Пульсар - астрономический объект, испускающий мощные, строго периодические импульсы электромагнитного излучения в основном в радиодиапазоне. Энергия, излучаемая в импульсах, составляет лишь малую долю его полной энергии. Почти все известные пульсары находятся в нашей Галактике. У каждого пульсара свой период пульсаций; они лежат в диапазоне от 640 импульсов в секунду до одного импульса каждые 5 с. Периоды большинства пульсаров составляют от 0,5 до 1 с. Точные измерения показывают, что обычно период между импульсами возрастает на одну миллиардную долю секунды в сутки; как раз этого следует ожидать при замедлении вращения звезды, теряющей энергию в процессе излучения.
Открытие пульсаров в 1967 было большой неожиданностью, поскольку такие явления не предсказывались ранее. Вскоре стало ясно, что это явление связано либо с радиальными пульсациями, либо с вращением звезд. Но ни обычные звезды, ни даже белые карлики не могут естественным образом пульсировать с такой высокой частотой. Не могут они и вращаться так быстро – центробежная сила разорвет их. Это может быть только очень плотное тело, состоящее из вещества, предсказанного Л.Д.Ландау и Р.Оппенгеймером в 1939. В этом веществе ядра атомов вплотную прижаты друг к другу. Сжать вещество до такой степени может только гигантская сила тяжести, которой обладают лишь очень массивные тела, такие, как звезды. При огромной плотности ядерные реакции превращают большинство частиц в нейтроны, поэтому такие тела называют нейтронными звездами.
Обычные звезды, такие, как Солнце, состоят из газа со средней плотностью чуть больше, чем у воды. Белый карлик с такой же массой, но диаметром около 10 000 км имеет в центре плотность около 40 т/см3. У нейтронной звезды масса тоже близка к солнечной, но ее диаметр всего около 30 км и плотность около 200 млн. т/см3. Если бы до такой плотности сжать Землю, то ее диаметр составил бы около 300 м; при такой плотности все человечество уместилось бы в наперстке. По-видимому, нейтронная звезда может образоваться из центральной части массивной звезды в момент ее взрыва как сверхновой. При таком взрыве оболочка массивной звезды сбрасывается, а ядро сжимается в нейтронную звезду.
Наиболее детально исследован мощный пульсар PSR 0531 + 21, расположенный в Крабовидной туманности. Эта нейтронная звезда делает 30 оборотов в секунду и ее вращающееся магнитное поле с индукцией 1012 Гс «работает» как гигантский ускоритель заряженных частиц, сообщая им энергию до 1020 эВ, что в 100 млн. раз больше, чем в самом мощном ускорителе на Земле. Полная мощность излучения этого пульсара в 100 000 раз выше, чем у Солнца. Менее 0,01% этой мощности приходится на радиоимпульсы, около 1% излучается в виде оптических импульсов и около 10% – в виде рентгеновского излучения. Оставшаяся мощность, вероятно, приходится на низкочастотное радиоизлучение и высокоэнергичные элементарные частицы – космические лучи.
Длительность радиоимпульса у типичного пульсара составляет всего 3% интервала времени между импульсами. Последовательно приходящие импульсы сильно отличаются друг от друга, но средняя (обобщенная) форма импульса у каждого пульсара своя и сохраняется в течение многих лет. Анализ формы импульсов показал много интересного. Обычно каждый импульс состоит из нескольких субимпульсов, которые «дрейфуют» вдоль среднего профиля импульса. У некоторых пульсаров форма среднего профиля может внезапно меняться, переходя от одной устойчивой формы к другой; каждая из них сохраняется в течение многих сотен импульсов. Иногда мощность импульсов падает, а затем восстанавливается. Такое «замирание» может длиться от нескольких секунд до нескольких суток.
При подробном анализе у субимпульсов обнаруживается тонкая структура: каждый импульс состоит из сотен микроимпульсов. Область излучения такого микроимпульса на поверхности пульсара имеет размер менее 300 м. При этом мощность излучения сравнима с солнечной.
