Пульсары

массы:(1.4)

Это соотношение следует из закона сохранения магнитного потока. Стоит 

обратить внимание на то, что магнитная индукция нарастает при сжатии тела

точно так же, как и его частота  вращения.

При уменьшении радиуса звезды от значения, равного, например, радиусу Солнца

, до радиуса нейтронной звезды,

магнитное поле усиливается на 10 порядков. Магнитное поле с индукцией 

сравнимое с полем Солнца, считается  более или менее типичным для  обычных звезд; у некоторых «магнитных»  звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можно ожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезд действительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такому заключению пришел советский астрофизик Н. С. Кардашев еще в 1964 г.

По своей структуре, т. е. по геометрии  силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное  поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых  в разные стороны расходятся силовые  линии. Такое поле называют дипольным.

Вещество, аккрецируемое нейтронной звездой, - это звездный ветер, оно  ионизовано, и поэтому взаимодействует  при своем движении с ее магнитным  полем. Известно, что движение заряженных частиц поперек силовых линий  поля затруднено, а движение вдоль  силовых линий происходит беспрепятственно. По этой причине аккрецируемое вещество движется вблизи нейтронной звезды практически по силовым линиям ее магнитного поля. Магнитное поле нейтронной звезды как бы создает воронки у ее магнитных полюсов, и в них направляется аккреционный поток. На такую возможность указали еще в 1970 г. советские астрофизики Г. С. Бисноватый-Коганта. А. М. Фридман. Благодаря этому нагрев поверхности нейтронной звезды оказывается неравномерным: у полюсов температура значительно выше, чем на всей остальной поверхности. Горячие пятна у полюсов имеют, согласно расчетам, площадь около одного квадратного километра; они и создают главным образом излучение звезды - ведь светимость очень чувствительна к температуре — она пропорциональна температуре в четвертой степени.

Как и у Земли, магнитная ось  нейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает  эффект маяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдателю. Излучение  быстро вращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым, пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. На самом деле излучение горячего пятна происходит, конечно, непрерывно, но оно не равномерно по направлениям, не изотропно, и рентгеновские лучи от него не направлены все время на нас, их пучок вращается в пространстве вокруг оси вращения нейтронной звезды, пробегая по Земле один раз за период.

От рентгеновских пульсаров  никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярных пульсаций. Почему же барстеры не пульсируют, а пульсары не вспыхивают? Все дело, вероятно, в том, что магнитное поле нейтронных звезд в барстерах заметно слабее, чем в пульсарах, и потому оно не влияет сколько-нибудь заметно на динамику аккреции, допуская более или менее равномерный прогрев всей поверхности нейтронной звезды. Ее вращение, которое может быть столь же быстрым, как и у пульсаров, не сказывается на рентгеновском потоке так как этот поток изотропен. С другой стороны, предполагают, что поле магнитной индукцией

способно как то - хотя, правда, и  не вполне ясно пока, как именно, - подавлять  термоядерные взрывы в приполярных  зонах нейтронных звезд. Различие в  магнитном поле связано, вероятно, с различием возраста барстеров и пульсаров. О возрасте двойной системы можно судить по обычной звезде-компаньону.  Нейтронные звезды в рентгеновских пульсарах имеют компаньонами яркие звезды-гиганты; в барстерах же компаньонами нейтронных звезд являются слабые по блеску звезды малых масс. Возраст ярких гигантов не превышает нескольких десятков миллионов лет, тогда как возраст слабых звезд-карликов может насчитывать миллиарды лет: первые гораздо быстрее расходуют свое ядерное топливо, чем вторые. Отсюда следует, что барстеры - это старые системы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то степени ослабнуть, а пульсары - это относительно молодые системы и потому магнитные поля в них. сильнее. Может быть, барстеры когда-то в прошлом пульсировали, а, пульсарам еще предстоит вспыхивать в будущем.            

Известно, что самые молодые  и яркие звезды Галактики находятся  в ее диске, вблизи галактической  плоскости. Естественно поэтому  ожидать, что и рентгеновские  пульсары с их яркими звездами-гигантами располагаются преимущественно у галактической плоскости. Их общее распределение по небесной сфере должно отличаться от распределения барстеров, старых объектов, которые - как и все старые звезды Галактики - концентрируются не к ее плоскости, а к галактическому центру. Наблюдения подтверждают эти соображения: рентгеновские пульсары действительно находятся в диске Галактики, в сравнительно узком слое по обе стороны галактической плоскости. Такое же распределение на небе обнаруживают и пульсары, излучающие радиоимпульсы, - радиопульсары.

