Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную. Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций. Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных черных дыр. Впервые обнаружены в 1967 году.
Если высматривать их на небе, то кажутся обычными мерцающими звездами, следующими определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами. Объект вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.
Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.
Пульсары нельзя считать звездами, по крайней мере «живыми». Это скорее нейтронные звезды, формирующиеся после того, как у массивной звезды заканчивается топливо, и она разрушается. В результате создается сильный взрыв – сверхновая, а оставшийся плотный материал трансформируется в нейтронную звезду.
Их диаметр достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.
Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.
Медлительность для пульсара – это одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.
Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).
Пульсары могут излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.
Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные. Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.
А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер. Главным средством остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.
В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.
Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по большей части неба, но уступают по яркости. Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.
Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».
Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.
Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.
Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.
Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.
Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.
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.
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 километров. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды. Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Если выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, то 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.
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.
Вращающиеся пульсары 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.
Пульсары являются одними из самых странных объектов во всей Вселенной. В 1967 году в Кембриджской обсерватории Джоселин Белл и Энтони Хьюиш изучали звезды и нашли нечто совершенно экстраординарное. Это был очень похожий на звезду объект, который как бы излучал быстрые импульсы радиоволн. О существовании радио источников в космосе было известно в течении достаточно долгого времени. Но такой излучающий быстрые импульсы объект был зафиксирован впервые. Они возникали как заводные, один раз в секунду. Сначала подумали, что сигнал исходит от орбитального спутника, но эту идею очень быстро откинули. После того как было найдено еще несколько таких же объектов, их назвали пульсарами благодаря их быстро пульсирующему характеру.
Самый молодой пульсар представляет собой быстро вращающийся сильнонамагниченый объект размером порядка 10 километов. Яркие пульсары обнаружили практически на каждой длине волны света. Некоторые действительно можно увидеть. Большинство людей, как правило, путает пульсары с квазарами. Но эти два объекта являются абсолютно разными. Квазары представляют собой объекты, производящие огромное количество энергии. Скорее всего, они возникли как результат огромной черной дыры в центре молодой галактики. Но пульсар – это нечто совсем другое.
По сути пульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда. Нейтронная звезда – это сильноуплотненное ядро мертвой звезды, оставшееся после взрыва сверхновой. Эта нейтронная звезда обладает мощным магнитным полем. Это магнитное поле около одного триллиона раз сильнее магнитного поля Земли. Магнитное поле заставляет нейтронную звезду излучать от ее северного и южного полюсов сильные радиоволны и радиоактивные частицы. Эти частицы могут включать в себя различные излучения, в том числе и видимый свет.
Пульсары, которые излучают мощные гамма-лучи, известны как пульсары гамма-лучей. Если нейтронная звезда располагается своим полюсом к Земле, то мы можем видеть радиоволны каждый раз, как только один из полюсов попадает в наш ракурс. Этот эффект очень похож на эффект маяка. Неподвижному наблюдателю кажется, что свет вращающегося маяка постоянно мигает, то пропадая, то появляясь опять. Таким же образом нам кажется, что пульсар мигает, когда он вращается своими полюсами относительно Земли. Разные пульсары издают импульсы разной скорости, в зависимости от размера и массы нейтронной звезды. Иногда пульсар может иметь спутника. В некоторых случаях он может притягивать своего спутника, что заставляет вращаться его еще быстрее. Самые быстрые пульсары могут издавать более ста импульсов в секунду.
Образование пульсара происходит, когда погибает массивная звезда, исчерпавшая свои запасы топлива. Происходит большой взрыв, известный как сверхновая звезда – самое мощное и наиболее яркое событие во Вселенной. Без противодействующей балансирующей силы ядерного синтеза, притяжение начинает стягивать звездные массы внутрь пока они не становятся очень сильно сжатыми. В пульсаре гравитация уплотняет их пока не образуется объект, состоящий в основном из нейтронов, упакованных настолько плотно, что они больше не могут существовать как обычное вещество.
Физик Чандрасекар Сабрахманьян предположил, что если масса ядра разрушенной звезды в 1,4 раза больше массы самой звезды, протоны и электроны будут объединятся в нейтроны в нейтронной звезде. Это число известно сегодня как предел Чандрасекара. Если этот предел не достигается в результате разрушения ядра, тогда образуется белый карлик. Если этот лимит значительно превышен, то в результате может возникнуть черная дыра.
