Глава X. Реликты оболочек сверхновых | Оглавление | Глава XII. Несколько трудных вопросов

---

Глава XI. ПУЛЬСАРЫ - ЕЩЕ ОДИН ВИД РЕЛИКТОВ СВЕРХНОВЫХ

Пульсирующие радиоисточники

В наше время астрофизика приносит сенсационных открытий больше, чем какая-либо другая наука, изучающая природу. Так, радиоастрономия только в шестидесятых годах обнаружила квазары, космические "мазеры", реликтовое тепловое излучение Метагалактики, пульсары. Родившаяся в том же десятилетии рентгеновская астрономия открыла в семидесятых годах сильные галактические источники рентгеновского излучения и среди них рентгеновские пульсары.

История открытия пульсаров весьма увлекательна. Дело в том, что к моменту их обнаружения радиоастрономия уже более десяти лет располагала мощными радиотелескопами, способными наблюдать радиоисточники с быстрыми колебаниями интенсивности (секунды и доли секунд), но радиоастрономам не верилось в реальность существования быстро пульсирующих радиоисточников. Ведь чтобы радиоисточник производил такие быстрые колебания радиоизлучения, он должен иметь очень малые размеры, такие, например, как наша планета. Но радиоизлучающих космических объектов такого размера астрономия не знала.

Конечно, радиоизлучение от далеких и поэтому малых по видимым угловым размерам радиоисточников (квазаров) испытывало небольшие беспорядочные колебания продолжительностью в секунды и их доли. Это явление обнаружено еще в 1964 г. и названо мерцанием радиоисточников. Причина мерцаний была установлена: прохождение радиоволн от удаленного радиоисточника через облака межзвездного газа (плазму). Изучение этих мерцаний представляло некоторый интерес для радиоастрономии: по их характеру можно было вычислять угловые размеры квазаров.

С точки зрения радиоастрономии это была одна из многих наблюдательных задач, имевших целью сбор сведений о квазарах, представлявших собой объекты неясной природы Поэтому для исследования мерцаний на межзвездной плазме в Кембридже (Англия) на Маллардской радиообсерватории был достроен в 1967 г. радиотелескоп, который не выделялся среди существующих размерами антенны, но имел очень высокую чувствительность на своей волне приема (3.7 м) и приспособление для быстрой записи принимаемого радиосигнала.

Маллардская установка под руководством профессора А. Хьюиша стала получать интересные данные о мерцаниях удаленных радиоисточников, и среди них в августе того же года был обнаружен один довольно странный слабый радиосигнал. Сотрудница обсерватории мисс С. Белл, изучавшая эти записи, первоначально сочла его случайной помехой. Но тот же странный сигнал настойчиво продолжал появляться в записях и в конце концов заинтересовал радиоастрономов. Длительность радиосигнала (или его "пульс") оказалась всего треть секунды, но через период точно в 1.33 секунды или же через несколько таких периодов (иногда "корреспондент" молчал по несколько минут) снова появлялся слабый радиосигнал. Интенсивность сигнала от случая к случаю колебалась, но настораживало строгое соблюдение длины периода (рис. 31).

Не сигналы ли это разумных существ с других планетных систем? Однако записи радиосигналов не показали никакого разумного кода и следов какой-либо искусственной информации. Но не исключено, что это просто случайные сигналы с населенной разумными существами планеты. Вспомним, например, подсчеты И.С. Шкловского в его книге "Вселенная, жизнь, разум": наша Земля излучает во Вселенную довольно значительный поток радиоизлучения вследствие непрерывной работы многочисленных радиостанций, телепередатчиков, естественных и искусственных электрических разрядов в атмосфере и на поверхности планеты. Может быть и там, откуда идет пульсирующее радиоизлучение, происходит подобное?

Но если сигналы идут с какой-нибудь планеты, обращающейся по орбите вокруг центральной звезды, на периоде радиопульсаций должна сказываться скорость движения планеты по орбите, как сказывается и скорость движения Земли. Период пульсаций первого радиоисточника был измерен с точностью до десятимиллионной доли секунды, но никакой "собственной" орбитальной скорости радиоисточника обнаружено не было. Нет, это не было радиоизлучением планеты, подобной Земле.

Рис. 31. Несколько последовательных записей импульсов радиоизлучения пульсара СР 0808 ("кривые блеска"), полученных на радиоастрономической станции Физического института Академии наук СССР в Пущине. Каждый всплеск радиоизлучения своеобразен, некоторые всплески сильны, другие - очень слабы.

Кембриджские радиоастрономы вскоре нашли еще три пульсирующих радиоисточника, и окончательно стало ясно, что обнаружено новое явление природы, названное ими пульсарами.

Объектами, которые имеют очень короткий период изменений, по представлению астрофизиков, могли быть тесные двойные звезды (в этом случае период пульсара - это период обращения радиоизлучающей компоненты по орбите), либо белые карлики, у которых предполагается быстрая пульсация излучающей поверхности. Но до открытия пульсаров ни у тех, ни у других объектив не наблюдали да и не предполагали никакого значительного радиоизлучения. Кроме них пульсарами могли оказаться никогда еще не обнаруживавшиеся, но тем не менее давно предсказанные и разыскиваемые свыше 30 лет нейтронные звезды (предполагаемые продукты эволюции звезд с массами 1,4-2 массы Солнца). В пользу нейтронных звезд говорили явно небольшие размеры пульсаров, но и в теориях нейтронных звезд до открытия пульсаров явление пульсирующих радиоизлучений специально не предусматривалось, и в этом смысле обнаруженное явление пульсаров также было большой неожиданностью.

Сейчас известно уже более 320 пульсаров и среди них излучающие с таким коротким периодом, который не. может быть ни у белых карликов, ни у двойных звезд. Были также выдвинуты и некоторые теоретические доводы, свидетельствующие о том, что пульсары не могут быть ни теми, ни другими. Таким образом, "конкурс выиграли" нейтронные звезды.

