyam koordinat P. Napr., PSR 0833-45 - P. s koordinatami i (sm. Koordinaty astronomicheskie).
2. Osnovnye harakteristiki nablyudaemogo izlucheniya pul'sarov
Impul'sy P. imeyut kak prostuyu, tak i slozhnuyu strukturu, k-raya zavisit ot vremeni i chastoty. No, nesmotrya na variacii, sr. forma impul'sov (poluluchennaya usredneniem bol'shogo chisla impul'sov) stabil'na (ris. 2) i harakterna dlya kazhdogo P. (ris. 3). Otdel'nyi impul's obychno sostoit iz odnogo ili nesk. subimpul'sov. Subimpul'sy chasto imeyut prostuyu simmetrichnuyu formu i mogut poyavlyat'sya v lyuboi chasti sr. profilyayu Tam, gde subimpul'sy sil'nee ili poyavlyayutsya chashe, v sr. profile obrazuetsya pik (ris. 2). U nek-ryh P. nablyudaetsya dreif subimpul'sov. Vozniknuv u odnogo kraya sr. profilya, subimpul'sy v kazhdom posleduyushem impul'se poyavlyayutsya vse blizhe k dr. krayu. Pri nablyudeniyah s vysokim vremennym razresheniem (ris. 4) v subimpul'sah ryada P. mozhno vydelit' mikrostrukturu (mikroimpul'sy). Sushestvuyut P., u k-ryh v promezhutke mezhdu glavnymi impul'sami (pochti poseredine) nablyudaetsya t.n. interimpul's. Energiya interimpul'sov, kak pravilo, men'she energii glavnyh impul'sov, mozhet byt' sravnima s nei.. Shirina usrednenogo impul'sa sostavlyaet obychno (0,01-0,1)P .
Ris. 2. Posledovatel'nye impul'sy PSR 1133+16. Polozhenie i forma otdel'nyh impul'sov menyayutsya vo vremeni, no usrednennyi impul's (vverhu) stabilen. |
Inogda v nek-ryh P. nablyudayutsya skachkoobraznye izmeneniya perioda (za vremya, ne prevyshayushee nesk. sutok). Vpervye takie izmeneniya byli zaregistrirovany u dvuh samyh molodyh P.: PSR 0531+21 i PSR 0833-45 (P. v sozvezshdii Parusov). Otnositel'noe izmenenie periodov () u etih P. dostigalo sootvetstvenno i . U PSR 0833-45 skachki nablyudalis' primerno raz v dva goda, a u PSR 0531+21 - v nesk. raz chashe, i, chto osobenno harakterno, oni imeli kak polozhitel'nuyu, tak i otricatel'nuyu velichinu . Skachki perioda byli obnaruzheny i u staryh P., prichem u odnogo iz nih skachok okazalsya v 100 raz bol'shim, chem u PSR 0531+21.
Pomimo ukazannyh vnezapnyh izmenenii interval mezhdu impul'sami sistematicheski to uvelichivaetsya, to umen'shaetsya iz-za effekta Doplera. Nablyudatel' dvizhetsya vmeste s Zemlei vokrug Solnca, to priblizhayas', to udalyayas' ot P., v rezul'tate impul'sy prinimayutsya sootvetstvenno to chashe, to rezhe.
Ris. 3. Usrednennye profili impul'sov 45 pul'sarov. Dlitel'nosti impul'sov normirovany na velichiny periodov pul'sarov. |
Izluchenie P., kak pravilo, sil'no polyarizovano (sm. Polyarizaciya). Napr., stepen' lineinoi polyarizacii radioizlucheniya PSR 0833-45 blizka k 100%. Nablyudaetsya izmenenie pozicionnogo ugla v predelah impul'sa (ris. 5), prichem eto izmenenie harakterno dlya kazhdogo P. Izmenenie pozicionnogo ugla v predelah impul'sa svyazano, veroyatno, s izmeneniyami napravleniya magn. polya (po otnosheniyu k nablyudatelyu) v oblasti generacii radioizlucheniya P. U nek-ryh P. nablyudaetsya takzhe krugovaya polyarizaciya radioizlucheniya, dostigayushaya 30-50%.
