В. Н. Гладышев
|
|
Re: Пульсации звезд
|
12.02.2009 20:09 |
|
|
Представления Эддингтона и Жевакина о механизме звездных пульсаций не выглядят
убедительно с позиций теории колебаний. Точка зрения Голда и Пачини на природу пульсаров
приводит к абсурдным следствиям. Ниже изложен взгляд на природу звездных пульсаций,
позволяющий проблемы непротивореиво объединить.
К сожалению, вложить рисунки не удалось. Они могут быть высланы by e-mail по запросу.
С математической стороной задачи можно познакомиться по ссылкам.
О звездных пульсациях.
Гладышев В.Н.
glavanik@yandex.ru
Еще во времена Гиппарха было замечено, что яркость некоторых звезд изменяется.
Две с лишним тысячи лет астрономических наблюдений позволили установить, что яркость
одних звезд изменяется случайно, других очень строго периодически. Периодическое
изменение яркости связывают с их пульсациями. Периоды пульсаций разных звезд значительно
различаются. Это позволило разделить их на группы, отличающиеся главным образом периодом
колебаний. Деление это не очень строгое, но существует [1]. Например, периоды
долгопериодических переменных лежат в интервале 100 700 суток, звезды типа RV Тельца
20 150 суток, классические цефеиды 1 50 суток, звезды типа W Девы 2 45 суток,
цефеиды с биениями 1 7 суток, звезды типа RR Лиры 1,5 24 часа, звезды типа
Цефея 4 6 часов, карликовые цефеиды 1 3 часа, переменные белые карлики 200
1000 секунд.
В последние десятилетия были открыты такие источники периодического электромагнитного
излучения (ЭМИ) как магнитары и пульсары, характерные на сегодня длительности периодов
повторения излучения которых лежат в интервале от нескольких миллисекунд до 12 секунд.
Более того, если для первой группы медленных звезд изменение яркости излучения имеет
форму, близкую к синусоидальной или к сумме двух-трех синусоид разной частоты, то для
магнитаров и пульсаров типична импульсная форма сигнала.
Такая большая разница временных характеристик и формы излучения звезд вынуждает
искать разные модели для их описания.
Около 1920 г. Эддингтон предложил модель поддержания периодических колебаний в
звезде, в основу которой было положено предположение, что в звезде имеется зона,
работающая как ключ, периодически открывающий или перекрывающий путь потоку излучения.
Первоначально предполагалось, что такой зоной является зона ионизации водорода,
происходящей при температуре порядка 10 тысяч К (кельвин). Однако, вскоре выяснилось,
что пульсации возникают и в звездах, поверхностная температура которых превышает 30
тысяч К, т.е. в звезде нет зоны ионизации водорода, но пульсации в такой звезде все-таки
возникают. Казалось, теория рухнула. Но Жевакин предложил считать, что ключом является
зона второй ионизации гелия, которая происходит при температуре порядка 40-60 тысяч К.
Таким образом, поскольку поверхностная температура всех известных звезд ниже температуры
второй ионизации гелия, теория была спасена. Процессу ионизации водорода, как и первой
ионизации гелия, была отведена роль некой частности, существенной роли в большинстве
звезд не играющей. Остается не выясненной роль происходящих в звезде термоядерных
реакций. Если Эддингтон отмечал их важную роль в колебательном процессе, то Кокс в этом
сомневается. Он считает, что в центральных областях звезды, где эти реакции происходят,
движения плазмы малы по сравнению с ее движениями в областях вблизи поверхности звезды.
Представляется, что в этих взглядах слишком много неопределенностей для того, чтобы
считать их установившимися.
После открытия пульсаров возник вопрос, какова их сущность? Поскольку
представления о механизме периодичного излучения цефеид уже существовали, то были
предприняты попытки представить причины нестационарности пульсаров аналогично. Но
возникли трудности, связанные с очень короткими длительностями периодов повторения их
сигналов. У первых открытых пульсаров они составляли порядка 0,5 1,5 секунды.
