Что такое пульсары?

На этом многоволновом портрете можно увидеть пульсар (розовый) в центре галактики Мессье 82. Пульсар был обнаружен аппаратом NuSTAR НАСА, который зафиксировал рентгеновское излучение пульсара. (Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)

Пульсары — это сферические компактные объекты размером с большой город, но имеющие большую массу, чем Солнце. Ученые используют пульсары для изучения экстремальных состояний материи, поиска планет за пределами Солнечной системы Земли и измерения космических расстояний. Пульсары также могут помочь ученым найти гравитационные волны, которые могут указать путь к энергетическим космическим событиям, таким как столкновения между сверхмассивными черными дырами. Пульсары, открытые в 1967 году, являются удивительными членами космического сообщества.

Что такое пульсар?

С Земли пульсары часто выглядят как мерцающие звезды. Вспыхивая и выключаясь, они, кажется, мигают в регулярном ритме. Но свет пульсаров на самом деле не мерцает и не пульсирует, и эти объекты на самом деле не звезды.

Пульсары излучают два устойчивых узких луча света в противоположных направлениях. Хотя свет от луча устойчив, кажется, что пульсары мерцают, потому что они также вращаются. По той же причине моргает маяк, когда его видит моряк в океане: когда пульсар вращается, луч света может пронестись по Земле, затем исчезнуть из поля зрения, а затем снова вернуться. Для наземного астронома свет появляется и исчезает из поля зрения, создавая впечатление, что пульсар то мигает, то выключается.Причина, по которой луч света пульсара вращается, как луч маяка, заключается в том, что луч света пульсара обычно не совпадает с осью вращения пульсара.

Поскольку «мигание» пульсара вызвано его вращением, частота импульсов также показывает скорость вращения пульсара. Всего обнаружено более 2000 пульсаров. Большинство из них вращаются со скоростью порядка одного раза в секунду (их иногда называют «медленными пульсарами»), в то время как было обнаружено более 200 пульсаров, которые вращаются сотни раз в секунду (называемых «миллисекундными пульсарами»). Самые быстрые из известных миллисекундных пульсаров могут вращаться более 700 раз в секунду.

Пульсары на самом деле не звезды — или, по крайней мере, они не «живые» звезды. Пульсары принадлежат к семейству объектов, называемых нейтронными звездами, которые образуются, когда у звезды более массивной, чем Солнце, в ядре заканчивается топливо, и она коллапсирует сама в себя. Эта звездная смерть обычно приводит к мощному взрыву, называемому сверхновой. Нейтронная звезда — это плотный комок материала, оставшийся после этой взрывной смерти.

Нейтронные звезды обычно имеют диаметр от 12,4 до 14,9 миль (от 20 до 24 километров), но они могут содержать в два раза больше массы Солнца, что составляет около 864 938 миль (1,392 миллиона километров) в диаметре. Кусочек материала нейтронной звезды размером с кубик сахара будет весить около 1 миллиарда тонн (0,9 метрических тонны) — «примерно столько же, сколько гора Эверест», по данным НАСА. Гравитационное притяжение на поверхности нейтронной звезды будет примерно в 1 миллиард раз сильнее, чем гравитационное притяжение на поверхности Земли.

Единственный объект с более высокой плотностью, чем у нейтронной звезды, — это черная дыра, которая также образуется при коллапсе умирающей звезды. Самая массивная нейтронная звезда, когда-либо измеренная, имеет массу в 2,04 раза больше массы Солнца.Ученые не знают точно, насколько массивными могут стать нейтронные звезды, прежде чем они станут черными дырами, говорит Ферьял Озель, профессор астрономии и астрофизики в Университете штата Аризона, который специализируется на компактных объектах и ​​экстремальных состояниях материи во Вселенной.

Пульсары — это нейтронные звезды, также сильно магнитные. В то время как у Земли есть магнитное поле, достаточно сильное, чтобы мягко тянуть стрелку компаса, пульсары имеют магнитные поля, которые в диапазоне от 100 миллионов раз до 1 квадриллиона (миллиона миллиардов) раз сильнее, чем у Земли.