Важнейшей характеристикой пульсаров является длина периода между пульсациями. Известны пульсары с периодами от 0.033 до 4.3 с. Строгая периодичность всплесков радиоизлучения пульсаров не исключает медленного изменения их периодов со временем; Для обнаружения изменения нужны долгие и тщательные наблюдения с учетом влияния орбитального движения Земли на значение периода, чтобы исключить годовые колебания пульсации. Исследовано уже более 200 пульсаров, и у всех периоды систематически увеличиваются. Другими словами, пульсации со временем замедляются. Следовательно, чем длиннее период, тем старше пульсар. Но в таком случае, если считать прирост периода равномерным в течение всего времени существования пульсара, то, разделив период на скорость его изменения в год, мы найдем грубую оценку его возраста. Действительный возраст, как показывает теория, будет вдвое меньше. Возрасты пульсаров заключены между 918 годами и 18 млн. лет (табл. 15).

Таблица 15. Несколько интересных пульсаров
Наимено- вание пульсара	Период пульсации, с	Длительность всплеска, с	Мера дисперсии, пс/см3	Расстояние, пс	Нарастание периода, миллионные доли с/год	Возраст, лет	Видимая звездная величина	Примечание
0525+21	3.745	0.181	51	2000	1.26	14 млн.	-	Долгопериодический
0531+21	0.033	0.003	57	2000	13.34	918	17	Оптический пульсар в Крабовидной туманности
0611+22	0.335	0.006	97	1500	1.89	90 тыс.	-	Возможно, связан с остатком сверхновой IC 443 в Возничем
0809+74	1.292	0.041	6	190	0.005	125 тыс.	Слабее 21	Один из первых открытых пульсаров
0833+45	0.098	0.002	69	500	3.95	11 тыс.	25	Оптический пульсар в остатке сверхновой Паруса X
0943+10	1.098	0.050	15	300	0.111	5 млн.	-	Открыт советскими астрономами
0950+08	0.253	0.009	3	98	0.007	18 млн.	Слабее 24	Один из первых открытых, ближайший? старейший?
1133+16	1.188	0.028	5	210	0.118	5 млн.	То же	Один из первых открытых
1154-62	0.401	0.049	267	6000	-	-	Слабее 20	Вблизи остатка сверхновой
1648-42	0.844	0.305	540	?	-	-	-	С наибольшей мерой дисперсии
1845-19	4.308	0.070	20	670	-	-	-	Рекордно длинный период
1913+16	0.059	0.010	167	5600	-	-	-	Пульсар в двойной системе
1919+21	1.337	0.031	12	420	0.042	16 млн.	Слабее 23	В слабом оболочечном радиоисточнике
1937-215	0.00156	-	100	2500	0.95	1 млн.	22	Самый быстрый пульсар, но старый!
2021+51	0.529	0.007	23	760	0.096	3 млн.	-	Вблизи остатка сверхновой HB 21 в Кассиопее

В случаях, когда пульсары обнаружены внутри остатков сверхновых (Крабовидная туманность. Паруса X), их возрасты можно установить и другими способами. Для Крабовидной туманности прямо известна дата вспышки ее сверхновой. Новейшие оценки возраста остатка сверхновой Паруса Х сходятся с возрастом, вычисленным по пульсару. Но этим еще не ограничиваются особенности названных пульсаров. В 1969 г. оба они испытали скачкообразное уменьшение периода. У пульсара Паруса Х он уменьшился на 196 миллиардных долей секунды, после чего период снова стал систематически возрастать, а пульсар в Крабовидной туманности уменьшил период на 77 триллионных доли секунды. Оба эти пульсара наблюдаются и оптическими средствами.

Записи изменения интенсивности радиоизлучения пульсара - это своего рода кривые блеска его радиопеременности. Отдельные всплески, называемые также импульсами, у одного и того же пульсара крайне непостоянны по виду и интенсивности, но в среднем форма импульса оказывается устойчивой. Главная причина колебаний интенсивности всплеска - мерцание при прохождении радиоволн через межпланетную и межзвездную плазму. Особенно отличаются всплески у пульсара РР 0943, открытого на Пущинской радиоастрономической станции Физического института им. П.Н. Лебедева. Он дает всего 3-4 импульса в месяц при периодичности слабых импульсов в 1.098 с. Некоторые пульсары имеют посредине интервала между главными всплесками еще промежуточный импульс (интеримпульс) меньшей силы.

Хотя период пульсации на всех длинах волн одинаков наблюдения показывают, что моменты всплесков на более длинных волнах наблюдаются позже. Величина запаздывания зависит от количества электронов межзвездной плазмы, находящихся на пути от пульсаров до наблюдателя. Эту величину, легко вычисляемую по наблюдениям запаздывания импульсов пульсара на разных длинах волн, принято называть мерой дисперсии.

Если бы межзвездная плазма в Галактике была размещена равномерно, то, разделив меру дисперсии на концентрацию электронов, мы получили бы оценку расстояния до пульсара (рис. 32). Но межзвездная среда неоднородна: газ в ней собран в облака, а возле горячих звезд есть области сильно ионизованного газа с высокой концентрацией электронов. Полагая среднюю концентрацию электронов в межзвездной среде равной 0.03 электрона на 1 см³, Можно грубо находить расстояние до тех пульсаров, которые находятся внутри галактического диска и излучение которых при следовании до наблюдателя не пересекало областей сильно ионизованного газа. Но если пульсар находится за пределами галактического диска, то по мере дисперсии можно найти лишь часть расстояния, пройденного его сигналом в галактическом диске, где присутствуют свободные электроны, а часть, пройденная вне диска, где концентрация электронов ничтожна, останется неизвестной.

Рис. 32. Прохождение короткого радиоимпульса от пульсара через межзвездную среду.
Попадая в облако межзвездной плазмы, обладающее повышенной концентрацией электронов, импульс испытывает дисперсию радиоволн и расплывается. Низкочастотные (т. е. длинноволновые) колебания импульса поэтому запаздывают.