Пульсировать так быстро на основной частоте обычные звезды, в том числе самые маленькие,
не могут. Были предложения объяснять высокую частоту повторения сигнала пульсациями
звезды на высоких гармониках их собственных колебаний. Но не удалось объяснить, как в
звезде возникают пульсации на высшей гармонике без пульсаций на основной частоте. Были
попытки объяснить природу пульсаций сигналов пульсаров вращением традиционных звезд. Но
и вращаться с такой скоростью они также не могут, поскольку будут разорваны
центробежными силами. Предсказанные теоретически нейтронные звезды пульсировать с такой
частотой тоже не могут: они для этого слишком малы. Тогда Голд и Пачини независимо друг
от друга с разных сторон пришли к модели быстро вращающейся намагниченной нейтронной
звезды с горячей точкой на ее поверхности, излучающей в узком луче электромагнитную
энергию. В такой модели наблюдатель, если ему очень повезло, периодически оказывается в
луче и воспринимает излучение как последовательность электромагнитных импульсов во всем
спектре излучения звезды. Сегодня эта модель пульсара общепринята. Но и она не
безупречна. Возникает ряд вопросов, без ответа на которые гипотеза Голда Пачини не
выдерживает критики. Основные возражения состоят в следующем.
1. Прежде всего, утверждение, что пульсары являются нейтронными звездами, лишено
реальности, поскольку нельзя полагать, что реальность существования самих нейтронных
звезд доказана. Подтверждением такой реальности были объявлены пульсары. Логика этого
утверждения была очень проста: если теоретически предсказанные нейтронные звезды
существуют, а приписываемые им свойства позволяют объяснять некоторые особенности
наблюдаемого излучения пульсаров, то пульсары - нейтронные звезды. Но если пульсары
нейтронные звезды, то нейтронные звезды существуют. Удивительно, что сама эта излишняя
простота суждения не привлекла к себе внимания авторов и сторонников гипотезы. Очевидно,
сказалась победная эйфория: впервые теоретически предсказанные астрономические объекты
открыты! Других, более аргументированных, доказательств реальности нейтронных звезд и
обоснованности их идентификации с пульсарами пока тоже не существует. Поэтому и сами
нейтронные звезды, и доказательства их реальности пока еще предстоит искать и
обнаруживать.
2. Если существование нейтронных звезд возможно, простые оценки на основе сложившихся
теоретических представлений о них говорят нам, что плотность вещества нейтронных звезд
должна превышать плотность вещества ядер на порядок и более. Но нам не так уж много
известно о свойствах ядерного вещества. Тем более, мы ничего не знаем о веществе в 10
раз более плотном. Мы вообще не знаем, возможно ли существование такого вещества. Можно
что-то предполагать, но что-то утверждать и строить на этом предположении какие-то
многоэтажные модели нельзя.
3. Если пульсар нейтронная звезда, то, в соответствии с оценками и результатами
наблюдений, он должен иметь диаметр порядка 10-20 км и вращаться со скоростью до 40000
оборотов в минуту. Это - очень хороший гироскоп, но его размер превышает размер
реального технического устройства в 100000 раз. Какие дополнительные требования может
наложить такое изменение масштаба при совершенно исключительных и неизвестных свойствах
материала нейтронной звезды? Можно что-то предполагать, но что-то утверждать
невозможно.
4. По существующим оценкам мощность ЭМИ пульсара превышает мощность излучения Солнца в
100 и более раз. Если эта мощность даже была бы равномерно распределена по всей
небольшой поверхности пульсара нейтронной звезды, вместо концентрации в горячей
точке, то и в этом случае электрическая напряженность электромагнитного поля вблизи
поверхности звезды достигла бы величины порядка миллиарда вольт на метр. Известные
изоляторы не выдерживают такую электрическую напряженность. В подобных условиях источник
ЭМИ был бы в состоянии постоянного короткого замыкания. Тем более при концентрации
излучения в области горячей точки. Последствия такого режима трудно предсказуемы. Или
пространство вокруг пульсара и внутри него должно обладать свойствами, которые нам не
известны, и должно выдерживать такие электрические перегрузки.
5. Для объяснения причин поляризации ЭМИ пульсара и направленности его излучения
предполагается существование в пульсаре магнитного поля индукцией порядка 1012-1015
гаусс. По частной информации, она может достигать 1017 Гс.! Летом 2002 автор участвовал
в работе Международной научной конференции MEGAGAUSS-9 (MG-9). Главное направление
тематики конференции ясно из ее названия. Как следует из сообщений участников, магнитные
поля индукцией порядка 108 Гс и сегодня остаются мечтой для исследователей вещества.