Разрушающаяся звезда начинает вращаться более быстро, что известно, как сохранение количества движения при вращении. Этот процесс похож на фигуристов, старающихся тесно сжать руки, чтобы вращаться еще быстрее. В результате остается быстро вращающийся шар плотно упакованных нейтронов внутри железной оболочки. Чрезвычайные силы тяжести делают эту оболочку очень гладкой и блестящей. В результате нейтронная звезда имеет лишь около 20 миль в диаметре, содержа при этом большую часть массы первоначальной звезды с которой она была сформирована.
Новые пульсары обнаруживают даже сегодня с помощью больших радиотелескопов. Самый большой радиотелескоп в мире находится в Аресибо, в Пуэрто-Рико. Он был одним из ключевых инструментов в поиске пульсаров. Несколько новых пульсаров были обнаружены за последние несколько лет. Пульсар есть внутри знаменитой Крабовидной туманности (M1). Недавно 1000-ый пульсар был обнаружен в Австралии с использованием новой радиотелескопной технологии, известный как многолучевая поисковая система.
Самый быстрый пульсар PSR1937 +21 имеет период импульсов 1,56 мс или 640 раз в секунду. Самым сильным пульсаром является PSR 0329 +54 с очень медленным импульсом всего лишь в 0,715 секунд. Недавно были обнаружены такие пульсары как PSR 1257 +12. Ученые полагают, что вокруг них вращаются планеты.
Состав их неизвестен, предполагают, что они могут состоять из сверхтекучей нейтронной жидкости. Они обладают чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, гораздо больше, чем у Земли и даже у Солнца. Это гравитационные силы особенно впечатляют, поскольку она имеет небольшой размер.
Все они вращаются вокруг оси. При сжатии, угловой момент вращения сохраняется, а из-за уменьшения размеров, скорость вращения возрастает. Из-за огромной скорости вращения, внешняя поверхность, представляющая собой твердую «кору» периодически трескается и происходят «звездотрясения», которые замедляют скорость вращения и сбрасывают «излишки» энергии в космос.
Ошеломляющее давление, которое существуют в ядре, может быть похоже на то, которое существовало в момент большого взрыва, но к сожалению, его нельзя смоделировать на Земле. Поэтому эти объекты являются идеальными природными лабораториями, где мы можем наблюдать энергии недоступные на Земле. После непрерывного вращения, в течение нескольких миллионов лет, пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами.
Некоторые пульсары и нейтронные звезды испускают рентгеновское излучение. Знаменитая Крабовидная туманность – хороший пример такого объекта, образовавшейся во время взрыва сверхновой. Эта вспышка сверхновой наблюдалась в 1054 году нашей эры.
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
На сегодня известно, что у четырех есть планеты. Когда она находится в двойной системе, то возможно измерить ее массу. Из числа таких двоичных систем в радио или рентгеновском диапазоне, измеренные массы нейтронных звезд были примерно в 1.4 раза больше массы Солнца.
Совсем иной тип пульсаров виден в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях, нейтронная звезда и обычная образуют двойную систему. Сильное гравитационное поле тянет материал из обычной звезды. Материал, падающий на нее в процессе аккреции, нагревается так сильно, что производит рентгеновские лучи. Импульсные рентгеновские лучи видны, когда горячие пятна на вращающемся пульсаре проходят через луч зрения с Земли.
Для бинарных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация помогает отличить: является ли он нейтронной звездой, или например черной дырой, потому что черные дыры куда более массивные.
Представьте себе планету, вращающуюся вокруг неживой звезды. Этот мир купается в смертельном коктейле из рентгеновских лучей и заряженных частиц, которые испускает звезда в настолько слабом видимом диапазоне, что едва ли бросает тень на поверхность этого мира. Звучит как научная фантастика, однако такие странные миры на самом деле могут существовать.
Мы постоянно открываем новые и новые экзопланеты вокруг далеких звезд. Нас радует, что многие из них похожи на нашу Землю. Тем не менее, легко забыть то, что первые обнаруженные экзопланеты вовсе не были похожи на нашу родную планету. Первые экзопланеты обнаруживались на орбитах пульсаров – звезд, которые давно умерли.
Пульсары представляют собой крошечные трупы некогда могучих звезд. Это разновидность быстро вращающейся нейтронной звезды, плотного шарика из странной материи, богатой нейтронами, которая образуется на месте взрыва крупной сверхновой звезды. На первый взгляд они кажутся не самым удачным местом для поиска планет. По правде говоря, сверхновые у нас находятся в списке самых странных объектов во Вселенной – это события, близкие к апокалипсису, легко испаряющие планеты на орбитах, которым не посчастливилось вращаться вокруг взорвавшейся звезды.
