Пульсар (от пульсирующего радиоисточника ) [1] [ 2] представляет собой сильно намагниченную вращающуюся нейтронную звезду , испускающую лучи электромагнитного излучения из своих магнитных полюсов . [3] Это излучение можно наблюдать только тогда, когда луч излучения направлен на Землю (аналогично тому, как маяк можно увидеть только тогда, когда свет направлен в сторону наблюдателя), и оно ответственно за импульсное появление эмиссия. Нейтронные звезды очень плотны и имеют короткие регулярные периоды вращения . Это обеспечивает очень точный интервал между импульсами, который для отдельного пульсара варьируется от миллисекунд до секунд. Пульсары — один из кандидатов на источники космических лучей сверхвысоких энергий . (См. также центробежный механизм ускорения .)
Периоды пульсаров делают их очень полезными инструментами для астрономов. Наблюдения пульсара в системе двойной нейтронной звезды были использованы для косвенного подтверждения существования гравитационного излучения . Первые внесолнечные планеты были обнаружены вокруг пульсара PSR B1257+12 в 1992 году. В 1983 году были обнаружены определенные типы пульсаров , которые на тот момент превосходили точность атомных часов в измерении времени . [4]
Сигналы от первого открытого пульсара первоначально наблюдала Джоселин Белл во время анализа данных, записанных 6 августа 1967 года с недавно введенного в эксплуатацию радиотелескопа , который она помогала строить. Первоначально ее руководитель и разработчик телескопа Энтони Хьюиш назвал это радиопомехами , [5] [6] тот факт, что сигналы всегда появлялись с одним и тем же склонением и прямым восхождением, вскоре исключил земной источник. [7] 28 ноября 1967 года Белл и Хьюиш с помощью скоростного ленточного самописца разрешили сигналы как серию импульсов, равномерно распределенных каждые 1,337 секунды. [8] Ни один астрономический объект такого рода никогда раньше не наблюдался. 21 декабря Белл обнаружил второй пульсар, опровергнув предположения о том, что это могут быть сигналы, посланные на Землю внеземным разумом . [9] [10] [11] [12]
Когда наблюдения с помощью другого телескопа подтвердили излучение, оно устранило любые инструментальные эффекты. В этот момент Белл сказала о себе и Хьюише: «Мы на самом деле не верили, что уловили сигналы другой цивилизации, но, очевидно, эта идея приходила нам в голову, и у нас не было доказательств того, что это было полностью естественное радиоизлучение. Это интересная проблема: если кто-то думает, что мог обнаружить жизнь где-то еще во Вселенной, как можно ответственно объявить о результатах?» [13] Несмотря на это, они прозвали сигнал LGM-1 , что означает « маленькие зеленые человечки » (шутливое название разумных существ внеземного происхождения ).
Только когда в другой части неба был обнаружен второй пульсирующий источник, от «гипотезы LGM» полностью отказались. [14] Их пульсар позже был назван CP 1919 и теперь известен под несколькими обозначениями, включая PSR B1919+21 и PSR J1921+2153. Хотя CP 1919 излучает в радиоволнах , впоследствии было обнаружено, что пульсары излучают в видимом свете, рентгеновском и гамма- излучении. [15]
Слово «пульсар» впервые появилось в печати в 1968 году:
Совершенно новый тип звезды появился на свет 6 августа прошлого года и был назван астрономами LGM (Маленькие зеленые человечки). Сейчас считается, что это новый тип между белым карликом и нейтронной [звездой]. Вероятно, ему будет присвоено имя Пульсар. Доктор А. Хьюиш сказал мне вчера: «...Я уверен, что сегодня каждый радиотелескоп смотрит на Пульсары». [16]
Существование нейтронных звезд было впервые предложено Вальтером Бааде и Фрицем Цвикки в 1934 году, когда они утверждали, что небольшая плотная звезда, состоящая в основном из нейтронов, возникнет в результате взрыва сверхновой . [17] Основываясь на идее сохранения магнитного потока звезд главной последовательности, Лодевийк Вольтьер предположил в 1964 году, что такие нейтронные звезды могут содержать магнитные поля величиной от 10 14 до 10 16 гаусс (= от 10 10 до 10 12 тесла ). [18] В 1967 году, незадолго до открытия пульсаров, Франко Пачини предположил, что вращающаяся нейтронная звезда с магнитным полем будет излучать радиацию, и даже отметил, что такая энергия может быть перекачана в остаток сверхновой вокруг нейтронной звезды, такой как Крабовидная туманность . [19] После открытия первого пульсара Томас Голд независимо предложил модель вращающейся нейтронной звезды, аналогичную модели Пачини, и открыто заявил, что эта модель может объяснить импульсное излучение, наблюдаемое