«Чтобы нейтронная звезда излучала как пульсар, она должна иметь правильную комбинацию силы магнитного поля и частоты вращения», — сказал Озел Space.com в электронном письме. Некоторые нейтронные звезды, возможно, когда-то излучали как пульсары, но больше не излучают (подробнее читайте ниже). Озел также отметил, что пучок радиоволн, излучаемый пульсаром, может не проходить через поле зрения наземного телескопа, что мешает астрономам его увидеть.

Почему пульсары вращаются?

Самые медленные из когда-либо обнаруженных пульсаров вращаются со скоростью порядка одного раза в секунду, и их обычно называют медленными пульсарами. Самые быстрые из известных пульсаров могут вращаться сотни раз в секунду и известны как быстрые пульсары или миллисекундные пульсары (поскольку период их вращения измеряется в миллисекундах).

Пульсары вращаются, потому что звезды, из которых они образовались, также вращаются, и коллапс звездного вещества естественным образом увеличивает скорость вращения пульсара. (Приближение массы к центру вращающегося объекта увеличивает скорость его вращения, поэтому фигуристы могут вращаться быстрее, подтягивая руки к туловищу.)

Пульсары размером с небольшой город, поэтому разогнать их до таких высоких скоростей — немалый подвиг. Фактически, миллисекундные пульсары требуют дополнительного источника энергии, чтобы достичь такой высокой скорости вращения.

Ученые считают, что миллисекундные пульсары должны были образоваться путем кражи энергии у компаньона.Пульсар выкачивает материю и импульс из своего компаньона, постепенно увеличивая скорость вращения пульсара. Это плохие новости для звезды-компаньона, которая может быть полностью поглощена пульсаром. Это могло бы объяснить, почему были обнаружены миллисекундные пульсары без видимого компаньона поблизости. Системы, в которых ученые видят пульсар, высасывающий жизнь из звезды, называются звездами черной вдовы или звездами с красной спиной, названными в честь двух типов опасных (высасывающих жизнь) пауков.

Что заставляет пульсар излучать?

Пульсары могут излучать свет на нескольких длинах волн, от радиоволн до гамма-лучей, самой энергичной формы света во Вселенной.

Как пульсары излучают свет? По словам Элис Хардинг, астрофизика из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, у ученых пока нет подробного ответа на этот вопрос, который специализируется на пульсарах. Более того, ученые обнаружили, что различные механизмы, вероятно, ответственны за получение различных длин волн света из области над поверхностью пульсара, сказал Хардинг. Подобные маяку лучи света, которые ученые впервые заметили в 1960-х годах, состоят из радиоволн. Эти лучи света примечательны тем, что они чрезвычайно яркие и узкие, и имеют свойства, подобные свойствам лазерного луча. Лазерный свет является «когерентным», в отличие от некогерентного света, излучаемого, например, лампочкой. В луче когерентного света частицы света, по существу, движутся в ногу, создавая однородный сфокусированный луч. Когда частицы света работают вместе таким образом, они могут создавать луч света, который экспоненциально ярче, чем рассеянный источник света, использующий такое же количество энергии.

По словам Роджера Романи, профессора физики Стэнфордского университета, изучающего пульсары и другие компактные объекты, ученым кажется очевидным, что излучение пульсаров обусловлено вращением пульсара и его магнитным полем.По словам Романи, самые быстро вращающиеся пульсары имеют более слабые магнитные поля, чем более медленно вращающиеся пульсары, но увеличения скорости вращения все же достаточно, чтобы эти быстрые пульсары излучали такие же яркие лучи, как и более медленные пульсары.

Впечатление художника выше дает представление о том, как линии магнитного поля от пульсара будут зацикливаться вокруг него и соединяться на двух полюсах. Однако на самом деле, когда пульсар вращается, он крутит вокруг себя магнитное поле, создавая гораздо более запутанную картину.