В редких случаях расстояния до пульсаров можно оценить и другими способами. Так, расстояния до пульсаров, находящихся внутри остатков сверхновых, могут быть найдены по способам, применяемым для отыскания расстояний до этих остатков. Излучение далеких пульсаров, расположенных в области нашей Галактики, в своем следовании к Земле пересекает спиральные рукава. Холодный водород, сконцентрированный в них, поглощает излучение пульсара на волне 21 см. Вследствие вращения Галактики поглощение, создаваемое в каждом рукаве, будет по длине волны немного отличаться от поглощения в другом рукаве. Поэтому удается расшифровать, какие рукава пересек сигнал от пульсара и где на схеме Галактики он должен находиться.

Поразительной особенностью радиопульсаров является то, что только в одном случае из свыше трехсот известных сейчас объектов обнаружено периодическое колебание периодов пульсара, свидетельствующее о том, что он является членом двойной системы. Между тем, двойные звезды в Галактике не редкость, а очень частый случай. Видимо, по каким-то причинам звезды, становящиеся радиопульсарами, не входят, как правило, в двойные системы, либо же при вспышке сверхновой связь между компонентами двойной системы разрывается и пульсар приобретает высокую пространственную скорость как камень, выпущенный из пращи.

Единственный радиопульсар, входящий в двойную систему, был открыт в 1974 г. Его период пульсаций составляет 0.059 с, а период обращения его по орбите равен 7 ч 46 мин. По законам орбитального движения расстояние между ним и вторым компонентом системы немного более радиуса Солнца. Второй компонент, следовательно, может быть компактным объектом: белым карликом или нейтронной звездой без пульсарных характеристик. Но тогда почему не сбежал при вспышке из системы пульсар? Это пока не выяснено. Зато кроме радиопульсаров были найдены пульсары иного рода, оказавшиеся во всех случаях членами двойных систем.

В 1981 г. австралийские радиоастрономы обнаружили первый пульсар в соседней галактике - в Большом Магеллановом Облаке.

Оптические и рентгеновские пульсары

Открытие пульсаров первоначально обошло стороной объект, с которого начиналось большинство важных открытий в остатках сверхновых,- Крабовидную туманность. Дело изменилось, однако, в 1968 г., когда сначала в Парусах X, а затем в "Крабе" были обнаружены радиопульсары с самыми короткими периодами.

В январе 1969 г. район пульсара в Крабовидной туманности был обследован оптическим телескопом с фотоэлектрической аппаратурой, способной регистрировать быстрые колебания блеска. Поиски оказались успешными: было отмечено существование оптического объекта с колебаниями блеска, имеющими такой же период, как и радиопульсар в этой туманности. Этим объектом оказалась звездочка 16-й величины в центре туманности, давно привлекавшая к себе внимание исследователей своей странностью. Она имела какой-то неразборчивый спектр без спектральных линий. Исследуя в 1942 г. Крабовидную туманность, В. Бааде указал на нее как на возможный звездный остаток сверхновой, а И.С. Шкловский в более поздние годы, подчеркивая возможную особую природу этой звезды, предполагал, что она является источником релятивистских частиц и фотонов высокой энергии. Но все это были лишь предположения, нуждавшиеся в наблюдательных доказательствах. И вот звезда оказалась оптическим пульсаром, имеющим одинаковые с радиопульсаром период и интеримпульсы, а физически - как мы установили - она должна быть нейтронной звездой, расход энергии которой достаточен для поддержания свечения и всех видов излучений Крабовидной туманности.

В прошлом проводились неоднократные специальные измерения положения пары центральных звезд туманности с целью обнаружить их годичное перемещение по небу (собственное движение). Если бы пульсар двигался только поперек луча зрения, то его скорость, судя по собственному движению и расстоянию Крабовидной туманности, была бы около 100 км/с. Но он имеет еще и скорость вдоль луча зрения - лучевую скорость. К сожалению, из-за отсутствия линий в спектре оптического пульсара ее измерить невозможно. Существует предположение, что звезда, которая в 1054 г. взорвалась как сверхновая, относится к группе горячих звезд классов О н В, называемой звездной ассоциацией Близнецы-I, пространственно расположенной по соседству с Крабовидной туманностью. В этом случае звезда должна иметь скорость примерно такого же порядка, как и вычисленная по собственному движению.

Интересно, что можно рассчитать место, где находился, судя по собственному движению, пульсар в момент взрыва сверхновой. Оказывается, оно неплохо совпадает с точкой, из которой, как кажется, разлетается вещество Крабовидной туманности. Это прямо свидетельствует о совместном происхождении пульсара и туманности в процессе взрыва звезды.

Естественно, что после открытия оптического пульсара были проведены поиски и в других остатках сверхновых, особенно в тех, где уже найдены радиопульсары. Но только в 1977 г. австралийским астрономам с помощью специальной техники удалось нащупать пульсацию в оптическом диапазоне исключительно слабой звездочки 25-й величины в остатке сверхновой Паруса X.

Третий оптический пульсар, Р 1937-215, имел не менее интересную историю. Его нашли в 1982 г. в созвездии Лисички по радиоизлучению. Остатка сверхновой не найдено. Период ппульсаций оказался рекордно коротким: в 20 раз меньшим, чем период пульсара в "Крабе", а возраст оценен в миллион лет.

Рис. 33. Форма импульсов и интеримпульсов оптического пульсара в Крабовидной туманности в рентгеновских и оптических лучах и на нескольких длинах радиоволн.

Еще один сюрприз преподнес пульсар в Крабовидной туманности: ракетными исследованиями с аппаратурой, чувствительной к мягким рентгеновским лучам, было найдено, что мягкое рентгеновское излучение туманности имеет несколько переменный характер: примерно 5% этого излучения колебалось с таким же периодом, что и пульсар. Таким образом, пульсар в Крабовидной туманности оказался не только оптическим, но и рентгеновским (рис. 33).