Беллом Бернеллом и Хьюишем. [20] В 1968 году Ричард В. Э. Лавлейс с сотрудниками открыл период ms пульсара Крабовидной туманности с помощью обсерватории Аресибо . [21] [22] Открытие пульсара в Крабе подтвердило модель пульсаров с вращающейся нейтронной звездой. [23] Период импульса пульсара в Крабе длительностью 33 миллисекунды был слишком коротким, чтобы соответствовать другим предложенным моделям излучения пульсара. Более того, Крабовидный пульсар назван так потому, что расположен в центре Крабовидной туманности, что соответствует предсказанию Бааде и Цвикки 1933 года. [24] В 1974 году Энтони Хьюиш и Мартин Райл , разработавшие революционные радиотелескопы , стали первыми астрономами, удостоенными Нобелевской премии по физике , при этом Шведская королевская академия наук отметила, что Хьюиш сыграл «решающую роль в открытии». пульсаров». [25] Значительные разногласия связаны с тем фактом, что Хьюиш была удостоена премии, а Белл, сделавшая первое открытие, когда она была его аспиранткой, - нет. Белл не выражает никакой горечи по этому поводу, поддерживая решение Нобелевского комитета. [26]
В 1974 году Джозеф Хутон Тейлор-младший и Рассел Халс впервые обнаружили пульсар в двойной системе PSR B1913+16 . Этот пульсар вращается вокруг другой нейтронной звезды с орбитальным периодом всего восемь часов. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что эта система должна испускать сильное гравитационное излучение , заставляющее орбиту постоянно сжиматься по мере того, как она теряет орбитальную энергию . Наблюдения за пульсаром вскоре подтвердили это предсказание, предоставив первое в истории свидетельство существования гравитационных волн. По состоянию на 2010 год наблюдения этого пульсара продолжают согласовываться с общей теорией относительности. [27] В 1993 году Нобелевская премия по физике была присуждена Тейлору и Халсу за открытие этого пульсара. [28]
В 1982 году Дон Бэкер возглавил группу, обнаружившую PSR B1937+21 , пульсар с периодом вращения всего 1,6 миллисекунды (38 500 об/мин ). [29] Наблюдения вскоре показали, что его магнитное поле было намного слабее, чем у обычных пульсаров, а дальнейшие открытия укрепили идею о том, что был обнаружен новый класс объектов, « миллисекундные пульсары » (MSP). Считается, что MSP являются конечным продуктом рентгеновских двойных систем . Благодаря чрезвычайно быстрому и стабильному вращению MSP могут использоваться астрономами в качестве часов, конкурирующих по стабильности с лучшими атомными часами на Земле. Факторы, влияющие на время прибытия импульсов на Землю более чем на несколько сотен наносекунд , можно легко обнаружить и использовать для проведения точных измерений. Физические параметры, доступные через синхронизацию пульсара, включают трехмерное положение пульсара, его собственное движение , содержание электронов в межзвездной среде на пути распространения, орбитальные параметры любого бинарного компаньона, период вращения пульсара и его эволюцию во времени. (Они вычисляются на основе необработанных данных о времени с помощью Tempo , компьютерной программы, специализирующейся на этой задаче.) После того, как эти факторы приняты во внимание, отклонения между наблюдаемым временем прибытия и прогнозами, сделанными с использованием этих параметров, могут быть найдены и отнесены к одному из три возможности: внутренние изменения периода вращения пульсара, ошибки в определении земного времени , по которому измерялось время прибытия, или наличие фоновых гравитационных волн. В настоящее время ученые пытаются разрешить эти возможности, сравнивая отклонения, наблюдаемые между несколькими различными пульсарами, образуя так называемую временную решетку пульсаров . Целью этих усилий является разработка стандарта времени на основе пульсаров , достаточно точного, чтобы впервые в истории осуществить прямое обнаружение гравитационных волн. В 2006 году группа астрономов из LANL предложила модель для прогнозирования вероятной даты сбоев пульсаров на основе данных наблюдений Rossi X-ray Timing Explorer . Они использовали наблюдения пульсара PSR J0537-6910 , который известен как квазипериодический пульсар. [30] Однако на сегодняшний день не известна общая схема прогнозирования сбоев. [30]
В 1992 году Александр Вольщан обнаружил первые внесолнечные планеты вокруг PSR B1257+12 . Это открытие предоставило важные доказательства относительно широкого существования планет за пределами Солнечной системы , хотя очень маловероятно, что какая-либо форма жизни могла бы выжить в среде интенсивного излучения вблизи пульсара.