Вращающееся магнитное поле генерирует электрическое поле, которое, в свою очередь, может приводить в движение заряженные частицы (создавая электрический ток). Область над поверхностью пульсара, в которой преобладает магнитное поле, называется магнитосферой. В этой области заряженные частицы, такие как электроны и протоны, или заряженные атомы, ускоряются до чрезвычайно высоких скоростей очень сильным электрическим полем. Каждый раз, когда заряженные частицы ускоряются (то есть увеличивают свою скорость или меняют направление), они излучают свет. На Земле инструменты, называемые синхротронами, разгоняют частицы до очень высоких скоростей и используют излучаемый ими свет для научных исследований. В магнитосфере пульсара этот основной процесс может генерировать свет в оптическом и рентгеновском диапазонах.

А как же гамма-лучи, испускаемые пульсаром? Наблюдения показывают, что гамма-лучи испускаются из другого места в пространстве, окружающем пульсар, чем лучи радиоволн, и на другой высоте над поверхностью, сказал Хардинг. И гамма-лучи излучаются не узким, похожим на карандаш пучком, а веерообразно. Но, как и в случае с излучением радиоволн, ученые все еще спорят о точном механизме, ответственном за генерацию гамма-лучей пульсара.

Поиск пульсаров

Ученые открыли пульсары с помощью радиотелескопов, и радио продолжает оставаться основным средством поиска этих объектов.

Поскольку пульсары маленькие и слабые по сравнению со многими другими небесными объектами, ученые находят их, используя обзоры всего неба: телескоп сканирует все небо, и со временем ученые могут искать объекты, которые то появляются, то исчезают из поля зрения. Радиотелескоп Parkes в Австралии обнаружил большинство известных пульсаров. Другими телескопами, которые внесли большой вклад в поиски пульсаров, являются радиотелескоп Аресибо в Пуэрто-Рико, телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, телескоп Молонгло в Австралии и телескоп Джодрелл-Бэнк в Англии.

По словам Скотта Рэнсома, штатного астронома Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния, тысячи новых пульсаров могут быть обнаружены двумя радиотелескопами, которые должны начать сбор данных в ближайшие пять лет. Это китайский сферический телескоп с пятисотметровой апертурой (сокращенно FAST), базовое строительство которого может быть завершено уже в сентябре 2016 года, и массив квадратных километров (SKA), финансируемый консорциумом стран. Строительство SKA должно начаться в 2018 году в Южной Африке и Австралии. На веб-сайте организации говорится, что ранние научные наблюдения могут начаться в 2020 году, но полноценная научная деятельность массива (оба объекта) не начнется до 2030 года.

Космический гамма-телескоп Ферми, запущенный в июне 2008 года, обнаружил 2050 пульсаров, излучающих гамма-излучение, в том числе 93 миллисекундных гамма-пульсара. Ферми был особенно полезен, потому что он сканирует все небо, в то время как большинство радиообзоров обычно сканируют только участки неба вдоль плоскости галактики Млечный Путь.

Обнаружение различных длин волн света от пульсара может быть затруднено. Луч радиоволн пульсара может быть очень мощным, но если он не пройдет через Землю (и не попадет в поле зрения телескопа), астрономы могут его не увидеть.Гамма-излучение пульсара может охватывать большую часть неба, но оно также может быть тусклее и его труднее обнаружить.

По состоянию на 22 марта 2016 года ученым известно около 2300 пульсаров, у которых обнаружены только радиоволны, и около 160 пульсаров, излучающих гамма-лучи. Ученые теперь знают о 240 миллисекундных пульсарах, 60 из которых излучают гамма-лучи, сказал Рэнсом. Эти числа часто меняются по мере открытия новых пульсаров.

Использование пульсаров

Пульсары — фантастические космические инструменты, с помощью которых ученые могут изучать широкий спектр явлений.

Свет, излучаемый пульсаром, несет информацию об этих объектах и ​​о том, что происходит внутри них. Это означает, что пульсары дают ученым информацию о физике нейтронных звезд, которые являются самым плотным материалом во Вселенной (за исключением того, что происходит с материей внутри черной дыры). Под таким невероятным давлением материя ведет себя невиданным ранее ни в какой другой среде во Вселенной. Странное состояние вещества внутри нейтронных звезд — это то, что ученые называют «ядерной пастой»: иногда атомы выстраиваются в плоские листы, как лазанья, или спирали, как фузилли, или маленькие самородки, как клецки.