Когда после сообщений об открытии рентгеновского пульсара были переобработаны наблюдения жесткого рентгеновского излучения Крабовидной туманности, полученные в 1967 г. на стратостатах с автоматической рентгеновской аппаратурой, то оказалось, что 7% этого излучения тоже было пульсирующим.

Рентгеновский пульсар, таким образом, мог быть обнаружен ранее первых радиопульсаров, но этого не произошло, так как существование быстрых колебаний излучения тогда не предполагалось.

В баллонных (аэростатных) и ракетных экспериментах теперь измерили и гамма-излучение Крабовидной туманности. Оно тоже носит пульсирующий характер с тем же периодом. К 1971 г. обнаружены следы гамма-излучения этого объекта до энергий 150 МэВ. Причем, если судить по падению оптического и рентгеновского излучений с длиной волны у туманности и у пульсара, в рентгеновском и гамма-излучениях роль пульсара, систематически возрастает и в гамма-излучении господствует только излучение пульсара. Если сопоставить все электромагнитное излучение туманности и пульсара на всех длинах волн, то становится очевидным, что у оптических и рентгеновских пульсаций, по-видимому, одинаковый механизм излучения, а у радиопульсаций свой особый. Одинаковый период тех и других говорит лишь о том, что оба механизма' работают у поверхности одного и того же объекта.

Но если так, то возможны и такие пульсары, у которых имеется только радиопульсация, а сильного оптического и рентгеновского излучения нет. Может быть, это и есть наблюдаемые типичные радиопульсары? Но тогда могут быть и оптические, и рентгеновские пульсары без сильного радиоизлучения. На такую возможность указал советский астрофизик В.Л. Гинзбург, ссылаясь при этом на историю исследования квазаров. Они тоже были обнаружены сначала по значительному радиоизлучению, оказались совпадающими со звездоподобными голубыми объектами, а затем было найдено множество таких звездоподобных голубых объектов без сильного радиоизлучения. И действительно, та же история повторилась с рентгеновскими пульсарами.

Первые исследования рентгеновских источников велись на ракетах. После тщательного изучения на месте некоторых источников были найдены оптические объекты, оказавшиеся на вид нормальными голубыми звездами. Это было загадочно.

Многое объяснилось, когда с 1970 г. начались интенсивные исследования уже с бортов спутников, оснащенных рентгеновскими телескопами. Вскоре было найдено, что два известных источника имеют в рентгене пульсации. Эти пульсации обнаруживали также периодические колебания, говорящие об орбитальных движениях этих чисто рентгеновских пульсаров. Источник Геркулес Х-1 пульсировал с периодом 1.24 с и имел орбитальный период 1.70 сут, а Центавр Х-3, соответственно, 4.842 с и 2.087 сут.

Более того, рентгеновское излучение источника Центавр Х-3 периодически "выключается" совсем, когда этот объект при движении по орбите затмевается не излучающим в рентгене компонентом двойной системы. В принципе, по длительности паузы можно вычислить диаметр последнего. Он получился соответствующим диаметру сверхгиганта. Именно такой голубой сверхгигант и был обнаружен в 1973 г. на месте Центавра Х-3. А источник Геркулес Х-1 был отождествлен с одной из ранее известных переменных звезд.

Теперь обнаружены рентгеновские пульсары с периодами пульсаций от долей секунд до десятков минут. Основываясь на коротких пульсациях и на единстве природы наблюдаемого явления, следует заключить, что и здесь мы имеем дело с излучением нейтронных звезд. Но в отличие от нейтронных звезд, пульсирующих в радиодиапазоне, периоды рентгеновских пульсаров не возрастают со временем, а постепенно убывают. Рентгеновские пульсары имеют, по-видимому, другой источник энергии излучения, е которым мы познакомимся в конце этой главы.

Большой удачей для исследователей было обнаружение в 1979 г. в созвездии Орла уникального непульсирующего источника рентгеновского излучения в остатке сверхновой, обозначенном W 50. Этот источник совпал с компактным радиоисточником в остатке сверхновой и со звездой 14-й величины, которая еще ранее попала в каталог звезд с необычными спектрами и получила наименование SS 433.

Спектр такого объекта, активного во всех спектральных диапазонах, заслуживал внимательного изучения. В нем не оказалось линий поглощения, зато каждая линия излучения выглядела тройной: по обе стороны главных линий находились линии-спутники. Они систематически перемещались то навстречу друг другу, то в противоположном направлении периодом 164 дня. Доплеровское смещение "спутников" в крайних положениях соответствовало скорости излучающего газа -80000 км/с и +80000 км/с, т. е. превышало четверть скорости света! Вместе с тем, судя по наличию линий водорода, температура этого газа была порядка 10 000 К.

Поведение линий в спектре SS 433 объяснялось тем, что из его центрального объекта в противоположных направлениях били две сильные струи газа, а сама линия газовых струй обращалась с периодом 164 сут. Это вскоре подтвердилось, когда с помощью орбитального рентгеновского телескопа "Обсерватории им. Эйнштейна", было получено рентгеновское изображение SS 433. На "рентгеновском снимке" видны обе узкие струи, идущие от SS 433 до периферии остатка W 50.

Расстояние до SS 433 около 4 кпс, межзвездное поглощение достигает 8 звездных величин. С учетом этого обстоятельства оптическая светимость объекта получается 1038 эрг/с, рентгеновская 1035 эрг/с и в радиодиапазоне 1032 эрг/с. Энергия движущегося в струях газа равна 1038 эрг/с. Подсчитано, что эта энергия может разогреть оболочку W 50 за тысячу лет до температуры в несколько миллионов кельвинов.