В 2016 году AR Скорпиона была идентифицирована как первый пульсар, компактный объект которого представляет собой белый карлик, а не нейтронную звезду. [31] Поскольку его момент инерции намного выше, чем у нейтронной звезды, белый карлик в этой системе вращается каждые 1,97 минуты, что намного медленнее, чем пульсары нейтронных звезд. [32] Система демонстрирует сильные пульсации от ультрафиолетового до радиодиапазона, вызванные нисходящим вращением сильно намагниченного белого карлика. [31]
Первоначально пульсары назывались буквами обсерватории-открывателя с указанием их прямого восхождения (например, CP 1919). По мере открытия новых пульсаров буквенный код становился громоздким, и тогда возникло соглашение об использовании букв PSR (Пульсирующий источник радиосигнала), за которыми следовали прямое восхождение пульсара и степени склонения ( например, PSR 0531+21), а иногда и склонение к десятая часть градуса (например, PSR 1913+16,7). К пульсарам, расположенным очень близко друг к другу, иногда добавляются буквы (например, PSR 0021-72C и PSR 0021-72D).
Современное соглашение ставит перед старыми числами префикс B (например, PSR B1919+21), причем B означает, что координаты относятся к эпохе 1950.0. Все новые пульсары имеют букву J, обозначающую координаты 2000,0, а также имеют склонение, включая минуты (например, PSR J1921+2153). Пульсары, открытые до 1993 года, обычно сохраняют свои имена B, а не используют имена J (например, PSR J1921+2153 более известен как PSR B1919+21). Недавно открытые пульсары имеют только имя J (например, PSR J0437-4715 ). Все пульсары имеют имя J, которое дает более точные координаты их местоположения на небе. [33]
События, приводящие к образованию пульсара, начинаются, когда ядро массивной звезды сжимается во время вспышки сверхновой , которая коллапсирует в нейтронную звезду. Нейтронная звезда сохраняет большую часть своего углового момента , а поскольку она имеет лишь ничтожную долю радиуса своей прародительницы (и поэтому ее момент инерции резко уменьшен), она формируется с очень высокой скоростью вращения. Луч излучения испускается вдоль магнитной оси пульсара, который вращается вместе с вращением нейтронной звезды. Магнитная ось пульсара определяет направление электромагнитного луча, причем магнитная ось не обязательно совпадает с его осью вращения. Из-за этого несовпадения луч виден один раз за каждый оборот нейтронной звезды, что приводит к «импульсному» характеру его появления.
В пульсарах с приводом от вращения луч является результатом энергии вращения нейтронной звезды, которая генерирует электрическое поле из-за движения очень сильного магнитного поля, что приводит к ускорению протонов и электронов на поверхности звезды и созданию электромагнитного луча, исходящего от полюсов магнитного поля. [34] [35] Наблюдения NICER за PSR J0030+0451 показывают, что оба луча исходят из горячих точек, расположенных на южном полюсе, и что на этой звезде может быть более двух таких горячих точек. [36] [37] Это вращение со временем замедляется из-за излучения электромагнитной энергии. Считается, что когда период вращения пульсара достаточно замедляется, механизм радиопульсара выключается (так называемая «линия смерти»). Это выключение, по-видимому, произойдет примерно через 10–100 миллионов лет, а это означает, что из всех нейтронных звезд, родившихся в возрасте 13,6 миллиардов лет, около 99% больше не пульсируют. [38]
Хотя общая картина пульсаров как быстро вращающихся нейтронных звезд широко распространена, Вернер Беккер из Института внеземной физики Макса Планка сказал в 2006 году: «Теория того, как пульсары излучают свое излучение, все еще находится в зачаточном состоянии, даже после почти сорока лет исследований». работа." [39]
В настоящее время астрономам известны три различных класса пульсаров в зависимости от источника мощности электромагнитного излучения:
Хотя все три класса объектов являются нейтронными звездами, их наблюдаемое поведение и лежащая в их основе физика совершенно различны. Однако есть некоторые связи. Например, рентгеновские пульсары, вероятно, представляют собой старые пульсары с вращательным движением, которые уже потеряли большую часть своей мощности и снова стали видимыми только после того, как их двойные спутники расширились и начали переносить вещество на нейтронную звезду.