Некоторые пульсары также оказываются чрезвычайно полезными из-за точности их импульсов. Есть много известных пульсаров, которые мигают с такой точной регулярностью; они считаются самыми точными природными часами во Вселенной. В результате ученые могут наблюдать за изменениями в мерцании пульсара, которые могут указывать на то, что что-то происходит в соседнем пространстве.

Именно таким методом ученые стали выявлять наличие чужих планет, вращающихся вокруг этих плотных объектов. Фактически, первая планета за пределами Солнечной системы Земли, когда-либо найденная, вращалась вокруг пульсара.

Поскольку пульсары движутся в пространстве, а также мигают регулярное количество раз в секунду, ученые могут использовать множество пульсаров для расчета космических расстояний.Изменение положения пульсара означает, что излучаемому им свету требуется больше или меньше времени, чтобы достичь Земли. Благодаря точной синхронизации импульсов ученые провели одни из самых точных измерений расстояний до космических объектов.

Пульсары использовались для проверки аспектов общей теории относительности Альберта Эйнштейна, таких как универсальная сила гравитации.

Регулярная синхронизация пульсаров также может быть нарушена гравитационными волнами — рябью в пространстве-времени, предсказанной Эйнштейном и впервые обнаруженной непосредственно в феврале 2016 года. В настоящее время проводится несколько экспериментов по поиску гравитационных волн с помощью этого пульсарного метода.

По словам Рэнсома, использование пульсаров для этих типов приложений зависит от того, насколько стабильно они вращаются (таким образом обеспечивая очень регулярные мигания). Все пульсары постепенно замедляются по мере своего вращения; но те, которые используются для точных измерений, замедляются невероятно медленно, поэтому ученые все еще могут использовать их в качестве стабильных устройств для измерения времени.

Кладбища пульсаров

Все пульсары постепенно замедляются по мере старения. Излучение, испускаемое пульсаром, питается его магнитным полем и его вращением. В результате пульсар, который замедляется, также теряет мощность и постепенно перестает излучать излучение (или, по крайней мере, он перестает излучать достаточное количество излучения для обнаружения телескопами), сказал Хардинг. Наблюдения до сих пор показывают, что пульсары опускаются ниже порога обнаружения с гамма-лучами раньше, чем с радиоволнами. Когда пульсары достигают этой стадии жизни, они попадают на так называемое кладбище пульсаров. (Пульсары, которые перестали излучать, могут считаться астрономами обычными нейтронными звездами).

По словам Рэнсома, когда из обломков сверхновой образуется пульсар, он быстро вращается и излучает много энергии. Примером такого молодого пульсара является хорошо изученный Крабовый пульсар. Эта фаза может длиться несколько сотен тысяч лет, после чего пульсар начинает замедляться и излучать только радиоволны.Он добавил, что эти пульсары «среднего возраста», вероятно, составляют большую часть популяции пульсаров, идентифицированных как излучающие только радиоволны. Эти пульсары живут десятки миллионов лет, прежде чем в конечном итоге замедляются настолько, что «умирают» и попадают на кладбище пульсаров.

Но если пульсар находится рядом со звездой-компаньоном, он может быть «переработан», то есть выкачивает материал и энергию из своего соседа, увеличивая свое вращение до сотен раз в секунду — таким образом создавая миллисекундный пульсар и давая некогда мертвому пульсару новая жизнь. Это изменение может произойти в любой момент жизни пульсара, а это означает, что скорость вращения «умирающего» пульсара может увеличиваться в течение сотен и миллионов лет. Пульсар начинает излучать рентгеновские лучи, и пара объектов известна как «рентгеновская двойная система с малой массой», — сказал Рэнсом. (Эти пульсары-каннибалы были названы пульсарами «черная вдова» или «красноспинными» пульсарами в связи с двумя видами пауков, которые, как известно, убивают своих товарищей). Миллисекундные пульсары являются старейшими из известных пульсаров. Некоторым из них миллиарды лет, и они будут продолжать вращаться с такой высокой скоростью в течение миллиардов лет.

Подписывайтесь на Каллу Кофилд @callacofield. Следуйте за нами @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.com.