Что же собой представляет этот экзотический объект? Путь к разгадке лежит в изучении самого объекта. Центральные компоненты спектральных линий SS 433 показывают перемещения с периодом 13 суток и изменения скорости движения от -73 до +73 км/с. По-видимому, здесь мы наблюдаем тесную двойную систему, состоящую из оптически наблюдаемого горячего сверхгиганта классов О или В и невидимого в оптике рентгеновского компонента. Сверхгигант имеет массу более десяти солнечных, он раздулся до предельных границ собственной зоны тяготения пополняет, своим газом диск, окружающий по экватору вращения рентгеновский компонент. Плоскость диска перпендикулярна оси вращения компактного объекта, каким является рентгеновский компонент, а не лежит в орбитальной плоскости двойной системы. Поэтому диск и обе газовые струи ведут себя как наклонно вращающийся волчок, причем ось их вращения прецессирует (описывает конус), совершая один оборот за 164 сут (это известное явление прецессии вращающихся тел)

Рентгеновский компонент, пожирающий газ диска и выбрасывающий струи, может быть нейтронной звездой. Считается, что она может выбрасывать избыток захваченного газа у своих магнитных полюсов вдоль открытых силовых линий (в этом случае струи перпендикулярны газовому диску). По другой схеме нейтронная звезда отбрасывает избытки газа магнитным вращающимся полем в плоскости ее магнитного экватора. Выбор между гипотезами еще не сделан.

Нейтронные звезды - финал эволюции звезд средней массы

Итак, после изучения пульсаров стало ясно, что ими, вероятнее всего, могут быть нейтронные звезды, существование которых было предсказано еще в 30-х годах Л.Д. Ландау. В их пользу говорили малые размеры и чрезвычайно быстрое вращение и, наконец, то, что они рождаются в ходе взрывов сверхновых.

Предсказание существования нейтронных звезд связано с исследованиями заключительных стадий Звездной эволюции. В главе II мы рассматривали первоначальную и "ядерную" стадии эволюции звезд и отметили, что после накопления в центре звезды "золы" - элементов группы железа - повышение температуры за счет сжатия звездных недр уже не ведет к ядерным реакциям, сопровождающимся выделением энергии. Звезда вступает в заключительную, чисто гравитационную стадию эволюции.

Если при каждом переходе на новый "сорт" ядерного горючего сила тяготения к центру перевешивала газовое и световое давление внутренних слоев звезды и вызывала сжатие до включения новой ядерной реакции с выделением энергии, то теперь, поскольку "ядерная печь" звезды не разгорается, газовое давление уже не останавливает гравитационного сжатия и судьба звезды оказывается целиком в зависимости от ее массы.

В звездах малой массы (к моменту сжатия - не более 1.4 масс Солнца) гравитационное сжатие создает плотности 10⁴-10¹⁰ г/см³. При таких плотностях происходит разрушение атомных структур. Вспомним, что атом состоит из ядра и окружающих его оболочек электронов. Давление отрывает электроны, оставляя ядра "голыми". В результате образуется вырожденный газ, упругость которого останавливает сжатие звезды. Возникает белый карлик.

Если же звезда имеет среднюю массу от 1.4 до 10 масс Солнца то давления вырожденного газа оказывается недостаточно для остановки гравитационного сжатия. По одной из теорий этого процесса при температуре выше 5 млрд. кельвинов в недрах звезды важное значение приобретают реакции с образованием нейтрино - элементарных частиц, не имеющих заряда и массы покоя и поэтому беспрепятственно проходящих через звездные недра. Образующиеся нейтрино уносят значительную долю энергии, выделяемой при гравитационном сжатии. Подсчитано, что нейтринная светимость (другими словами, энергетическая отдача нейтрино) в это время превосходит оптическую светимость звезды. Отвод энергии через нейтрино позволяет удваивать сжатие вещества за 1 секунду. Ни равновесие слоев звезды, ни плавное сжатие их при таких темпах становятся.невозможными, гравитационное сжатие приобретает стремительный, катастрофический характер, наступает, как говорят астрофизики, гравитационный коллапс (рис. 34).

Имеется ли сила, способная остановить разогнавшиеся гравитацией слои звезды? Оказывается, такая сила существует и заключается в ядерном строении вещества. Когда сжатие создает плотности 10¹²-10¹⁵ г/см³, т. е. плотности, какие по подсчетам физиков имеют атомные ядра, начинается разрушение атомных ядер. Они распадаются на нейтроны и протоны. Последние поглощают электроны вырожденного газа и превращаются в нейтроны (при этих реакциях продолжают выделяться нейтрино). Происходит, как говорят астрофизики, нейтронизация вещества звезды. Физически вещество звезды превращается в своего рода нейтронную жидкость, имеющую ядерную плотность и характерную для жидкостей малую сжимаемость (упругость).

Внешне такая звезда представляет собой как бы гигантское ядро атома, перенасыщенного нейтронами, но нейтроны, и немногочисленные протоны в этом сверхядре сцеплены не внутриядерными, а гравитационными силами.

Упругость нейтронной жидкости и останавливает гравитационный коллапс на уровне ядерной плотности, если масса звезды не превышает двух солнечных масс. Если же масса звезды больше, то для задержки коллапса в звезде должен произойти сброс излишней массы путем взрыва или спокойного истечения. После остановки коллапса образуется нейтронная звезда. Но если образование белых карликов происходит, по-видимому, спокойно, без катастрофических взрывов, образование нейтронной звезды идет бурно. Нейтрино уносят лишь часть высвободившейся при сжатии гравитационной энергии, остальная ее часть расходуется на образование неустойчивых ядер, быстро распадающихся с выделением энергии в форме взрыва. При взрыве возникает ударная волна, выбрасывающая из звезды наружные слои, образуется расширяющаяся газовая оболочка, которую мы и наблюдаем как явление сверхновой.

Рис. 34. Три варианта финальной стадии звездной эволюции.
а - превращение в белый карлик, б - в сверхновую с нейтронной звездой в центре, в - в черную дыру - звезду, впадающую в релятивистский коллапс.

