Когда возникли пульсары?
Ученые полагают, что пульсары звезды существуют с незапамятных времен. Во всяком случае, они были задолго до того, как их открыли. Первые свидетельства их существования получены в ноябре 1967 года, когда несколько радиотелескопов в Англии нащупали в небе неведомый ранее источник излучения. В космосе есть много источников радиоволн. Например, молекулы воды и аммония, дрейфующие в межзвездном пространстве, излучают радиоволны. Эти волны улавливаются тарелочными антеннами радиотелескопов.
Новый источник радиоволн, однако, не был похож на другие. Студентка – старшекурсница Джослин Белл изучала радиоволны, зарегистрированные самописцами радиотелескопа
Она обратила внимание на регулярно повторяющиеся вспышки электромагнитного излучения, которые поступали на антенну телескопа с интервалом в 1,33733 секунды
Когда новость об открытии Белл стала достоянием широкой публики, то некоторые ученые решили, что Белл приняла послание чужой цивилизации. Несколько месяцев спустя был зарегистрирован другой источник пульсирующего радиоизлучения. Ученые оставили мысль об их искусственном происхождении. Было решено, что эти источники — сверхплотные звезды. Их назвали пульсарами из – за пульсирующего характера излучения. Пульсары оказались теми самыми нейтронными звездами, за которыми ученые уже давно охотились. С тех пор были открыты сотни подобных звезд.
Открытие.
Первый пульсар открыли случайно в 1967 астрономы Кембриджского университета Дж. Белл и Э.Хьюиш. Испытывая новый радиотелескоп с аппаратурой для регистрации быстропеременного космического излучения, они неожиданно обнаружили цепочки импульсов, приходящих с четкой периодичностью. Первый пульсар имел период 1,3373 с и длительность импульса 0,037 с. Ученые назвали его CP 1919, что значит «кембриджский пульсар» (Cambridge Pulsar), имеющий прямое восхождение 19 ч 19 мин. К 1997 усилиями всех радиоастрономов мира было открыто более 700 пульсаров. Исследование пульсаров проводится с помощью крупнейших телескопов, поскольку для регистрации коротких импульсов необходима высокая чувствительность.
Методы обнаружения экзопланет
Доплеровская спектроскопия
Метод Доплера, также известный как доплеровская спектроскопия, является наиболее успешным методом обнаружения экзопланет. Он измеряет колебания звезды из-за гравитационных эффектов орбитальных планет.
Было бы неверно утверждать, что планеты вращаются вокруг звезд, на самом деле эти объекты вращаются вокруг своего общего центра масс. Из-за того, что звезды гораздо массивнее планет, общий центр масс находится к ним очень близко, и звезда имеет лишь небольшую, круговую или эллиптическую орбиту.
Колебания звезды могут быть обнаружены благодаря смещению ее спектра. Когда звезда движется к Земле, ее свет смещается в сторону синей части спектра (синее смещение), а когда звезда движется от Земли, ее свет отклоняется к красной части спектра (красное смещение). Это называется эффектом Доплера.
Эффект Доплера
Наблюдая за этими сдвигами в течение определенного периода времени, может появиться регулярный паттерн, сигнализирующий, что планета или другой объект вращается вокруг звезды.
Стоит отметить, что доплеровская спектроскопия позволяет обнаружить только небольшую часть существующих экзопланет. Например, крупные планеты, расположенные в непосредственной близости от звезды, а также планеты-гиганты.
Транзитный метод
Этот метод обнаруживает далекие экзопланеты за счет измерения затемнения звезды, когда вращающаяся планета проходит между ней и Землей. Прохождение планеты между звездой и Землей называется «транзитом». Если такое затемнение обнаруживается через регулярные интервалы и длится фиксированный промежуток времени, то весьма вероятно, что планета вращается вокруг звезды и проходит перед ней один раз в каждый орбитальный период.
Преимущество этого метода в том, что он дает больше информации о найденных экзопланетах, чем доплеровская спектроскопия. Поскольку размер звезды известен, любое уменьшение яркости может дать достаточно точную оценку размера планеты.
Транзитный метод на примере экзопланеты LHS 3844b
Кроме того, состав атмосферы планеты может быть определен путем анализа света, который поглощается элементами при прохождении через атмосферу. Комбинируя результаты транзитного метода и доплеровской спектроскопии, можно получить оценку размера, массы и состава планет.