Процесс аккреции, в свою очередь, может передать нейтронной звезде достаточный угловой момент , чтобы «переработать» ее в миллисекундный пульсар с приводом от вращения . Считается, что, когда это вещество приземляется на нейтронную звезду, оно «хоронит» магнитное поле нейтронной звезды (хотя детали неясны), оставляя миллисекундные пульсары с магнитными полями в 1000–10 000 раз слабее, чем у средних пульсаров. Это слабое магнитное поле менее эффективно замедляет вращение пульсара, поэтому миллисекундные пульсары живут миллиарды лет, что делает их самыми старыми из известных пульсаров. Миллисекундные пульсары наблюдаются в шаровых скоплениях, которые перестали образовывать нейтронные звезды миллиарды лет назад. [38]
Интерес для изучения состояния вещества нейтронной звезды представляют наблюдаемые сбои скорости вращения нейтронной звезды. [30] Эта скорость уменьшается медленно, но неуклонно, за исключением случайных внезапных изменений – « сбоев ». Одна из моделей, предложенная для объяснения этих сбоев, заключается в том, что они являются результатом « звездотрясений », которые корректируют кору нейтронной звезды. Также были предложены модели, в которых сбой вызван развязкой возможно сверхпроводящей внутренней части звезды. В обоих случаях момент инерции звезды меняется, но ее угловой момент не меняется, что приводит к изменению скорости вращения. [30]
Когда две массивные звезды рождаются близко друг к другу из одного и того же облака газа, они могут сформировать двойную систему и с самого рождения вращаться вокруг друг друга. Если эти две звезды хотя бы в несколько раз массивнее Солнца, их жизнь закончится взрывами сверхновых. Первой взрывается более массивная звезда, оставляя после себя нейтронную звезду. Если взрыв не отбросит вторую звезду, двойная система выживет. Нейтронную звезду теперь можно увидеть как радиопульсар, она медленно теряет энергию и замедляется. Позже вторая звезда может раздуться, позволяя нейтронной звезде поглотить ее вещество. Материя, падающая на нейтронную звезду, раскручивает ее и уменьшает ее магнитное поле.
Это называется «переработкой», потому что она возвращает нейтронную звезду в быстро вращающееся состояние. Наконец, вторая звезда также взрывается сверхновой, образуя еще одну нейтронную звезду. Если этот второй взрыв также не сможет разрушить двойную систему, образуется двойная двойная нейтронная звезда. В противном случае раскрученная нейтронная звезда останется без компаньона и станет «разрушенным переработанным пульсаром», вращающимся со скоростью от нескольких до 50 раз в секунду. [40]
Открытие пульсаров позволило астрономам изучить никогда ранее не наблюдавшийся объект — нейтронную звезду . Объекты такого типа — единственное место, где можно наблюдать поведение материи при ядерной плотности (хотя и не напрямую). Кроме того, миллисекундные пульсары позволили проверить общую теорию относительности в условиях интенсивного гравитационного поля.