Что касается звезд, превосходящих по массе Солнце более чем в 10 раз, то даже после истечения части избыточной массы сила гравитации в этом случае оказывается больше силы упругости нейтронной жидкости, и коллапс будет продолжаться неограниченно (физике неизвестны сверхплотные состояния за рубежом ядерной плотности вещества). С точки зрения исследователя, наблюдающего явление этого коллапса звезды со стороны, сжатие в силу некоторых закономерностей теории относительности приостанавливается, когда радиус коллапсирующей звезды становится равным так называемому радиусу Шварцшильда, и звезда превращается в "черную дыру". Излучение такого объекта уже не сможет выходить наружу, и мы его не увидим. Однако, если эта звезда была компонентом двойной системы, ее притяжение скажется на характере движения другого компонента, который может быть обычной звездой. Такие двойные звезды с невидимыми компонентами встречаются. Если же коллапсирующая звезда является членом тесной двойной системы, то перетекающий со спутника газ будет разгоняться в гравитационном поле черной дыры до колоссальных скоростей и разогреется до температур в миллионы кельвинов. Мы можем обнаруживать свечение падающего на коллапсирующую звезду газа в рентгеновских лучах. Отметим, что радиусы черных дыр, или радиусы Шварцшильда массивных звезд составляют 1-3 км.

Но вернемся к нейтронным звездам. Их внутренняя структура изучалась еще до открытия пульсаров, и многое уже было установлено. Предполагается, что масса нейтронной звезды приблизительно равна массе Солнца, хотя может оказаться и немного больше или вдвое меньше. Радиус звезды около 10 км, плотность вещества в центре звезды достигает 10¹⁵ г/см³, т. е. около 1 млрд. т в см³. К поверхности плотность постепенно убывает. Граница чисто нейтронного вещества - сфера радиусом около 9 км, ее плотность около 10¹¹ г/см³, а температура всего нейтронного кома звезды. около 0,5 млрд. кельвинов. Во внешнем слое нейтронной звезды имеются уже и атомные ядра и электроны, плотность вещества снижается до 10⁷ г/см³, а температура -до 1 млн. кельвинов.

Рис. 35. Строение нейтронной звезды по данным о радиоизлучении пульсара.

Если идти от периферии нейтронной звезды к ее центру, то, по современным представлениям, в ней можно выделить несколько удивительных по свойствам слоев (рис. 35). Самый внешний слой, где убывают и температура, и плотность, имеет такой же состав, как и вещество белых карликов, т. е. является плазмой из электронов и ядер (главным образом железа). Но расчеты показали, что при тех комбинациях температур и плотностей, которые имеются в оболочке нейтронной звезды, плазма может существовать не только в газообразном, но и в жидком и даже твердом виде! Поэтому предполагают, что под наружным тонким слоем (всего, скажем, в один сантиметр) расположена твердая корка плазмы. Под твердой же оболочкой находится нейтронная жидкость, в которой имеются отдельные протоны. Поэтому этот слой при высокой плотности и существенном влиянии ядерных сил может обладать удивительными физическими свойствами - сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Как мы увидим далее, эти предположения о свойствах нейтронной жидкости нашли подтверждение в скачкообразных изменениях периодов пульсаров.

Эволюция нейтронной звезды после образования из обычной сравнительно проста. В результате нейтринного и электромагнитного излучений молодая нейтронная звезда в момент образования быстро остывает до своих обычных температур, после чего может существовать сотни миллионов и даже миллиарды лет, пройдя, очевидно, стадию пульсара. Пока неясно, все ли нейтронные звезды должны сначала становиться пульсарами или же есть среди них "немые". Ясно одно, что и после того, как угаснут пульсации электромагнитного излучения нейтронной звезды, она будет продолжать существовать в своем устойчивом состоянии.

Почему нейтронная звезда оказалась пульсаром?

Наблюдения пульсаров убедили нас в том, что это нейтронные звезды. Но до открытия пульсаров быстрые колебания излучения нейтронных звезд теоретически не предсказывались. Теория, таким образом, прошла мимо важного свойства нейтронных звезд. Поэтому теоретикам пришлось искать ответ, почему нейтронная звезда должна быть пульсаром. В некотором отношении теория была близка к такому предсказанию, так как пульсация излучения несомненно была связана с важнейшими свойствами нейтронных звезд: быстрым вращением и большим магнитным полем. Тем не менее до сих пор нет полного объяснения возникновения пульсирующего излучения нейтронных звезд, хотя предлагаются различные гипотезы, объясняющие отдельные особенности явления.

Быстрое осевое вращение и связанный с ним короткий период вращения нейтронной звезды имеют простое механическое объяснение. Согласно закону, сохранения момента вращения звезда, уменьшая вследствие гравитационного коллапса свой радиус с нормальных размеров до 10 км - примерно в сто тысяч раз, - должна уменьшить период своего обращения обратно пропорционально квадрату радиуса, т. е. в нашем случае в 10 млрд. раз. Если взять для примера период осевого вращения Солнца (около 25 суток), то он уменьшился бы до 0.002 с. Заметим, однако, что для звезды с массой Солнца и радиусом 10 км такой период вращения был бы невозможен из-за большой центробежной силы на поверхности, которая превысила бы силу тяготения звезды. В действительности самый короткий период для такого объекта не меньше 0.016 с. С таким периодом вращения начинает существование нейтронная звезда радиусом 10 км и с массой, равной солнечной (начальный период ее вращения был бы, по-видимому, около 200 суток, что вполне соответствует реальному периоду вращения красного гиганта).

Как мы видели, после образования нейтронная звезда постепенно увеличивает период, другими словами, она тормозит свое осевое вращение. Подсчеты для пульсара Крабовидной туманности дают запас механической энергии осевого вращения около 1050 эргов, а изменение периода его пульсаций указывает. на потери энергии вращения порядка 1038 эрг/с. С другой стороны, можно подсчитать мощность всего излучения самой Крабовидной туманности, окружающей пульсар. Она тоже получается около 1038 эрг/с. Следовательно, механическая энергия нейтронной звезды каким-то путем непрерывно превращается в электромагнитную, расходуемую на поддержание излучения Крабовидной туманности. Таким образом, изменение периода пульсации пульсара Крабовидной туманности подтвердило предположения И.С. Шкловского о том, что излучение этого остатка сверхновой поддерживается нейтронной звездой.

