Интерпретация: нейтронные звезды

Интерпретация: нейтронные звезды

По своей структуре, т. е. по геометрии силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным.

От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярных пульсаций. Магнитное поле нейтронных звезд в барстерах заметно слабее, чем в пульсарах. Различие в магнитном поле связано, вероятно, с различием возраста барстеров и пульсаров. Следовательно, барстеры — это старые системы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то степени ослабнуть, а пульсары — это относительно молодые системы и потому магнитные поля в них сильнее.

Радиопульсары.

Распределение радиопульсаров на небесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат нашей Галактике: они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей, экватором галактической координатной сетки. Если радиопульсары располагаются вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать, что и сами они являются молодыми. Строгая периодичность следования импульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость — все это сближает радиопульсары с рентгеновскими пульсарами. Но во многих других отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары — это одиночные, а не двойные звезды. Физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии. Излучение пульсара Крабовидной туманности регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн — от радиоволн до гамма-лучей. Больше всего энергии он испускает именно в области гамма-лучей:

E  10−11 Вт / м2.

Но большинство радиопульсаров регистрируются благодаря излучению в радиодиапазоне. Расстояние до Крабовидной туманности: d = 6*1019 м, следовательно, можно найти светимость пульсара:

Источник энергии.

Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет.

Вращение замедляется со временем, следовательно, тратится энергия вращения. Кинетическую энергию вращения звезды можно получить по формуле:

где М — масса звезды, V — характерная скорость вращения. При типичном периоде 1 с и радиусе нейтронной звезды 10 000 м:

E = 3*1039 Дж.

Таков запас энергии вращения. Кинетическая энергия вращения нейтронной звезды достаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого излучение черпает свою энергию.

Магнитно-дипольное излучение.

Нейтронная звезда может обладать очень значительным магнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды, как и у рентгеновского пульсара. Магнитно-дипольное излучение давно изучено в электродинамике. Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитным полем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращения преобразуется в энергию излучения.

Магнитосфера.

Магнитосфера — вращающееся облако заряженных частиц, окружающее нейтронную звезду. Возможность и даже необходимость существования такого облака доказали американские астрофизики-теоретики П. Голдрайх и В. Джулиан. Рождение и ускорение частиц, образующих магнитосферу, требует значительной энергии, которая черпается из кинетической энергии вращения нейтронной звезды. Теоретический анализ, проделанный П. Голдрайхом и В. Джулианом, показывает, что на это тратится приблизительно столько же энергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение.

Основная доля энергии вращения, теряемой нейтронной звездой, преобразуется не в наблюдаемое излучение пульсара, а в энергию частиц, ускоряемых в магнитосфере нейтронной звезды. Радиопульсары являются, таким образом, мощным источником частиц высоких энергий. С течением времени пульсар теряет свою энергию вращения и магнитную энергию, так что постепенно и частота вращения, и магнитное поле нейтронной звезды убывают. Радиопульсары — это одиночные нейтронные звезды, а не члены тесных двойных систем. И тем не менее свечение, хотя и довольно слабое, все же может возникать:

L = 1024 Вт.

Пульсары и космические лучи.

Еще в 1934 г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали на возможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическими лучами — частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космического пространства. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космических лучах:

E = 1020 эВ  10 Дж.

Средняя концентрация частиц космических лучей в межзвездном пространстве нашей Галактики оценивается величиной:

n  10−4 м3.

Средняя энергия частицы:

E  10−9 Дж  1010 эВ.

Плотность энергии космических лучей, т. е. энергия частиц в единице объема:

E  10−13 Дж / м3.

Основной же вопрос физики космических лучей с самого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор еще не решен. Открытие пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах высокой энергии в Крабовидной туманности — все это указывает на пульсары как на эффективный источник космических лучей.