Радиопульсары

Распределение радиопульсаров на небесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат  нашей Галактике: они очевидным  образом концентрируются к ее плоскости служащей, экватором галактической координатной сетки. Объекты,  которые никак не связаны о галактикой, никогда не показали бы никакой, преимущественной ориентации такого рода. Распределение по направлениям говорит в этом случае о реальном пространственном расположении источников: такая картина может возникнуть лишь тогда, когда источники находятся в диске Галактики. Некоторые из них лежат заметно выше или ниже экватора; но они тоже расположены в диске, около плоскости Галактики, только ближе к нам, чем большинство остальных пульсаров. Ведь вместе с Солнцем мы находимся почти точно в галактической плоскости, и потому направление от нас на близкие объекты внутри хотя бы и узкого слоя может быть, вообще говоря, любым.  Близких пульсаров сравнительно мало и они не затемняют общую картину. Если радиопульсары располагаются вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать, что и сами они являются молодыми.  Об одном из них, пульсаре Крабовидной туманности, определенно известно, что он существует всего около тысячи лет - это остаток вспышки сверхновой 1054 года; его возраст значительно меньше времени жизни ярких звезд-гигантов, - 10 миллионов лет, не говоря уже о звездах-карликах, средний возраст которых еще в 1000 раз больше. Строгая периодичность следования импульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость - все это сближает радиопульсары с рентгеновскими пульсарами.  Но во многих других отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары - это одиночные, а не двойные звезды. Известно всего три радиопульсара, имеющих звезду-компаньона. У всех остальных, а их более трехсот пятидесяти, никаких признаков двойственности не замечается. Отсюда немедленно следует, что физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии — это во всяком случае не аккреция. Другой важнейший факт: спектр излучения радиопульсаров очень далек от какого-либо подобия универсальному чернотельному спектру, который характерен для излучения нагретых тел. Это означает, что излучение радиопульсаров никак не связано с нагревом нейтронной звезды, с температурой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Излучение электромагнитных волн, не связанное с нагревом тела, называют нетепловым. Такое излучение не редкость в астрофизике, физике и технике. Вот простой пример. Антенна радиостанции или телецентра - это проводник определенного размера и формы. В нем имеются свободные электроны, которые под действием специального генератора совершают согласованные движения вдоль проводника туда и обратно с заданной частотой. Так как электроны колеблются  «в унисон», то и излучают они согласованно: все излучаемые в пространство электромагнитные волны имеют одинаковую частоту - частоту колебаний электронов. Так что спектр излучения антенны содержит только одну частоту или длину волны. Сведения о спектре излучения радиопульсаров удалось получить прежде  всего благодаря наблюдениям самого яркого из них - пульсара Крабовидной туманности. Замечательно, что его излучение регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн - от радиоволн до гамма-лучей. Больше всего энергии он испускает именно в области гамма-лучей (так что пульсар вполне заслуживает названия гамма-пульсара);

принимаемый гамма-поток в рентгеновской  области  в 5—10 раз меньше. В области  видимого света он еще в десять раз меньше. Слабее всего поток  в радиодиапазоне:

Можно проверить, что ни при какой  температуре излучение нагретого  тела не может обладать таким распределением энергии по областям спектра.

Кроме пульсара Крабовидной туманности, «миллисекундного» пульсара в созвездии  Лисички и еще одного пульсара в созвездии Парусов, все остальные  радиопульсары регистрируются лишь благодаря излучению в радиодиапазоне. Не исключено, что они излучают и в других областях спектра - в видимом свете, в рентгеновских и гамма-лучах, подобно пульсару Крабовидной .туманности (хотя, вероятно, и не так интенсивно, как он); но они находятся дальше от нас, а чувствительность существующих радиотелескопов выше чувствительности оптических, рентгеновских и гамма-телескопов.

Интересно, что уже и одних  только данных о светимости пульсаров  в радиодиапазоне — без каких-либо сведений об излучении на более коротких длинах волн достаточно, чтобы убедиться в нетепловом, нечернотельном характере их излучения. Расстояние до Крабовидной туманности известно:

, поэтому с помощью данных  о потоке излучения можно найти  светимость пульсара. Полная Светимость  во всех диапазонах получается  умножением полного потока на площадь, сферы радиуса d:

(В качестве потока f взят фактически поток в гамма-диапазоне.) Светимость этого пульсара приблизительно в тысячу раз больше светимости Солнца на всех длинах волн. Здесь, однако нужно сделать одно замечание. Наша оценка была бы вполне справедлива, если бы пульсар излучал одинаково во всех направлениях. На самом деле его излучение не изотропно, оно обладает определенной направленностью. Мы не знаем, как выглядит луч этого «маяка»: какова его ширина и как ось вращения пульсара ориентирована относительно Земли. Поэтому учесть направленность излучения точно не удается; Действительная светимость может быть, вообще говоря, и больше, и меньше; чем

 Неопределенность все же  не катастрофически велика; так  что значение светимости находится, вероятно, между

Источник энергии

Периодичность импульсов радиопульсара  выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. И все же для многих .пульсаров  удалось зарегистрировать и регулярные изменения их периодов.  Конечно, это исключительно малые изменения и происходят они крайне медленно, так что регулярность следования импульсов нарушается лишь очень слабо. Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет; это означает, что только за миллион лет можно ожидать заметного - скажем, вдвое - изменения периода.

Во всех известных случаях радиопульсары  увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, их вращение замедляется со временем. Что-то тормозит вращение нейтронной звезды, на что-то тратится ее энергия вращения. Так не служит ли вращение источником, питающим излучение пульсара?

Чтобы это проверить, нужно сделать  прежде всего энергетическую оценку. Если пульсар действительно излучает за счет вращения, то кинетическая энергия вращения должна обеспечивать наблюдаемую мощность излучения, его светимость. Ориентировочную оценку кинетической энергии вращения звезды можно получить по простой формуле

 где М — масса звезды, V —характерная скорость вращения, в качестве которой можно взять линейную скорость вращения на экваторе звезды.  При типичном периоде Р==1 с и радиусе нейтронной звезды 10000 м находим :

 Таков запас энергии вращения.  Оценим теперь темп ее использования.  Если период пульсара увеличивается вдвое за время t, то за то же время кинетическая энергия вращения нейтронной звезды уменьшается в 4 раза

Значит, за время t теряется ¾ начального запаса энергии вращения. Средняя потеря энергии в единицу времени:(1.5)

Мы приняли здесь в качестве t характерное время, равное одному миллиону лет

, и воспользовались предыдущей  оценкой энергии вращения Е.  Величина W-

средняя мощность, связанная с расходованием  энергии вращения, что для 

типичного пульсара на несколько порядков выше его радиосветимости 

Для пульсара Крабовидной туманности, период которого составляет одну тридцатую  секунды, оценку нужно сделать отдельно. У него и характерное время  увеличения периода не миллион лет; как показывают наблюдения, оно сравнимо с его возрастом, т. е. близко к  тысяче лет. В этом случае мощность Ж окажется в миллион раз больше, чем по соотношению (1.5); она превышает на несколько порядков полную светимость этого пульсара во всех диапазонах волн.

Можно, таким образом, сказать, что  предположение о вращении как  источнике энергии пульсара выдерживает первую проверку: кинетическая энергия вращения нейтронной звезды достаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого излучение черпает свою энергию. При этом на излучение тратится только небольшая доля общего расхода энергии.

Магнитно-дипольное  излучение

Каким же образом энергия вращения превращается в энергию электромагнитных волн? Согласно идее, выдвинутой итальянским  астрофизиком Ф. Пачини и английским теоретиком Т. Голдом, решающая роль в  этом должна принадлежать магнитному полю нейтронной звезды. Как мы уже говорили, нейтронная звезда может обладать очень значительным магнитным полем.  Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды, как и у рентгеновского пульсара Система силовых линий магнитного поля вращается с той угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная звезда. Вне светового цилиндра магнитное поле вращающегося наклонного диполя уже не может оставаться тем же, что и внутри его. На световом цилиндре происходит превращение дипольного магнитного поля в электромагнитные волны, которые распространяются вовне, унося с собой определенную энергию. Эта энергия черпается из энергии вращения нейтронной звезды. Такого рода магнитно-дипольное излучение давно изучено в электродинамике. Известно, что частота излученных волн равна частоте вращения магнитного диполя, длина волны равна радиусу светового цилиндра. Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитным полем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращения преобразуется в энергию излучения. Но магнитно-дипольные волны - это отнюдь не то излучение, которое наблюдают у пульсаров: его частота слишком мала, а длина волны слишком велика - десятки и сотни километров. Магнитно-дипольные волны должны претерпеть какие-то очень существенные превращения, прежде, чем возникнет наблюдаемое излучение пульсаров.  Эти превращения происходят, по-видимому, в магнитосфере пульсара - в окружающем нейтронную звезду вращающемся облаке заряженных частиц.

Магнитосфера

Возможность и даже необходимость  существования такого облака доказали американские астрофизики-теоретики  П. Голдрайх и В. Джулиан. Они изучили  электромагнитные явления, происходящие не на световом цилиндре, где рождается  магнитно-дипольное излучение, а вблизи самой поверхности нейтронной звезды. Здесь намагниченная нейтронная звезда способна «работать» подобно динамомашине: ее вращение вызывает появление сильных электрических полей, а с ними и токов, т. е. направленных движений заряженных частиц.  Отношение электрической силы к силе тяжести, испытываемой электроном, очень велико:

Такая же оценка для протона  показывает, что действующая на него электрическая сила в миллиард раз  больше силы притяжения к нейтронной звезде. Это означает, что силы тяготения совершенно несущественны для заряженных частиц по сравнению с электрическими силами у самой поверхности нейтронной звезды. Электрические силы здесь необычайно велики и они способны беспрепятственно управлять движением электронов и протонов: они могут отрывать их от поверхности нейтронной звезды, ускорять их, сообщая частицам огромные энергии. Электрическая сила, действующая в поле  на частицу о зарядом , совершает на пути частицы работу. Значит проходя в электрическом поле расстояние, сравнимое с радиусом нейтронной звезды (например, от экватора до одного из полюсов), частица приобретает энергию 

 Это действительно огромная  энергия, на много порядков  превышающая даже энергии покоя  электрона и протона. Гигантская  энергия частиц соответствует  их скоростям движения, приближающимся к скорости света, а фактически совпадающим с ней. Частицы высоких энергий, отрываемые от поверхности нейтронной звезды и ускоряемые сильным электрическим полем, создают поток, исходящий от нейтронной звезды и похожий на солнечный или звездный ветер. Магнитное поле увлекает этот поток во вращение вместе о нейтронной звездой. Так вокруг нее возникает расширяющаяся и вращающаяся магнитосфера. Рождение и ускорение частиц, образующих магнитосферу, требует значительной энергии, которая черпается из кинетической энергии вращения нейтронной звезды.  Теоретический анализ, проделанный П. Голдрайхом и В.; Джулианом, показывает, что на это тратится приблизительно столько же энергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение. При этом и само магнитно-дипольное излучение пополняет запас энергии магнитосферы, оно практически не выходит наружу и поглощается магнитосферой, передавая свою энергию ее частицам. Нет сомнения, что именно в магнитосфере нейтронной звезды и разыгрываются многообразные физические процессы, определяющие все наблюдаемые проявления пульсара. Полной и исчерпывающей теории этих процессов пока нет; теория радиопульсаров находится в процессе развития, и даже на главные вопросы она еще не может дать законченного и убедительного ответа. Нас, прежде всего интересует, как возникает направленность в излучении пульсара, создающая этот естественный радиомаяк. Сейчас можно изложить лишь самые предварительные соображения, не претендующие на строгую доказательность, но содержащие, тем не менее, ряд важных идей. Вероятно, нужно исходить из того, что частицы высокой энергии, заполняющие магнитосферу пульсара, способны излучать электромагнитные волны очень высокой частоты, или, на квантовом языке, фотоны очень высокой энергии. Один из физических механизмов излучения связан с движением частиц в сильных магнитных полях.  Частицы следуют главным образом вдоль магнитных силовых линий, а так как силовые линии изогнуты, движение частиц не может быть прямолинейным и равномерным. Отклонение же от прямолинейного и равномерного движения означает ускорение (или торможение) частицы и, следовательно, сопровождается излучением электромагнитных волн. Согласно расчетам электромагнитные волны такого происхождения принадлежат к гамма-диапазону. В свою очередь гамма-фотоны способны рождать (в присутствии сильного магнитного поля) пары электронов и позитронов.  Электроны и позитроны также излучают электромагнитные волны при своем движений в магнитном поле, а эти новые волны способны рождать новые пары частиц         и т.д. Такой каскад процессов развивается главным образом вблизи магнитных полюсов нейтронной звезды, где сходятся магнитные силовые линии и поле особенно велико.  Здесь формируются, как можно полагать, направленные потоки согласованно движущихся частиц, которые - как в антенне - излучают согласованно и направленно, создавая луч пульсара. Магнитная ось звезды не совпадают с ее осью вращения, и потому этот луч вращается подобно лучу маяка. Но как в действительности это происходит, еще предстоит выяснить.