Однако есть еще несколько методов, для обнаружения и уточнения характеристик экзопланет. К ним относятся:
- Астрометрический метод
- Метод гравитационного микролинзирования
- Метод прямого наблюдения
История открытия
В 1960-х годах группа ученых под руководством английского физика Энтони Хьюиша собственными руками создала радиотелескоп, с целью наблюдения компактных источников радиоизлучения. К числу научных сотрудников относилась и 23-хлетняя аспирантка Джоселин Белл, которая собирала материал для своей диссертации. Ее задача состояла в пересмотре всех самописцев телескопа – обработке данных наблюдения, и выявлении сигналов от компактных источников. Вскоре, спустя два месяца работы, Джоселин Белл обнаружила некие сигналы, которые нельзя было отнести ни к помехам, ни к известным компактным источникам. Аспирант предположила, что найденный сигнал порождается точечным источником – звездой. Однако период излучения импульсов этим источником был чуть более секунды. Столь частые вспышки не характерны для переменных звезд и не могут быть вызваны процессами, протекающими в них. Вместе с Энтони Хьюишом аспирант продолжила изучение странного излучения, в результате чего гипотеза о земном его происхождении была отброшена.
Были привлечены и другие ученые. Так как был обнаружен только один такой источник, начали возникать предположения, что периодичный источник является следствием деятельности внеземной разумной цивилизации. По этой причине первый радиопульсар получил название Little Green Men («Маленькие зеленые люди») – сокращенно LGM-1. Вскоре Джоселин было обнаружено еще три источника со столь малой периодичностью в совсем иных областях неба. Тогда стало ясно, что данный источник – это новый класс астрономических объектов.
Фото Джоселин Белл 1967 года и 2011 года
Как оказалось, позже – подобные периодические радиосигналы улавливались астрономами и ранее, но принимались за помехи, вызванные человеческой деятельностью.
Открытие, которое не вписывается в рамки современных теорий
Но этот пульсар удивителен не только своей яркостью и частотой. Недавно было обнаружено, что PSR B0531+21 испускает радиоактивные лучи в диапазоне, который превышает отметку в 100 млрд вольт. Это число в миллионы раз превосходит то излучение, которое используется в медицинском оборудовании, а также оно в десять раз выше, чем то значение, которое описывается в современной теории гамма-лучей. Мартин Шредер, американский астроном, говорит об этом так: «Если бы всего лишь два года назад вы задали любому астрофизику вопрос о том, может ли быть обнаружено такого рода излучение, вы бы получили однозначное «нет». Такой теории, в которую может уложиться открытый нами факт, попросту не существует».
Магнетары
По данным учёных, в космосе существуют нейтронные звёзды, с невероятно сильным магнитным полем. Такие объекты возникают при условии достаточной массы звезды перед взрывом. Они получили название магнетары. Сначала астрономы только предполагали их наличие, но в 1998 году получили доказательство своих теорий. Они наблюдали мощную вспышку рентгеновского и гамма-излучения от одного из объектов в созвездии Орла. На данный момент это малоизученные космические тела. Поэтому они являются одними из загадочных объектов Вселенной, и разумеется, интересными.
Представление магнетара
Важно, что наблюдать пульсар можно, если он находится под определённым углом вращения. К сожалению, учёные так и не пришли к выводу, почему умершая звезда становится источником излучения, и что заставляет некоторые её части стремительно вращаться
Но не исключено, что мы докопаемся до истины.
Подытожим…
Нейтронные звезды – удивительные объекты. Их в последнее время наблюдают с особенным интересом, т.к. загадку представляет не только их строение, но и огромная их плотность, сильнейшие магнитные и гравитационные поля. Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях. Пульсар — это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита. Если бы на него ничего не падало и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле. Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, а вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 1010-1014 гаусс. Сравним: земное поле составляет 1 гаусс, солнечное — 10-50 гаусс). Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звездами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды необязательно совпадает с осью ее вращения, то при вращении звезды поток радиоволн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маяка — лишь на миг прорезая окружающую мглу.
- < Назад
- Вперёд >
Самый яркий пульсар в истории
Одним из самых знаменитых таких объектов Вселенной является пульсар в Крабовидной туманности. Данное открытие показывает, что пульсар – это один из самых удивительных объектов во всей Вселенной.