Посмотрим теперь, откуда возникает большое магнитное поле нейтронной звезды. При сжатии звезды вследствие гравитационного коллапса магнитный поток (т. е. число силовых линий магнитного поля звезды) должен сохраняться неизменным. Вследствие этого при сжатии радиуса звезды в сто тысяч раз ее поверхность уменьшится в десять миллиардов раз и соответственно возрастет число силовых линий на единицу, поверхности звезды (напряженность магнитного поля) - у обычных звезд напряженность магнитного поля на поверхности 100-1000 Э (например, в солнечных пятнах), следовательно, у нейтронной звезды оно будет 10¹²-10¹³ Э.

При таком большом магнитном поле в нем сосредоточена магнитная энергия звезды; около 10⁴³ эргов. Плотность ее получается около 4 кг/см³, тогда как плотность плазменной оболочки нейтронной звезды близка к плотности межзвездной среды, Таким образом, в плазменной оболочке господствует необычайно сильное магнитное поле. Именно в его свойствах, очевидно, заключаются секреты пульсирующего излучения.

Рис. 36. Дипольный характер магнитного поля пульсара.
Магнитная ось (а) пульсара не Совпадает с осью его вращения (б). Излучение пульсара направлено в конусе (в) вдоль магнитной оси и воспринимается нашей аппаратурой, когда магнитная ось с излучающим конусом пересекает наш луч зрения ( г - магнитные силовые линии, д-траектория заряда. е - синхротронное излучение, СЦ - диаметр "светового цилиндра", на поверхности которого скорости частиц, участвующих во вращении нейтронной звезды, достигают скорости света).

Американский астрофизик Т. Голд указал на важную роль магнитного поля (магнитосферы) нейтронной звезды в образовании космического излучения идущего из остатков сверхновых. Магнитосфера жестко, как одно целое, вращается вместе со звездой, поэтому заряды, находящиеся в ее плазменной оболочке, могут ускоряться центробежной силой осевого вращения звезды вдоль тех магнитных силовых линий, которые удаляются от поверхности звезды (рис. 36). Но очевидно также, что на расстоянии от звезды, где скорость разгона приблизится к световой, магнитное поле уже не может удорожать заряды и они вылетают из своей центрифуга в качестве знакомых нам релятивистских электронов, протонов, позитронов и легких ядер, т. е. космических лучей. Заряды, набирая в магнитосфере скорость, уносят значительную долю энергии вращения нейтронной звезды, вследствие чего ее вращение должно систематически тормозиться. Как мы знаем, космические лучи, выскользнув из магнитосферы звезды, оказываются в магнитной ловушке, созданной запутанным магнитным полем остатка сверхновой. Они и создают синхротронное излучение, например, Крабовидной туманности во всех областях длин волн.

Но должны ли быстро исчерпаться заряды, если магнитное поле выметает их из магнитосферы звезды? Нет, из основ теории, электромагнетизма известно что вращающееся магнитное поле индуцирует вокруг себя электрическое поле. Напряженность его над поверхностью нейтронной звезды около 10¹¹ В/см. Это электрическое поле постоянно срывает с поверхности звезды заряды в магнитосферу и поддерживает ее плотность на одном уровне.

Удивительно точная периодичность импульсов пульсара и их кратковременность указывают на излучение в узком пучке подобно прожектору. Иногда его сравнивают с маяком, на башне которого находится источник направленного света, равномерно вращающийся вокруг вертикальной оси. С моря корабли видят такой маяк в темноте как равномерно вспыхивающий (пульсирующий) сигнал. Изменение поляризации радиоизлучения пульсара в течение всплеска свидетельствует, что источник пульсирующего излучения на нейтронной звезде также участвует во вращении.

В зависимости от природы излучателя он может находиться, вероятно, либо на поверхности, либо в магнитосфере, вращающейся вместе со звездой.

Как показывают наблюдения, область, где образуется пульсирующее излучение, очень невелика, но дает очень мощные потоки - 10¹⁴-10¹⁷ Вт/см² в радиоволнах 10²⁰ Вт/см² - в оптических волнах. Таким мощным потокам при малых размерах излучающих областей (о чем свидетельствуют, как мы уже говорили, малые длительности всплесков сравнительно с периодом пульсации) соответствует невообразимой величины температура: 10²⁴ кельвинов. Реальные температуры такой величины отсутствуют даже в центрах самых горячих звезд и вряд ли осуществлялись в начальную эпоху расширения Вселенной. Если такая температура излучающей области была бы реальна, то мы обнаружили бы очень сильное гамма-излучение, энергетически намного превосходящее действительно обнаруживаемое радиоизлучение. Между тем сильного гамма-излучения не наблюдается, следовательно, излучение имеет явно нетепловой характер, и высокая яркость его говорит не об особом тепловом режиме, а о специфическом физическом процессе такого свечения. Полагают, что пульсирующее излучение нейтронных звезд возникает в результате процесса с энергетической накачкой, такой, какая осуществляется в мазерах и лазерах {в мазерах излучение атомов и молекул происходит в радиодиапазоне, а в лазерах в оптическом). В астрофизике найдено несколько явлений такой природы: некоторые всплески радиоизлучения Солнца и излучение космических мазеров. Именно мазерные процессы могут создавать высокие по яркости, прожекторно направленные и поляризованные пучки излучения, которые аналогичны наблюдаемым у пульсаров.

Первоначально предполагалось, что источниками такого излучения могут быть своего рода пятна на поверхности нейтронной звезды (было даже предположение о вулканах в кристаллизованной коре), но вскоре стало ясно, что здесь важную роль играет характер магнитного поля нейтронной звезды. В космосе мы чаще встречаемся с двухполюсным (дипольным) магнетизмом, примером могут служить магнитные поля планет Земли и Марса, хотя магнитное поле Солнца имеет иной характер. Но существуют, по-видимому, и звезды с дипольным моментом магнитного поля. Силовые линии в нем идут от поверхности звезды только у магнитных полюсов. Именно вдоль магнитной оси нейтронной звезды и должны работать центрифуга, рождающая космические лучи, и мазерный механизм излучения. Правда, если магнитная ось и ось вращения совпадают, то это излучение будет замечено лишь в том случае, когда ось направлена на наблюдателя, и объект не будет казаться пульсирующим. Но это исключительно редкий случай. Существование пульсаров свидетельствует о том, что обычно магнитная ось не совпадает с осью вращения нейтронной звезды. В этом случае будет осуществляться пульсация излучения по принципу вращающегося маяка.