Как ни странно, мы знаем массу планет, которые вращаются вокруг этих странных и неживых солнц. Первое открытие было сделано несколько десятков лет назад в районе пульсара PSR 1257+12. Пульсары излучают два потока лучей из северного и южного полюсов. И поскольку магнитные полюса не всегда совпадают с осью вращения нейтронной звезды, мы видим вспышки всякий раз, когда луч направлен к нам – как от маяка на горизонте.
Импульсы, видимые с Земли, настолько регулярны, что по ним можно сверять часы. Другая хорошая сторона – любые изменения в синхронизации импульсов легко обнаружить. Если пульсар несет планету на буксире, крошечном гравитационном буксире, заменяющем собой орбиту, ненадолго, но эффективно.
PSR 1257+12, между прочим, это миллисекундный пульсар. Он вращается так быстро, что крошечные изменения достаточно легко заметить. Благодаря этому, стало известно, что вокруг него находится три планеты. Две из них – суперземли, одна – чуть больше земной Луны. Она была самой мелкой из известных экзопланет до недавнего времени.
Между тем, возле другого пульсара есть планета, известная как PSR B1620-26 b. Это настоящий гигант, в два с половиной раза более массивная Юпитера, что, в принципе, неудивительно. PSR B1620-26 b это старейшая планета из известных нам. Ей около 12,7 миллиарда лет, и наверное, она стара, как сама Вселенная. Ее называют Мафусаилом, что наводит на определенные мысли.
Миры, подобные этим, однозначно «чужие» нам, поскольку существенно отличаются от всего, что мы знаем. Сложно даже догадаться, какие они будут крупным планом. Если на них есть атмосфера, она может быть полна ослепительных полярных сияний. Молекулы в атмосферах таких планет будут постоянно разрываться на части, купаясь в потоках заряженных частиц от пульсаров, возле которых они кружатся. С другой стороны, если у планеты нет атмосферы, ее поверхность будет «вылизана» рентгеновскими лучами и абсолютно мертва.
Что касается Мафусаила, сложно сказать наверняка, что произойдет с газовым гигантом спустя 12 миллиардов лет. Планеты-гиганты в нашей собственной Солнечной системе до сих пор остывают. Юпитер, как известно, излучает больше энергии в инфракрасном спектре, чем получает от Солнца. Этот процесс называется нагреванием Кельвина-Гельмгольца и обозначает, что Юпитер убывает примерно на два сантиметра в год. На протяжении своей жизни вы вряд ли обратите на это внимание. Но Мафусаил старше Юпитера на 8 миллиардов лет.
Что характерно, есть и другая, еще более странная планета возле пульсара. PSR J1719-1438 b открыли в 2011 году. Полагается, что она состоит практически полностью из углерода, кристаллизованного в алмаз. Технически это белая карликовая звезда крайне небольшой массы, по большей части украденной у ближайшего пульсара. Остаток массы не превышает юпитерианскую, тем самым делая объект больше планетой, чем звездой.
Такая вот необычная история сделала из PSR J1719-1438 b планету. Это самая плотная планета из всех, когда-либо обнаруженных, давление под ее поверхностью превращает углерод в алмаз. Звучит красиво, но для будущих экскурсантов гравитации на планете будет достаточно, чтобы моментально сплющить любого из них. Если, конечно, они выживут после облучения пульсаром.
Вы, наверное, уже несколько раз задали себе интересный вопрос: возможна ли жизнь возле пульсара? Честно говоря, маловероятно. Никто не любит слово «невозможно», но условия возле пульсара настолько враждебны, что набор молекул, которые мы называем «жизнь», моментально потеряет свой смысл. Даже если бы на таких планетах существовала жизнь, она пряталась бы глубоко под поверхностью своего обиталища, и вероятно разительно отличалась бы от того, что мы привыкли видеть. Может, с нашей точки зрения это и вовсе не жизнь.
За последние несколько лет было обнаружено не так много планет около пульсаров, а некоторые прошлые наблюдения были оспорены. Однако шансы найти еще достаточно высоки, поскольку не так много людей занимаются подобными поисками. Большинство исследователей заняты поиском экзопланет. Благодаря недавно почившему «Кеплеру», у нас накопилось достаточно данных для анализа.
Однако имеются свидетельства, что старые звезды могут пройти через второй путь формирования планет. Один из пульсаров 4U 0142+61 был замечен в формировании планетарного диска вокруг себя. Учитывая все вышесказанное, стоит полагать, что в нашей галактике может быть куда больше странных планет, чем в нашей собственной Солнечной системе.
| 