Impul's radioizlucheniya P. voznikaet prakticheski odnovremenno v shirokom intervale radiovoln. Odnako pri rasprostranenii cherez atmosferu P. i ionizovannyi mezhzvezdnyi gaz nizkochastotnaya chast' izlucheniya zapazdyvaet otnositel'no vysokochastotnoi (chem nizhe chastota, tem men'she gruppovaya skorost' voln v mezhzvezdnoi srede), i poetomu vysokochastotnye impul'sy prihodyat k nablyudatelyu ran'she nizkochastotnyh (sm. Mera dispersii). Vliyanie mezhzvezdnoi sredy skazyvaetsya takzhe na dlitel'nosti impul'sov na metrovyh volnah. Oblaka mezhzvezdnogo gaza rasseivayut prohodyashee cherez nih radioizluchenie, v rezul'tate nablyudatel' vidit odnovremenno mnozhestvo impul'sov, proshedshih raznymi putyami. Chem bol'she rasseyanie, tem bol'she zapazdyvanie i razmytie impul'sa.
Po velichine zapazdyvaniya impul'sov na raznyh chastotah, a takzhe nezavisimo po poglosheniyu izlucheniya v oblakah neitral'nogo vodoroda mezhzvezdnoi sredy na volne 21 sm byli naideny rasstoyaniya do P. i polucheno ih prostranstvennoe raspredelenie. Okazalos', chto oni koncentriruyutsya k galakticheskoi ploskosti i nahodyatsya na rasstoyanii v srednem ok. 3 kpk, t.e. yavlyayutsya, nesomnenno, galakticheskimi ob'ektami.
P. obladayut znachit. sobstvennymi skorostyami. Napr., sostavlyayushaya skorosti PSR 1133+16, perpendikulyarnaya luchu zreniya, ravna 380 km/s.
Plotnosti potokov radioizlucheniya P. issledovalis' v shirokom diapazone voln - ot dekametrovyh do santimetrovyh vklyuchitel'no.
Spektry pul'sarov sil'no otlichayutsya drug ot druga, odnako obladayut nek-rymi obshimi sv-vami, a imenno: na chastotah nizhe ~ 100 MGc nablyudaetsya umen'shenie plotnosti potoka radioizlucheniya - "zaval" spektra, a na chastotah vyshe nesk. GGc spektr stanovitsya kruche - "izlom" spektra (ris. 6). Vnutri etogo intervala izmenenie plotnosti potoka nosit stepennoi harakter i spektral'nyi indeks lezhit v predelah 0,6-3.
Ris. 4. Mikrostruktura impul'sa PSR 0950+08. |
Ris. 5. Izmenenie polyarizacii po srednemu impul'su PSR 0833-45. |
Pul'sary izluchayut shirokii spektr voln, no IK-, opticheskoe, rentgenovskoe i gamma-izlucheniya nablyudayutsya tol'ko ot dvuh samyh molodyh (PSR 0531+21 b PSR 0833-45). Dannye o svetimosti etih P. v raznyh uchastkah spektra i moshnosti, unosimoi relyativistskimi chasticami, privedeny v tabl. (chislennye znacheniya dany v erg/s).
Ris. 6. Tipichnyi spektr radioizlucheniya pul'sara [F - spektral'naya plotnost' potoka v edinicah 10-29 Vt/(m2 Gc)]. |
Ul'trarelya- tivistskie chasticy |
Diapazony izlucheniya | ||||
radio- | optich. | rentg. | gamma- | ||
PSR 0531+21 | 1038 | 1030 | 1033 | 1036 | 1036 |
PSR 0833-45 | 1029 | 1028 | 1032 | 1034 |
3. Fizika pul'sarov
Srazu zhe posle otkrytiya P. bylo vyskazano predpolozhenie, chto istochnikami pul'siruyushego izlucheniya yavl. bystrovrashayushiesya neitronnye zvezdy s sil'nym magn. polem (~ 1012-1013 Gs). Izluchenie P. sil'no anizotropno - ispuskaetsya v uzkom konuse. Pri vrashenii zvezdy nablyudatel' vidit P. lish' v tot moment, kogda etot konus napravlen na nego (podobno mayaku). Ochevidno, period povtoreniya impul'sov izlucheniya P. sovpadaet pri etom s periodom vrasheniya neitronnoi zvezy. Veklvle uvelichenie perioda P. estestvenno svyazat' s tormozheniem vrasheniya neitronnoi zvezdy. Tormozhenie obuslovleno poteryami energii na uskorenie chastic i izluchenie. Transformaciya kinetich. energii vrasheniya v el.-magn. izluchenie P. proishodit sled. obrazom.