Механизм действия пульсара. Пока существует лишь приближенная картина действия пульсара. Его основой служит вращающаяся нейтронная звезда с мощным магнитным полем. Вращающееся магнитное поле захватывает вылетающие с поверхности звезды ядерные частицы и ускоряет их до очень высоких энергий. Эти частицы испускают электромагнитные кванты в направлении своего движения, формируя вращающиеся пучки излучения. Когда пучок оказывается направленным на Землю, мы принимаем импульс излучения. Не совсем ясно, почему эти импульсы имеют столь четкую структуру; возможно, лишь небольшие области поверхности нейтронной звезды выбрасывают частицы в магнитное поле. Частицы максимально высокой энергии не могут быть ускорены по отдельности; по-видимому, они образуют пучки, содержащие, возможно, 1012 частиц, которые ускоряются как единая частица. Это помогает понять и резкие границы импульсов, каждый из которых, вероятно, связан с отдельным пучком частиц.
Открытие. Первый пульсар открыли случайно в 1967 астрономы Кембриджского университета Дж. Белл и Э. Хьюиш. Испытывая новый радиотелескоп с аппаратурой для регистрации быстропеременного космического излучения, они неожиданно обнаружили цепочки импульсов, приходящих с четкой периодичностью. Первый пульсар имел период 1,3373 с и длительность импульса 0,037 с. Ученые назвали его CP 1919, что значит «кембриджский пульсар» (Cambridge Pulsar), имеющий прямое восхождение 19 ч 19 мин. К 1997 усилиями всех радиоастрономов мира было открыто более 700 пульсаров. Исследование пульсаров проводится с помощью крупнейших телескопов, поскольку для регистрации коротких импульсов необходима высокая чувствительность.
Строение пульсара. Нейтронные звезды имеют жидкое ядро и твердую кору толщиной ок. 1 км. Поэтому по структуре пульсары больше напоминают планеты, чем звезды. Быстрое вращение приводит к некоторой сплюснутости пульсара. Излучение уносит энергию и момент импульса, что вызывает торможение вращения. Однако твердая кора не позволяет пульсару постепенно становиться сферическим. По мере замедления вращения в коре накапливаются напряжения и наконец, она ломается: звезда скачкообразно становится чуть более сферической, ее экваториальный радиус уменьшается (всего на 0,01 мм), а скорость вращения (в результате сохранения момента) немного возрастает. Затем вновь следует постепенное замедление вращения и новое «звездотрясение», приводящее к скачку скорости вращения. Так, изучая изменения периодов пульсаров, удается многое узнать о физике твердой коры нейтронных звезд. В ней происходят тектонические процессы, как в коре планет, и, возможно, образуются свои микроскопические горы.
Двойные пульсары. Пульсар PSR 1913+16 стал первым, обнаруженным в двойной системе. Его орбита сильно вытянута, поэтому он очень близко подходит к своему соседу, который может быть только компактным объектом – белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой. Высокая стабильность импульсов пульсара позволяет по доплеровскому смещению частоты их прихода очень точно изучать его орбитальное движение. Поэтому двойной пульсар был использован для проверки выводов общей теории относительности, согласно которой большая ось его орбиты должна поворачиваться в год примерно на 4°; именно это и наблюдается.
Известно несколько десятков двойных пульсаров. Открытый в 1988 пульсар в двойной системе совершает 622 оборота в секунду. Его сосед с массой всего 2% солнечной, вероятно, был когда-то нормальной звездой. Но пульсар заставил его «похудеть», часть массы перетянув на себя, а часть – испарив и «сдув» в космическое пространство. Скоро пульсар окончательно уничтожит соседа и останется в одиночестве. Видимо, этим можно объяснить тот факт, что подавляющее число пульсаров – одиночки, тогда как не менее половины нормальных звезд входит в двойные и более сложные системы.
Расстояние до пульсаров. Проходя от пульсара до Земли, радиоволны преодолевают межзвездную среду; взаимодействуя в ней со свободными электронами, они замедляются – чем больше длина волны, тем сильнее замедление. Измерив задержку длинноволнового импульса относительно коротковолнового (которая достигает нескольких минут) и зная плотность межзвездной среды, можно определить расстояние до пульсара. Как показывают наблюдения, в среднем в межзвездной среде приходится около 0,03 электрона на кубический сантиметр. Основанные на этой величине расстояния до пульсаров в среднем составляют несколько сотен св. лет. Но есть и более удаленные объекты: упомянутый выше двойной пульсар PSR 1913+16 удален на 18 000 св. лет.