Даже эксперименты с полями индукцией порядка 2107 Гс уникальны и приводят к неожиданным
результатам. Какие изменения свойств вещества можно ожидать в магнитных полях на 5-9
порядков еще более интенсивных? Сегодня предположить это невозможно. Для экстраполяции
же имеющихся данных достаточных оснований нет.
6. Пульсар PSR 0531-21 в Крабовидной туманности идентифицирован как маленькая звездочка
16 величины. Возникает вопрос: как нейтронная звезда диаметром порядка 10-20 км может
быть оптически видима на расстоянии
4 -5 тысяч световых лет? Для этого измерительные средства должны обеспечивать разрешение
порядка 10-11- 10-10 угловой секунды. Но разрешающая способность лучших современных
телескопов не превышает 10-2 секунды. Если же звезда все-таки видна, то, значит, ее
размеры имеют совсем другой порядок величины.
7. У некоторых пульсаров наблюдалось неоднократное дискретное изменение частоты
следования импульсов на небольшую, но конечную величину. Для объяснения этого факта
предполагается, что нейтронная звезда имеет твердую оболочку. Под действием механических
сил оболочка ломается и формируется новая оболочка, другого радиуса. При изменении
радиуса звезды должна измениться и скорость ее вращения. Расчеты на основе измеренных
изменений частоты пульсаций показали [2], что радиус звезды (порядка 5-10 км) должен был
измениться на 10-10 от своей первоначальной величины, т.е. на 1 микрометр! Для примера,
такие относительные деформации испытывает обычное стекло под давлением порядка 5-10 Па,
т.е. когда в поле тяготения Земли масса порядка 1 кг, распределена по поверхности стекла
площадью один квадратный метр, лежащего на абсолютно твердом основании. Т.е. литр воды
разлит на этой площади слоем толщиной 1 миллиметр! Эти цифры и их связь с механическими
свойствами гипотетической твердой оболочки пульсаров вызывают вопросы, но не вызывают
доверия, потому что материалы, обладающие подобными свойствами не известны. Тем более,
при высокой температуре.
8. Считается, что источником энергии излучения является энергия вращения пульсара. Вот
только никому пока не удается [2] разработать и предложить механизм такого
энергетического преобразования!
9. Частота пульсаций некоторых пульсаров так стабильна, что даже поступили предложения о
создании пульсарной шкалы времени. В таком случае, где же пульсар черпает энергию для
ЭМИ в соответствии с пунктом 8?
10. Открыты пульсары, частота следования импульсов которых возрастает. Где, в таком
случае (п. 8), пульсар черпает энергию?
Таким образом, как говорили древние римляне, ignotum per ignotius ... Применительно к
пульсарам это значит, что мы пытаемся решать не ясные проблемы, опираясь на
представления, которые еще менее ясны.
Принятые сегодня представления предполагают, что природа формирования периодического ЭМИ
звезд типа цефеид и пульсаров не имеют ничего общего. Так ли это? Кажется, Л.А.
Арцимович говорил, что природа сложна, но не злонамеренна. Мы многое в ней не знаем, и
этим незнанием необходимо пользоваться аккуратно. В противном случае можно не
приблизиться к истине, а безнадежно от нее уйти.
Хотя представления о звездах типа цефеид и о пульсарах существенно различны, и те и
другие излучают периодически изменяющиеся сигналы, те и другие могут наблюдаться
визуально как обычные звезды. Это дает возможность попытаться описать их с единых
позиций. Будем исходить из того, что и цефеиды, и пульсары являются обычными звездами,
отличающиеся тем, что пульсируют они на различающихся модах колебаний.
Что это значит? Наиболее просто сущность формы таких колебаний можно объяснять
графически. На рис.1a показано подобное звезде сферическое тело, которое пульсирует на
самой низкой моде - на моде нулевого порядка. Видно, что в этом случае процесс колебаний
звезды характеризуется центральной симметрией нулевого порядка. Это - элементарный
случай сферических колебаний. По-видимому, так и колеблются классические цефеиды и
мириды. Излучение такой звезды распространяется центрально симметрично и изменяется во
времени по амплитуде в соответствии с пульсациями.
Сферическое тело, совершающее колебания на моде первого порядка, показано на рис. 1b.
Видно, что оно разделено неподвижной центральной
плоскостью. Колебания полушарий происходят относительно этой плоскости в противофазе. В
пространстве излучение приобретает некоторую направленность. Его диаграмма имеет вид
восьмерки максимумы которой лежат в проходящей через центр шара плоскости, нормальной
к плоскости нулевых колебаний. Если пульсирующая звезда вращается вокруг произвольной
оси, излучение может быть дополнительно модулировано с двойной частотой вращения. Этим
можно объяснить эффект Блажко, наблюдаемый у звезд, относимых к группе звезд типа RR
Лиры.
Сферическое тело, совершающее колебания на моде четвертого порядка, показано на рис. 1c.
В этом случае поверхность тела оказывается разделенной на площадки узловыми
параллелями и меридианами, которые остаются неподвижными при колебаниях площадок.
Характерно, что любые две площадки, имеющие общую границу, пульсируют в противофазе. По-
видимому, так колеблются цефеиды с биениями или полипериодические цефеиды. По крайней
мере, численные оценки говорят о том, что соотношение периодов
Рис. 1. Формы пульсаций звезд на низких модах колебаний.
a нулевая мода колебаний, b первая мода, c четвертая мода
колебаний на первой, второй и третьей гармониках четвертой моды хорошо соответствует
типичному соотношению периодов гармонических составляющих сигналов, поступающих к нам от
известных полипериодических цефеид [1]. Каждая из площадок формирует свою диаграмму
направленности излучения, что может накладывать отпечаток на результат наблюдения такой
звезды при ее
вращении. Пульсации любых двух площадок, имеющих общую границу, происходят в противофазе.
Рис. 2. Распределение поля пульсаций звезд на моде высокого порядка.
С увеличением порядка моды количество площадок, на которые поверхность сферического тела
разделена, увеличится. Это видно на рис. 2, где показан один из возможных вариантов
распределения поля колебаний для моды приблизительно 25 порядка. Этот рисунок несколько
схематичен, поскольку распределение параллелей на нем не вполне соответствует тому,
что должно следовать из присоединенной функции Лежандра. Но это не существенно при
качественных оценках. Более высокая строгость в рассматриваемом приближении не окупается
ценностью результата, который был бы получен не данном этапе. Важно, что на сферической
поверхности тела узловые линии пересекаются, и площадки, которые сформированы ими, имеют
разную форму. Количество площадок увеличивается с увеличением порядка моды. При этом
возрастает и частота пульсаций. Как и прежде, любые две соседние площадки, имеющие общую
границу, пульсируют в противофазе.
Описанные формы колебаний следуют из решения волнового уравнения для сферического тела
при абсолютно мягких граничных условиях. Уравнение рассматривалось для случая некоторой
постоянной скорости звука в звезде. Это не совсем справедливо, но другого реального пути
решения этой задачи (кроме цифровых вычислений) пока не существует. Решение при таких
условиях позволяет получить результат, качественно отражающий основные свойства строгого
решения и дающий возможность анализировать явление.
Как и в предыдущем случае, при колебаниях на модах высокого порядка каждая площадка
формирует свою диаграмму направленности излучения. Их, как легко представить, может быть
очень много, и лучи любых двух площадок, имеющих общую границу, колеблются в
противофазе. К сожалению, никто не исследовал влияние факта формирования диаграммы
направленности на свойства наблюдаемого излучения звезд.
Как уже отмечалось, при пульсациях звезды на моде нулевого порядка модуляция ЭМИ за счет
пульсаций происходит центрально симметрично, т.е., по существу, не направленно. При
колебаниях звезды на модах первого, второго низкого порядка, когда изменения радиуса
поверхности звезды и, соответственно, радиуса кривизны, в пределах каждой площадки
невелико, каждая площадка излучает в пределах своего угла направленности, практически
определяемого только распределением ЭМИ в пределах этой площадки.
При увеличении порядка моды колебаний появляется еще один важный фактор, влияющий на
направленность излучения. Дело в том, что, с одной стороны, диэлектрическая
проницаемость среды в звезде и в окружающем пространстве различна, а с другой при
высоком номере моды колебаний кривизна поверхностей площадок может изменяться во много
раз даже при относительно небольших амплитудах пульсаций. Это приводит к тому, что в
процессе периодических колебаний периодически происходит фокусировка и рассеяние
излучения [3, 4] , как это показано на рис. 3. Это чрезвычайно важно. Наблюдатель, если
он попадает в пределы диаграммы направленности одной из площадок, воспринимает ЭМИ в
виде импульсов, спектр заполнения которых охватывает весь спектр излучения звезды. Т.е.
так, как это имеет место при наблюдении пульсаров.
Остаются вопросы: почему в звезде возникают пульсации? Почему они возникают на
определенных модах?
Эти вопросы рассмотрены [5, 6] и решены. Здесь их решение не приводится, поскольку оно,
хотя и не очень сложно, но довольно громоздко. Интересующихся отсылаем, например, к [5,
6, 7] .
.
Рис. 3. Фокусировка и рассеяние излучения звезды при ее колебаниях на моде
высокого порядка
Кратко результат решения выглядит так.
1. Автоколебания в звезде возникают только при условии существования в ней некоторой
поверхности, на которой скорость термоядерной реакции изменяется пространственным
скачком.
2. Пульсации возникают на модах низкого порядка, если сферическая поверхность разрыва
лежит в области середины радиуса звезды.
3. Пульсации возникают на модах все более высокого порядка при приближении поверхности
разрыва к поверхности звезды.
4. При приближении поверхности разрыва к поверхности звезды спектр заполнения импульсов
смещается в сторону гамма-диапазона.
5. С увеличением номера моды частота пульсаций возрастает.
Предложенный подход позволил объяснить следующие факты и зависимости. Пункты 1 и 2
относятся в звездам, пульсирующих на модах низкого порядка, остальные к пульсарам.
1. Единство природы пульсирующих звезд.
2. Эффект Блажко.
3. Природу импульсного излучения пульсаров.
4. Связь пульсаров с взрывами сверхновых.
5. Высокую частоту следования импульсов.
6. Высокую интенсивность импульсов за счет фокусировки ЭМИ.
7. Природу гигантских импульсов.
8. Природу стабильных субимпульсов.
9. Природу плавающих субимпульсов.
10. Малые девиации импульсов во времени.
11. Постоянное изменение средней частоты следования импульсов.
12. Дискретное изменение частоты следования импульсов.
13. Поляризацию излучения пульсаров.
14. Широкий спектральный состав импульсов.
15. Выключение пульсаров.
16. Влияние номера моды колебаний на степень поляризации излучения пульсирующих звезд.
Косвенные признаки, такие как оцениваемая ширина диаграммы направленности излучения,
некоторые особенности спектра ЭМИ, наблюдающиеся месячные циклы излучения некоторых
пульсаров позволяют ориентировочно оценить их размер. Он оказывается порядка размера
белого карлика, т.е. пульсар имеет диаметр порядка 50-100 тысяч километров и более.
Следовательно, пульсары никак не могут быть нейтронными звездами.
Если изложенные представления о пульсациях звезд верны, их можно распространить и на
магнитары.
Все эти результаты получены без использования представлений о незнакомых нам нейтронных
звездах, без предположений о запредельных скоростях их вращения и о гигантских магнитных
полях в них. В их основу легли только известные физические законы и проверенные на опыте
результаты известных экспериментов и наблюдений, результаты громоздкого, но достаточно
строгого теоретического анализа. Детальное развитие изложенных представлений требует
дальнейшей работы, конца которой не видно.
Литература.
1. Кокс Дж.П. Теория звездных пульсаций. Пер. с англ.- М.: Мир, 1983. 326 с.
2. Смит Ф.Г. Пульсары: Пер. с англ. М.: Мир,1979. 268 с.
3. Фейнмановскиe лекции по физике. Т. 3. М.: Мир, 1965. 238 с.
4. Яворский К.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 848 с.
5. Гладышев В.Н. Автоколебания при горении и термядерных взаимодействиях. Новосибирск:
НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1999. 134 с.
6. Gladyshev V.N. About a magnetic field of a pulsar // MEGAGAUSS-9. Proceedings of
Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related
Topic. Moscou St.-Petersburg? July 7-14, 2002. Sarov: VNIIEF, 2004, p.p 875-881.
7. Гладышев В.Н. Является ли пульсар нейтронной звездой? // Естественные и технические
науки 2006, 6, с.с. 52-58.
|
|