Ris. 7. Srednie profili impul'sov dvuh pul'sarov: PSR 0531+21 (I) v radio- (2295 MGc, v), opticheskom (b) i gamma-diapazonah (a); PSR 0833-45 (II) v radio- (430 MGc, g), opticheskom (v) i gamma-diapazonah (a). |
Otkrytie P. v ostatkah vspyshek sverhnovyh (zvezd v Krabovidnoi tumannosti i parusah) pokazalo, chto P. (libo tol'ko chast' iz nih) obrazuyutsya pri vspyshkah sverhnovyh zvezd. Kak sleduet iz teorii evolyucii zvezd, pri vzryve sverhnovoi v rezul'tate szhatiya ee central'noi chasti mozhet obrazovyvat'sya neitronnaya zvezda - massivnoe kompaktnoe telo. Esli szhatie zvezdy proishodit s sohraneniem uglovogo momenta vrasheniya: =const, to pri izmenenii ee radiusa R v 105 raz (ot 1011 sm dlya normal'noi zvezdy do 106 sm dlya neitronnoi) period vrasheniya P umen'shitsya v 1010 raz. Vozmozhny nachal'nye periody vrasheniya neitronnyh zvezd ms. Pri szhatii zvezdy mozhet takzhe sohranyat'sya velichina magn. potoka (~ BR2). Poetomu esli zvezda imela magn. pole B ~ 102-103 Gs, to v rezul'tate szhatiya magn. pole usilitsya do velichiny ~ 1012-1013 Gs. Eti grubye ocenki pokazyvayut, chto neitronnye zvezdy dolzhny bystro vrashat'sya i obladat' sil'nym magnitnym polem, kak eto iimeet mesto v sluchae P.
Ris. 8. Shema, poyasnyayushaya formirovanie napravlennosti izlucheniya pul'sara (n - napravlenie na nablyudatelya): a - izluchenie generiruetsya vblizi poverhnosti i ispuskaetsya vdol' magnitnyh silovyh linii; b - izluchenie generiruetsya vblizi svetovogo cilindra i ispuskaetsya v napravlenii dvizheniya istochnika. |
Kak izvestno, poryadka desyatka procentov zvezd vhodyat v dvoinye sistemy. Odnako do sih por naideno lish' nesk. P. (napr., PSR 1913+16), vhodyashih v dvoinye sistemy. Etot fakt mozhet byt' takzhe svyazan s bol'shoi skorost'yu, priobretaemoi P. pri vzryve sverhnovoi.
S drugoi storony, esli dvoinaya sistema, soderzhashaya predsverhnovuyu, nastol'ko tesnaya, chto pri vzryve ne raspadaetsya, to dostatochno ves'ma slabogo zvezdnogo vetra (nalichiya ionizovannoi obolochki, okruzhayushei sistemu), chtoby sdelat' P. nevidimym.
Mehanizm generacii radioizlucheniya P. poka tochno neizvesten, no uzhe seichas mozhno skazat', chto on kogerentnyi. Eto sleduet iz ochen' vysokoi yarkostnoi temperatury izlucheniya P. Kogerentnoe izluchenie P. mozhet predstavlyat' soboi, napr., izgibnoe izluchenie sgustkov zaryazhennyh chastic, istekayushih iz pul'sara. Vysokochastotnaya chast' izlucheniya mozhet byt' obuslovlena nekogerentnym igzibnym ili sinhrotronnym izlucheniem.
Priroda napravlennosti izlucheniya do konca ne yasna. Vozmozhno izluchenie P. generiruetsya vblizi ego poverhnosti i vyhodit v napravlenii magn. silovyh linii (ris. 8, a). Libo istochnik izlucheniya, vrashayas' sinhronno s P. s chastotoi , nahoditsya na takom rasstoyanii r ot osi vrasheniya P., chto skorost' vrasheniya istochnika blizka k skorosti sveta (t.e. istochnik raspolozhen vblizi t.n. svetovogo cilindra, ). Istochnik, dvizhushiisya so skorost'yu, blizkoi k skorosti sveta, izluchaet, podobno relyativistskomu elektronu (sm. Sinhrotronnoe izluchenie) v uzkom konuse v napravlenii dvizheniya (ris. 8, b).