Взрыв нейтронной звезды в нынешней Крабовидной туманности был настолько мощным, что это даже не может вписаться в современную теорию астрофизики. В 1054 году н. э. на небосклоне засияла новая звезда, которая в наши дни получила название SN 1054. Взрыв ее наблюдался даже в дневное время, что было засвидетельствовано в исторических хрониках Китая и арабских стран. Интересно, что Европа не заметила этого взрыва – тогда общество было настолько поглощено разбирательствами между папой римским и его легатом, кардиналом Гумбером, что ни один ученый того времени не зафиксировал этого взрыва в своих работах. А несколько веков спустя на месте этого взрыва была обнаружена новая туманность, впоследствии получившая название Крабовидной. Ее первооткрывателю, Уильяму Парсонсу, она почему-то по своей форме напомнила краба.
А в 1968 году впервые был обнаружен пульсар PSR B0531+21, и именно этот пульсар был первым из всех, которые ученые отождествили с остатками от сверхновой звезды. Источником пульсации, если судить более строго, является не сама звезда, а так называемая вторичная плазма, которая образуется в магнитном поле вращающейся с бешеной скоростью звезды. Частота вращения пульсара Крабовидной туманности составляет 30 раз в одну секунду.
Строение пульсара.
Нейтронные звезды имеют жидкое ядро и твердую кору толщиной ок. 1 км. Поэтому по структуре пульсары больше напоминают планеты, чем звезды. Быстрое вращение приводит к некоторой сплюснутости пульсара. Излучение уносит энергию и момент импульса, что вызывает торможение вращения. Однако твердая кора не позволяет пульсару постепенно становиться сферическим. По мере замедления вращения в коре накапливаются напряжения и наконец она ломается: звезда скачкообразно становится чуть более сферической, ее экваториальный радиус уменьшается (всего на 0,01 мм), а скорость вращения (в результате сохранения момента) немного возрастает. Затем вновь следует постепенное замедление вращения и новое «звездотрясение», приводящее к скачку скорости вращения. Так, изучая изменения периодов пульсаров, удается многое узнать о физике твердой коры нейтронных звезд. В ней происходят тектонические процессы, как в коре планет, и, возможно, образуются свои микроскопические горы.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.
Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.
Нейтронные звезды появляются после смерти гигантов в виде сверхновых
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.
Внутреннее строение пульсара
Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Когда нейтронная звезда выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, картина выглядит еще более впечатляющей. Если вторая звезда уступала по массивности Солнцу, то тянет массу компаньона в «лепесток Роша». Это шарообразное облако материла, совершающее обороты вокруг нейтронной звезды. Если же спутник был больше солнечной массы в 10 раз, то передача массы также настраивается, но не такая устойчивая. Материал течет вдоль магнитных полюсов, нагревается и создаются рентгеновские пульсации.
К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.
Типы нейтронных звезд
У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.
Когда рентгеновские пульсары отбирают материал у более массивных соседей, то он контактирует с магнитным полем и создает мощные лучи, наблюдаемые в радио, рентгеновском, гамма и оптическом спектре. Так как источник располагается в компаньоне, то их именуют пульсарами с аккрецией.
Строение магнитного поля нейтронной звезды
Вращающиеся пульсары в небе подчиняются вращению звезд, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с магнитным полем пульсара над полюсами. Так как вещество внутри магнитосферы пульсара ускоряется, это заставляет его вырабатывать гамма-лучи. Отдача энергии замедляет вращение.
Магнитные поля магнетар в 1000 раз сильнее, чем у нейтронных звезд. Из-за чего заставляют вращаться звезду намного дольше.
Номенклатура
Для наименования пульсаров исторически использовалось две системы. В более ранней пульсар обозначался двумя заглавными латинскими буквами и следующими за ними через пробел четырьмя цифрами. Первая буква обозначала группу учёных, открывшую пульсар, вторая буква — P — начальная буква слова Pulsar. Цифры обозначали прямое восхождение пульсара в часах и минутах. Например: CP 1919 (пульсар, открытый кембриджской группой с прямым восхождением 19 часов, 19 минут). Вторая система восходит к 1968 году, когда два новых пульсара были обозначены PSR (англ. Pulsating Source of Radio, что означает «пульсирующий источник радиоволн»). Начиная с открытия пульсара в Крабовидной туманности за буквами PSR стало следовать прямое восхождение и склонение пульсара (например: PSR 0531+21, здесь прямое восхождение 5 часов 31 минута и склонение 21 градус). В дальнейшем склонение стали указывать с точностью до десятых долей градуса (например: PSR 1913+167, здесь склонение 16,7 градуса). Первоначально системой координат, в которой указывалось прямое восхождение и склонение пульсара, были координаты 1950 года, использовавшиеся для пульсаров, открытых приблизительно до 1993 года. Позднее стали использовать координаты 2000 года, хотя для некоторых знаменитых пульсаров обычно используются прежние обозначения. По состоянию на начало 2000-х годов, чтобы различить эти две системы координат в обозначении пульсара перед координатами указывается буква B для координат 1950 года или буква J для координат 2000 года (например, пульсар, сразу после открытия в 1968 году обозначавшийся PP 0943 в начале XXI века имел обозначения PSR B0943+10 и PSR J0946+09).
История
Первый пульсар был открыт в июле 1967 года Джоселин Белл, аспиранткой Энтони Хьюиша, на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета, на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию. Современные названия этого пульсара — PSR B1919+21 или PSR J1921+2153.
Результаты наблюдений несколько месяцев хранились в тайне, а первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (сокр. от англ. Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Такое название было связано с предположением, что эти строго периодические импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение. Кроме того, вскоре группа Хьюиша нашла ещё 3 источника аналогичных сигналов.
Только в феврале 1968 года в журнале «Nature» появилось сообщение об открытии быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы с высокостабильной частотой. Сообщение вызвало научную сенсацию. К 1 января 1969 года число обнаруженных различными обсерваториями мира объектов, получивших название пульсаров, достигло 27. Число посвящённых им публикаций в первые же годы после открытия составило несколько сотен[источник не указан 249 дней]. Первый пульсар, обнаруженный советскими астрономами — PP 0943 (современное обозначение — PSR B0943+10) в созвездии Льва, открытый на Радиоастрономической станции ФИАН в г. Пущино в декабре 1968 года.
Доплеровское смещение частоты (характерное для источника, совершающего орбитальное движение вокруг звезды) обнаружено не было.
В числе прочих теорий (гипотеза Иосифа Шкловского и др.) было предложено рассматривать пульсары как своего рода сверхмощные «маяки» внеземных цивилизаций.
Однако вскоре астрофизики пришли к общему мнению, что пульсар, точнее радиопульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения, и в результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара.
На 2008 год уже известно около 1790 радиопульсаров (по данным каталога ATNF). Ближайшие из них расположены на расстоянии около 0,12 кпк (около 390 световых лет) от Солнца. Однако самая близкая двойная система из двух миллисекундных пульсаров находится в 3,5 пк от Солнца.
Несколько позже были открыты источники периодического рентгеновского излучения, названные рентгеновскими пульсарами. Как и радио-, рентгеновские пульсары являются сильно замагниченными нейтронными звёздами. В отличие от радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения на излучение, рентгеновские пульсары излучают за счёт аккреции вещества звезды-соседа, заполнившего свою полость Роша и под действием пульсара постепенно превращающегося в белого карлика. Как следствие, масса пульсара медленно растёт, увеличивается его момент инерции и — за счёт передачи орбитального момента системы во вращение пульсара падающим на него веществом — частота вращения, в то время, как радиопульсары, со временем, наоборот, замедляются. Обычный пульсар совершает оборот за время от нескольких секунд до нескольких десятых долей секунды, а рентгеновские пульсары делают сотни оборотов в секунду.
Благодаря проекту распределённых вычислений Einstein@Home на 2012 год найдено 63 пульсара.
В 2012 году учёные в Межвузовском центре астрономии и астрофизики (IUCAA) обнаружили в 3,5 пк от Земли двойную систему из миллисекундных пульсаров.
В 2015 году учёные из коллаборации космического гамма-телескопа Ферми обнаружили первый гамма-пульсар, лежащий за пределами Млечного Пути. Он установил новый рекорд светимости среди ранее открытых гамма-пульсаров. Пульсар PSR J0540-6919 расположен на окраине туманности Тарантул созвездия Золотая Рыба в Большом Магеллановом Облаке, расположенной в 163 тысячах световых лет от Млечного Пути.
В 2016 году в рамках проекта EXTraS (англ. Exploring the X-ray Transient and variable Sky) в результате изучения архивных данных телескопа XMM-Newton за 2000—2013 годы открыт рентгеновский источник 3XMM J004301.4+413017, первый пульсар в галактике Туманность Андромеды.
Сигналы от пульсаров можно использовать как эталоны времени и ориентиры для спутников.
В 2020 году астрономы США и Польши установили, что причиной того, что этот тип нейтронных звезд действует как радиомаяки, является взаимодействие между электрическими и магнитными полями у поверхности объекта.
Сколько живут пульсары?
До последнего момента считалось, что самый короткий период пульсара имел 0,333 секунды.В созвездии Лисички в 1982 году Аресибской обсерваторией (Пуэрто-Рико) был зафиксирован пульсар с периодом 1, 558 миллисекунды! Он находится от Земли на расстоянии больше восьми тысяч световых лет. Окружённый остатками горячей туманности, пульсар образовался после взрыва, произошедшего около 7500 лет назад. Последний миг жизни одной из взорвавшихся старых звёзд стал рождением сверхновой, которая будет существовать ещё 300 миллионов лет.
После открытия первых нейтронных звёзд прошло более сорока лет. Сегодня известно, что они являются источниками регулярных импульсов рентгеновского и радиоизлучения и, тем не менее остаётся вариант того, что пульсары вполне реально могут служить небесными радиомаяками, используемыми внеземными цивилизациями из других галактик при перемещениях НЛО в космическом пространстве.
История
Первый двойной пульсар, PSR B1913+16 открыли в 1974 году в обсерватории Аресибо Джозеф Хотон Тейлор и Рассел Алан Халс, получившие в 1993 году Нобелевскую премию по физике. Когда Халс наблюдал открытый пульсар PSR B1913+16, то заметил, что частота пульсации изменяется в соответствии с некоторой закономерностью. Был сделан вывод о том, что пульсар вращается очень близко и с высокой скоростью вокруг другой звезды, период пульсаций меняется согласно эффекту Доплера: при приближении пульсара к наблюдателю импульсы наблюдаются чаще, при удалении пульсара количество регистрируемых за тот же промежуток времени импульсов будет меньше.
Импульсы можно представлять себе в виде тиканья часов; изменение частоты тиканья свидетельствует об изменении в скорости пульсара относительно наблюдателя. Халс и Тейлор определили также, что звёзды обладают примерно равными массами, при наблюдении флуктуаций импульсов, что привело к предположению о том, что второй компонент также является нейтронной звездой. Наблюдения импульсов проводятся с точностью 15 мкc.
Исследование двойного пульсара PSR B1913+16 привело к первому точному определению массы нейтронных звёзд, использующему свойства релятивистского замедления времени. Когда два тела близко расположены, гравитационное поле усиливается, время протекает медленнее, промежуток времени между двумя импульсами увеличивается. При движении пульсара в более слабом поле частота импульсов увеличивается.
До момента открытия гравитационных волн и исследований LIGO двойные пульсары были единственными объектами, по которым учёные могли обнаружить существование гравитационных волн; общая теория относительности предсказывала, что две нейтронные звезды будут излучать гравитационные волны при движении вокруг общего центра масс, что приведёт к уменьшению орбитальной энергии, сближению звёзд и уменьшению орбитального периода.
Модель с 10 параметрами, включающая информацию о кеплеровых орбитах, поправки к кеплеровым орбитам (например, скорость движения перицентра, гравитационное красное смещение, изменение орбитального периода, релятивистское замедление времени), достаточна для представления свойств пульсара во времени.
Измерения уменьшения орбитальной энергии системы PSR B1913+16 почти идеально соответствовали предсказаниям теории Эйнштейна. Теория относительности предсказывает, что постепенно орбитальная энергия переходит в энергию гравитационного излучения. Данные об орбитальном периоде PSR B1913+16, полученные Тейлором, Дж.М. Вайсбергом (англ. Joel M. Weisberg) и коллегами, подтверждают выводы теории; в 1982 году и позднее учёные подтвердили наличие разницы в наблюдаемом промежутке времени между двумя минимумами по сравнению с ожидаемым временем при постоянстве расстояния между компонентами. В течение десятилетия после открытия орбитальный период системы уменьшался на 76 миллионных секунды в год. Последующие наблюдения подтвердили данный вывод.