Из сказанного следует, что не все молодые нейтронные звезды могут нами наблюдаться в виде пульсаров, а только те, у которых магнитная ось при вращении оказывается близкой к лучу зрения. Поэтому конус пучка излучения пульсара пересекает - его. Но такие совпадения, естественно, редки из-за узости пучков, вследствие чего в большинстве остатков оболочек сверхновых и не обнаружено пульсаров, хотя именно они, может быть, ответственны за излучение остатков. Просто сигналы их маяков проскальзывают далеко от Земли.

Итак, только что образовавшаяся нейтронная звезда является пульсаром, но, расходуя свою энергию вращения на рождение космических лучей, она за 10-100 млн. лет должна исчерпать значительную часть своей энергии и погасить свое пульсирующее излучение. К этому времени мощность пульсара слабеет, вырабатываемые им релятивистские частицы имеют малую энергию и не выметают так далеко межзвездный газ вокруг магнитосферы звезды, как это они делали раньше. При мощности излучения пульсара ниже 10²⁵ Вт размеры зоны выметенного межзвездного газа становятся меньше радиуса действия сил гравитации и газ уже может падать на плотную поверхность нейтронной звезды.

Падение межзвездного газа на нейтронную звезду оказывается неожиданным подарком для нее. Но здесь не получается простое повторение явления радиопульсара. Гигантское тяготение звезды разгоняет падающие к ее поверхности частицы до скоростей около 100000 км/с. Кроме того, частицы, ионизуясь излучением звезды, становятся заряженными и подвергаются воздействию магнитного поля звезды, которое гонит заряды вдоль силовых линий к ее полюсам. Именно возле магнитных полюсов, где силовые линии входят в поверхность звезды, частицы сталкиваются с поверхностью. При этом значительная доля их массы (20-50%) превращается в энергию. Это в десятки раз более эффективный источник энергии чем термоядерные процессы (о нем впервые упомянул Я.Б. Зельдович). Таким путем плазма нейтронной звезды у магнитных полюсов нагревается до десятков миллионов кельвинов и начинает излучать рентгеновские лучи. Нейтронная звезда снова, проявляет себя как пульсар, но на этот раз как рентгеновский.

Несмотря на малую плотность межзвездного газа его все же оказывается достаточно, чтобы продлить стадию пульсара вдвое. Если же нейтронная звезда образовалась в тесной двойной системе, то материалом для питания энергией рентгеновского пульсара становится газ, выбрасываемый соседней нормальной звездой. Если эта звезда имеет высокую температуру на поверхности, то сильный поток энергии из ее недр сдувает в окружающее пространство, разреженную плазменную оболочку (звездную корону, а само явление, как мы знаем, носит название "звездного ветра"). Частицы звездного ветра, приходящие к нейтронной звезде, и становятся добычей рентгеновского пульсара. Когда же звезда представляет собой разреженный холодный сверхгигант, заполняющий целиком зону, где собственная сила его тяготения превышает тяготение пульсирующего компаньона, то, как мы уже видели в случае новых звезд (см. рис. 14), через брешь в зоне тяготения вещество от сверхгиганта попадает в зону тяготения нейтронной звезды. Естественно, что рентгеновская стадия пульсара в тесной двойной системе может длиться намного дольше, чем у одинокой нейтронной звезды.

В тесной двойной системе между стадией радиопульсара и стадией пожирания межзвездного вещества рентгеновским пульсаром имеется кратковременная эпоха, когда магнитосфера нейтронной звезды уже слаба для создания сильного радиоизлучения, но достаточно сильна, чтобы отбрасывать частицы звездного ветра. Получается явление, похожее на отбрасывание воздушным винтом сильного потока воздуха. По аналогии эта переходная стадия носит название "пропеллера".

Завершая на этом описание свойства пульсаров и гипотез, объясняющих основные, их свойства, мы должны отметить, что, несмотря на большой размах наблюдательных и теоретических исследований пульсаров, а еще ранее - нейтронных звезд, пока еще не найдено окончательной, универсальной схемы, объясняющей все явления, наблюдаемые в пульсарах. Но неослабевающий интерес к ним создает уверенность, что в недалеком будущем теория пульсаров будет завершена.

В конце концов пульсары оказались частью проблемы сверхновых звезд, неожиданной по богатству фактов иллюстрацией финальной стадии ядра взорвавшейся звезды. Это с новой силой возвращает астрофизиков к изучению центральной проблемы: к причинам взрыва сверхновой, к механизму ее взрывного процесса, к стадии разгорания ее вспышки, когда внешняя и внутренняя области звезды устремляются в противоположных направлениях - оболочка разлетается, а ядро сжимается в нейтронную звезду. Уже сейчас, до окончательного решения основных: загадок пульсаров, приобретает важность вопрос о взаимодействии нейтронной звезды с остатком сверхновой. И таких вопросов в проблеме сверхновых еще немало.

---

Глава X. Реликты оболочек сверхновых | Оглавление | Глава XII. Несколько трудных вопросов

Публикации с ключевыми словами: новые звезды - Сверхновые - остаток Сверхновой - Пульсар Публикации со словами: новые звезды - Сверхновые - остаток Сверхновой - Пульсар
См. также: Волокна остатка сверхновой в Парусах Необычная туманность Pa 30 Озвученный остаток сверхновой туманность Медуза Остаток сверхновой Симеиз 147 Ударная волна от сверхновой в туманности Карандаш IC 443: туманность Медуза Остаток сверхновой Кассиопея А Все публикации на ту же тему >>