Kak otmechalos' ranee, u nek-ryh P. mezhdu glavnymi impul'sami izlucheniya nablyudayutsya interimpul'sy. Tipichnym predstavittelem takih P. yavl. PSR 0531+21 (ris. 7, I). Rassmotrim vozmorzhnuyu prirodu etogo yavleniya dlya sluchaya, kogda izluchenie P. generiruetsya vblizi ego poverhnosti. Ochevidno, chto pri (zdes' - ugol mezhdu magn. os'yu P. i ego os'yu vrasheniya, a - shirina diagrammy napravlennosti izlucheniya P.) izluchenie ot kazhdogo polyusa rasprostranyaetsya vnutri konicheskogo sloya shirinoi i s uglom rastvora (ris. 9). Pri etom konicheskie sloi, zapolnennye izlucheniem kazhdogo iz polyusov P., ne imeyut obshih tochek. Sledovatel'no, v etom sluchae, gde by ni nahodilsya nablyudatel', on mozhet videt' izluchenie lish' ot odnogo polyusa, t.e. nablyudaetsya odin impul's. Esli zhe magn. os' P. pochti perpendikulyarna osi ego vrasheniya (), a nablyudatel' nahoditsya vblizi ekvatorial'noi ploskosti neitronnoi zvezdy, to on budet registrirovat' dva impul'sa izlucheniya.
Esli magn. osi i osi vrasheniya P. orientirovany v prostranstve nezavisimo, to vsledstvie malosti velichiny lish' u odnogo iz desyati P. budut nablyudat'sya interimpul'sy (pri ). Eta ocenka zorosho soglasuetsya s rezul'tatami nablyudenii.
Vrashayushayasya neitronnaya zvezda splyushena vdol' osi vrasheniya. V processe zamedleniya vrasheniya splyushennost' zvezdy umen'shaetsya (snizhayutsya centrobezhnye sily) i v kore neitronnoi zvezdy voznikayut napryazheniya. Postepennoe nakoplenie napryazhenii v kore privodit k rezkim sdvigam - zvezdotryaseniyu, izmeneniyu razmerov, a sledovatel'no, i k izmeneniyu perioda vrasheniya. Eto yavlenie i opredelyaet skachkoobraznye izmeneniya perioda P.
Sv-va P. sushestvenno menyayutsya v hode ih evolyucii. V zavisimosti ot vozrasta P. mozhno uslovno razdelit' na tri gruppy: molodye P. (vozrast let), P. srednego vozrasta ( let) i starye P. ( let). Molodye P. yavl. moshnymi istochnikami vysokochastotnogo izlucheniya, v osn. rentg. i gamma-izlucheniya, i ul'trarelyativistskih chastic. Po mere zamedleniya vrasheniya P. ih vysokochastotnoe izluchenie i potok ul'trarelyativistskih chastic sil'no umen'shayutsya. Otlichitel'noi chertoi staryh P. yavl. "zamiranie" (prekrashenie na nek-roe vremya) ih radioizlucheniya, prichem dlitel'nost' "zamiraniya" P. uvelichivaetsya v hode evolyucii do teh por, poka, v poslednii raz poslav v kosmich. prostranstvo impul'sy radioizlucheniya, P. ne "zamolchit" navsegda. Po sushestvuyushim ocenkam, chislo "mertvyh" P. v kosmich. prostranstve v tysyachi raz bol'she, chem chislo P., generiruyushih moshnoe radioizluchenie.
Ris. 9. Geometriya izlucheniya pul'sara: (a), (b). Nablyudateli 1a i 3a registriruyut izluchenie ot odnogo iz polyusov pul'sara; nablyudatel' 1b registriruet izluchenie ot oboih polyusov (dva impul'sa); nablyudateli 2a i 2b izluchenie pul'sara ne registriruyut. |
V kosmich. prostranstve imeyutsya ob'ekty, izluchenie k-ryh takzhe predstavlyaet soboi posledovatel'nost' korotkih impul'sov, sleduyushih drug za drugom s ves'ma stabil'nym periodom. Etimi ob'ektami yavl. rentgenovskie pul'sary v tesnyh dvoinyh sistemah. Po krainei mere, samye korotkoperiodicheskie rentg. P., podobno radiopul'saram, otozhdestvleny s neitronnymi zvezdami.
Lit.:
H'yuish E., Pul'sary, per. s angl., UFN, 1969, t. 97, v. 4; Manchester R., Teilor Dzh.,
Pul'sary, per. s angl., M., 1980.
(L.I. Matveenko, V.V. Usov)
L. I. Matveenko, V. V. Usov, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru