Обманчивое мерцание: почему пульсары не пульсируют
В космосе есть необычные объекты, которые каждые несколько секунд излучают яркий свет. Они вращаются с невообразимой скоростью, весят как полтора Солнца, «живут» миллиарды лет, а астрономы с их помощью ищут неизвестные планеты. Это пульсары.
Что такое пульсары
Пульсары — это нейтронные звезды, то есть космические тела очень высокой плотности. Именно в них превращаются массивные звезды, когда они гаснут. Но не каждую нейтронную звезду можно назвать пульсаром. К ним относят только такие нейтронные звезды, которые могут раскручиваться до бешеных скоростей. Пульсары посылают свое свечение на Землю ритмическими вспышками, пауза между которыми может занимать всего доли секунды.
Само название «пульсар» сбивает с толку. Эти объекты не пульсируют — они не сжимаются и не расширяются, хотя именно так думали астрономы прошлого. Ритмичность вспышек объясняется только геометрией наблюдения.
Секрет такого «мерцания» — магнитные поля, которые управляют движением заряженных частиц, направляя их к магнитным полюсам и разгоняя почти до скорости света. В результате из каждого полюса бьет мощное излучение. Но магнитная ось пульсара не совпадает с осью его вращения. Поэтому лучи света, подобно гигантским прожекторам, описывают в пространстве окружности. Мы видим вспышку лишь в те мгновения, когда один из лучей оказывается нацелен прямо на Землю. В остальное время звезда словно гаснет, хотя на самом деле ее свечение остается постоянным.
Массы пульсаров довольно однотипны — порядка 1,5 солнечных, а вот скорость вращения серьезно варьируется. В 2022 году был открыт рекордный тяжеловес в 2,35 массы Солнца — «Черная вдова» PSR J0952−0607. Он вращается с частотой 707 Гц, то есть совершает 707 оборотов в секунду! Он смог развить такую скорость, потому что родился в двойной системе и поглотил вещество звезды-компаньона, которое придало ему угловой момент и раскрутило до сотен оборотов в секунду.
Как появляются пульсары
Рождение пульсара начинается с катастрофы. Когда звезда, масса которой в 4-8 раз превышает массу Солнца, исчерпывает запасы термоядерного топлива, ее внутреннее давление резко падает. Гравитация больше не встречает сопротивления, и ядро начинает стремительно сжиматься. Внешние слои сметает взрывом сверхновой. В центре остается железное ядро массой примерно в полтора раза больше Солнца. Оно сжимается до размеров земного города, то есть до поперечника около 20–27 км.
В этой тесноте электроны и протоны соединяются, превращая вещество в нейтронную массу почти на 95%. Получается очень плотный материал: одна чайная ложка вещества из пульсара весит четыре миллиарда тонн. Это почти 8000 небоскребов Бурдж-Халифа!
Дальнейшему сжатию мешают квантовые свойства нейтронов. Если бы масса ядра оказалась больше, ничто не смогло бы остановить коллапс, и звезда превратилась бы в черную дыру.
Как открыли пульсары
В 1932 году английский физик-ядерщик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Уже через два года, в 1934-м, советский физик-теоретик Лев Ландау, а также немецкий и американский астрофизики Вальтер Бааде и Фриц Цвики независимо друг от друга предсказали существование нейтронных звезд. В 1939-м американский физик-ядерщик Роберт Оппенгеймер и его канадский коллега Джордж Волкофф построили их теоретическую модель. Но найти первый пульсар смогли только спустя три десятилетия.
В 1967-м кембриджские радиоастрономы охотились за квазарами — активными ядрами галактик на ранней стадии развития. Их аппаратура регистрировала быстрые и хаотичные изменения интенсивности радиоволн. Вдруг двадцатичетырехлетняя аспирантка Джоселин Белл заметила идеально ровные импульсы. Поначалу сигналы приняли за искусственные помехи или даже за весточку от внеземного разума. Поэтому источник получил шуточное прозвище LGM1 — «Маленький зеленый человечек 1». Позднее выяснилось, что это пульсар с периодом 1,3373 секунды. Сейчас он известен под именем PSR B1919+21.
Сегодня астрономам известно более 3000 пульсаров. Их наблюдают не только в радиодиапазоне, но и в рентгеновских лучах, гамма-излучении и даже в видимом спектре.
Как астрономы используют пульсары
Пульсары — уникальный инструмент для астрофизики. Их свет несет данные о том, что творится в недрах нейтронных звезд, где материя достигает такой плотности, что уступает только черным дырам. Под давлением атомы могут выстраиваться плоскими листами, походить на спирали или скатываться в комки. Это странное вещество астрофизики прозвали ядерной пастой.
Вспышки пульсаров настолько точны, что их считают самыми надежными естественными часами. По изменениям в их мерцании ученые обнаруживают планеты за пределами Солнечной системы — первую экзопланету нашли именно у пульсара.
Пульсары также помогают измерять расстояния до космических объектов. Когда пульсар движется в пространстве, время прихода его сигналов меняется. Благодаря сверхточному ходу этих «звездных часов» астрономы получают одни из самых точных оценок расстояний.
Наконец, пульсары позволяют проверять отдельные положения общей теории относительности. Регулярность их сигналов может нарушаться гравитационными волнами. Эти колебания пространства-времени предсказал Эйнштейн, а впервые их зафиксировали в феврале 2016 года. Сейчас ученые используют пульсары для поиска таких волн.
Когда пульсары попадают на «кладбище»
В среднем пульсар живет около 10 млн лет, и с возрастом его вращение постепенно замедляется. При этом пульсар теряет мощность, и его излучение слабеет: сначала он исчезает для гамма-телескопов, потом — для радиотелескопов, попадая на так называемое «кладбище пульсаров».
Но если рядом есть звезда, возможна «реанимация»: мертвый пульсар снова раскручивается до сотен герц, превращаясь в миллисекундный. Эти «каннибалы» (их называют «черными вдовами» или «красноспинками», как пауков, убивающих своих партнеров) живут уже миллиарды лет и будут светить еще столько же.
По материалам space.com.