Карты Пульсара были включены в две мемориальные доски «Пионеров» , а также в « Золотой рекорд Вояджера » . Они показывают положение Солнца относительно 14 пульсаров, которые идентифицируются по уникальному времени их электромагнитных импульсов, так что наше положение как в пространстве, так и во времени может быть рассчитано потенциальным внеземным разумом. [41] Поскольку пульсары излучают очень регулярные импульсы радиоволн, их радиопередачи не требуют ежедневных корректировок. Более того, позиционирование пульсара могло бы создать навигационную систему космического корабля самостоятельно или использоваться совместно со спутниковой навигацией. [42] [43]
Навигация и синхронизация на основе рентгеновских пульсаров (XNAV) или просто пульсарная навигация — это метод навигации, при котором периодические рентгеновские сигналы, излучаемые пульсарами , используются для определения местоположения транспортного средства, например космического корабля, в глубоком космосе. Транспортное средство, использующее XNAV, будет сравнивать полученные рентгеновские сигналы с базой данных известных частот и местоположений пульсаров. Подобно GPS , это сравнение позволит транспортному средству точно рассчитать свое местоположение (±5 км). Преимущество использования рентгеновских сигналов перед радиоволнами заключается в том, что рентгеновские телескопы можно сделать меньше и легче. [44] [45] [46] В 2018 году сообщалось об экспериментальных демонстрациях. [47]
В целом регулярность излучения пульсаров не может соперничать со стабильностью атомных часов . [48] Их по-прежнему можно использовать в качестве внешнего эталона. [49] Например, J0437-4715 имеет период0,005 757 451 936 712 637 с с ошибкой1,7 × 10 −17 с . Эта стабильность позволяет использовать миллисекундные пульсары для установления эфемеридного времени [50] или для построения пульсарных часов . [51]
Временной шум — это название неравномерностей вращения, наблюдаемых у всех пульсаров. Этот временной шум можно наблюдать как случайное колебание частоты или фазы импульса. [52] Неизвестно, связан ли временной шум с сбоями пульсаров . Согласно исследованию, опубликованному в 2023 году [53] , считается, что временной шум, наблюдаемый в пульсарах, вызван фоновыми гравитационными волнами . Альтернативно это может быть вызвано стохастическими флуктуациями как внутренних (связанных с наличием сверхтекучести или турбулентности), так и внешних (из-за магнитосферной активности) моментов пульсара. [54]
Излучение пульсаров проходит через межзвездную среду (МЗС), прежде чем достичь Земли. Свободные электроны в теплом (8000 К) ионизированном компоненте областей ISM и H II влияют на излучение двумя основными способами. Результирующие изменения в излучении пульсара служат важным исследованием самой МЗС. [55]
Из-за дисперсионной природы межзвездной плазмы низкочастотные радиоволны распространяются через среду медленнее, чем высокочастотные радиоволны. Результирующая задержка прихода импульсов в определенном диапазоне частот поддается непосредственному измерению как мера дисперсии пульсара. Мерой дисперсии является полная плотность столба свободных электронов между наблюдателем и пульсаром:
где – расстояние от пульсара до наблюдателя, – электронная плотность МЗС. Мера дисперсии используется для построения моделей распределения свободных электронов в Млечном Пути . [56]
Кроме того, неоднородности плотности МЗС вызывают рассеяние радиоволн от пульсара. Возникающее в результате мерцание радиоволн — тот же эффект, что и мерцание звезды в видимом свете из-за изменений плотности в атмосфере Земли — можно использовать для восстановления информации о мелкомасштабных изменениях МЗС. [57] Из-за высокой скорости (до нескольких сотен км/с) многих пульсаров одиночный пульсар быстро сканирует МЗС, что приводит к изменению картины мерцаний в течение нескольких минут. [58] Точная причина этих неоднородностей плотности остается открытым вопросом, возможные объяснения варьируются от турбулентности до токовых слоев . [59]
Пульсары, вращающиеся в искривленном пространстве-времени вокруг Sgr A* , сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, могут служить зондами гравитации в режиме сильного поля. [60] На время прибытия импульсов будут влиять специальные и общерелятивистские доплеровские сдвиги , а также сложные пути, по которым радиоволны будут проходить через сильно искривленное пространство-время вокруг черной дыры. Чтобы эффекты общей теории относительности можно было измерить с помощью современных инструментов, необходимо открыть пульсары с орбитальными периодами менее 10 лет; [60] такие пульсары будут вращаться на расстоянии не более 0,01 пк от Стрельца А*. В настоящее время идут поиски; в настоящее время известно, что пять пульсаров лежат в пределах 100 пк от Стрельца А*. [61]
В мире существует 4 консорциума, которые используют пульсары для поиска гравитационных волн . В Европе существует Европейская система синхронизации пульсаров (EPTA); в Австралии существует система синхронизации пульсаров Паркса (PPTA); в Канаде и США есть Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав); и в Индии есть индийская система синхронизации пульсаров (InPTA). Вместе консорциумы образуют Международную решетку синхронизации пульсаров (IPTA). Импульсы миллисекундных пульсаров (MSP) используются в качестве системы галактических часов. На Земле отклонения в часах можно будет измерить. Возмущение от проходящей гравитационной волны будет иметь особую сигнатуру во всем ансамбле пульсаров и, таким образом, будет обнаружено.
Перечисленные здесь пульсары были либо первыми обнаруженными в своем типе, либо представляют собой крайний тип среди известной популяции пульсаров, например, имеющий самый короткий измеренный период.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )