Аномальные рентгеновские пульсары. Школьная энциклопедия Что такое рентгеновские лучи

Эта плотность приближается к плотности вещества внутри атомных ядер:

Столь компактными, сжатыми до такой высокой степени могут быть лишь нейтронные звезды: их плотность действительно близка к ядерной. Этот вывод подтверждается всей пятнадцатилетней историей изучения пульсаров.Но каково происхождение быстрого вращения нейтронных звезд-пульсаров? Оно несомненно вызвано сильным сжатием звезды при ее превращении из «обычной» звезды в нейтронную. Звезды всегда обладают вращением с той или иной скоростью или периодом: Солнце, например, вращается вокруг своей оси с периодом около месяца. Когда звезда сжимается, ее вращение убыстряется. С ней происходит то же, что с танцором на льду: прижимая к себе руки, танцор ускоряет свое вращение. Здесь действует один из основных законов механики -- закон сохранения момента импульса (или момента количества движения). Из него следует, что при изменении размеров вращающегося тела изменяется и скорость его вращения; но остается неизменным произведение

(которое и представляет собой - с точностью до несущественного числового множителя - момент импульса). В этом произведении Q - частота вращения тела, M- его масса, R- размер тела в направлении, перпендикулярном оси вращения, который в случае сферической звезды совпадает. с ее радиусом. При неизменной массе остается постоянным произведение

И, значит, с уменьшением размера тела частота его вращения возрастает по закону:(1.3)

Дальнейшее сжатие до размера нейтронной звезды,

означает уменьшение радиуса в тысячу раз. Соответственно в миллион раз должна возрасти частота вращения и во столько же раз должен уменьшиться его период. Вместо, скажем месяца звезда совершает теперь один оборот вокруг своей оси всего за три секунды. Более быстрое исходное вращение дает и еще более короткие периоды. Сейчас известны не только пульсары, излучающие в радиодиапазоне, - их называют радиопульсарами, но и рентгеновские пульсары, излучающие регулярные импульсы рентгеновских лучей. Они тоже оказались нейтронными звездами; в их физике много такого, что роднит их с барстерами. Но и радиопульсары, и рентгеновские пульсары отличаются от барстеров в одном принципиальном отношении: они обладают очень сильными магнитными полями. Именно магнитные поля - вместе с быстрым вращением - и создают эффект пульсаций, хотя и действуют эти поля по-разному в радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.

Мы расскажем сначала о рентгеновских пульсарах, механизм излучения которых более или менее ясен, а затем о радиопульсарах, которые изучены пока в гораздо меньшей степени, хотя они и открыты раньше рентгеновских пульсаров и барстеров.

Рентгеновские пульсары

Рентгеновские пульсары - это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая - яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этих объектов. Первые два рентгеновских пульсара - в созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра - открыты в 1972 г. (за три года до обнаружения барстеров) с помощью американского исследовательского спутница «Ухуру»). Пульсар в Геркулесе посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период - нейтронная звезда и ее компаньон совершают обращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальный период был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству, что «обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня.

(Между прочим, наблюдение рентгеновских затмений для барстеров до

последнего времени не удавалось. И это было странно: если орбиты двойных

систем ориентированы в пространстве хаотически, то нужно ожидать, что из

более чем трех десятков барстеров по крайней мере несколько имеют

плоскости орбитального движения, приблизительно параллельные лучу зрения

(как у пульсара в Геркулесе), чтобы обычная звезда могла периодически

закрывать от нас нейтронную звезду. Только в 1982 г., т. е. через 7 лет после

открытия барстеров, один пример затменного барстера был, наконец,

обнаружен.)Длительные наблюдения позволили установить еще один -

третий - период рентгеновского пульсара в Геркулесе: этот период составляет

35 дней, из которых II дней источник светит, а 24 дня нет. Причина этого

явления остается пока неизвестной. Пульсар в созвездии Центавра имеет

период пульсаций 4,8 с. Период орбитального движения составляет 2,087

дня-он тоже найден по рентгеновским затмениям. Долгопериодических

изменений, подобных 35-дневному периоду пульсара в созвездии Геркулеса у

этого пульсара не находят. Компаньоном нейтронной звезды в двойной системе

этого пульсара является яркая видимая звезда-гигант с массой 10-20 Солнц. В большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских

пульсарах является яркая голубая звезда-гигант. Этим они отличаются от

барстеров, которые содержат слабые звезды-карлики. Но как и в барстерах, в

этих системах возможно перетекание вещества от обычной звезды к

нейтронной звезде, и их излучение тоже возникает благодаря нагреву

поверхности нейтронной звезды потоком аккрецируемого вещества. Это тот же

физический механизм излучения, что и в случае фонового (не вспышечного)

излучения барстера. У некоторых из рентгеновских пульсаров вещество

перетекает к нейтронной звезде в виде струи (как в барстерах). В большинстве

же случаев звезда-гигант теряет вещество в виде звездного ветра -

исходящего от ее поверхности во все стороны потока плазмы, ионизированного

газа. (Явление такого рода наблюдается и у Солнца, хотя солнечный ветер и

слабее - Солнце не гигант, а карлик.) Часть плазмы звездного ветра попадает

в окрестности нейтронной звезды, в зону преобладания ее тяготения, где и

захватывается ею.

Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные

частицы плазмы начинают испытывать воздействие еще одного силового поля

магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно

|
рентгеновский пульсар киев, рентгеновский пульсар тепловизор
- космический источник переменного рентгеновского излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся импульсов.

• 1 История открытия
• 2 Физическая природа рентгеновских пульсаров
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

История открытия

Открытие рентгеновских пульсаров как отдельного феномена произошло в 1971 году при помощи данных, полученных первой рентгеновской орбитальной обсерваторией Uhuru. Первый открытый рентгеновский пульсар Центавр Х-3 демонстрировал не только регулярные пульсации яркости с периодом около 4.8 секунд, но и регулярное изменение этого периода. Дальнейшие исследования показали, что изменение периода пульсаций в этой системе связано с эффектом Доплера при движении источника пульсаций по орбите в двойной системе. Интересно отметить, что источник GX 1+4, открытый в эксперименте на стратостате, проведенном в октябре 1970 года (статья об этих измерениях подана в печать уже после опубликования результата по источнику Cen X-3 группой, работающей с данными обсерватории Uhuru), и у которого были обнаружены регулярные изменения яркости с периодом около 2.3 минут, также оказался пульсаром. Однако ограниченность данных стратостатного эксперимента не позволяла сделать надежные утверждения о строгой регулярности изменения яркости этого источника, поэтому нельзя считать этот источник первым открытым рентгеновским пульсаром.

Формально впервые излучение замагниченной вращаюшейся нейтронной звезды (т.е. пульсара) в Крабовидной туманности было обнаружено ещё в 1963 году, т.е. ещё до открытия нейтронных звезд в 1967 году А.Хьюишем и Дж.Белл. Однако очень малый период вращения нейтронной звезды в Крабовидной туманности (около 33 мсек) не позволял обнаружить пульсации рентгеновского излучения на этой частоте до 1969 года

Физическая природа рентгеновских пульсаров

Рентгеновские пульсары можно разделить на два больших класса по источнику энергии, питающем рентгеновское излучение: аккрецирующие рентгеновские пульсары и одиночные рентгеновские пульсары. Первые представляют собой двойную систему, одним из компонентов которой является нейтронная звезда, а вторым звезда, либо заполняющая свою полость Роша, в результате чего происходит перетекание материи с обычной звезды на нейтронную, либо звезда-гигант с мощным звездным ветром.

Нейтронные звезды - это звезды с очень малыми размерами (20-30 км в диаметре) и чрезвычайно высокими плотностями, превышающими плотность атомного ядра. Считается, что нейтронные звёзды появляются в результате взрывов сверхновых. При взрыве сверхновой происходит стремительный коллапс ядра нормальной звезды, которое затем и превращается в нейтронную звезду. Во время сжатия в силу закона сохранения момента импульса, а также сохранения магнитного потока происходит резкое увеличение скорости вращения и магнитного поля звезды. Быстрая скорость вращения нейтронной звезды и чрезвычайно высокие магнитные поля (1012-1013 Гс) являются основными условиями возникновения феномена рентгеновского пульсара.

Падающее вещество образует аккреционный диск вокруг нейтронной звезды. Но в непосредственной близости от нейтронной звезды он разрушается: движение плазмы сильно затруднено поперек силовых линий магнитного поля. Вещество больше не может двигаться в плоскости диска, оно движется вдоль линий поля и падает на поверхность нейтронной звезды в области полюсов. результате образуется так называемая аккреционная колонка, размеры которой много меньше размеров самой звезды. Материя, ударяясь о твердую поверхность нейтронной звезды, сильно разогревается и начинает излучать в рентгене. Пульсации излучения связаны с тем, что из-за быстрого вращения звезды, аккреционная колонка то уходит из вида наблюдателя, то снова появляется.

В плане физической картины близкими родственниками рентгеновских пульсаров являются поляры и промежуточные поляры. Различие между пульсарами и полярами заключается в том, что пульсар - это нейтронная звезда, а поляр - белый карлик. Соответственно у них ниже магнитные поля и скорость вращения.

По мере старения нейтронной звезды её поле ослабевает, и рентгеновский пульсар может стать барстером.

Одиночные рентгеновские пульсары представляют собой нейтронные звезды, чье рентгеновское излучение возникает в результате либо излучения ускоренных заряженных частиц, либо в результате простого остывания их поверхностей.

См. также

• Нейтронная звезда
• Радиопульсар
• Пульсар
• Поляры (катаклизмические переменные)
• Промежуточный поляр

Примечания

1. В. М. Липунов. Астрофизика нейтронных звёзд. - Наука. - 1987. - С. 139.

Ссылки

• Физика космоса. Маленькая энциклопедия, М.: Советская Энциклопедия, 1986

рентгеновский пульсар аниме, рентгеновский пульсар киев, рентгеновский пульсар прицелы, рентгеновский пульсар тепловизор

Рентгеновский пульсар Информацию О

РЕНТГЕНОВСКИЕ ПУЛЬСАРЫ

- источники переменного периодич. рентг. нейтронные звёзды ссильным магн. полем, излучающие за счёт аккреции. Магн. поля наповерхности Р. п. ~ 10 11 -10 14 Гс. Светимости большинства Р. п. от 10 35 до 10 39 эрг/с. Периодыследования импульсов Р от 0,07 с до неск. тыс. секунд. Р. п. входятв тесные двойные звёздные системы (см. Тесные двойные звёзды), вторымкомпонентом к-рых является нормальная (невырожденная) звезда, поставляющаявещество, необходимое для аккреции и нормального функционирования Р. п. Галактики и лежащих в её плоскости, так и в маломассивныхдвойных системах, относящихся к населению II Галактики и принадлежащихк её сферич. составляющей. Р. п. открыты также в Магеллановых Облаках.

Рис. 1. Запись излучения рентгеновского пульсара Кентавр Х-3, полученнаясо спутника «Ухуру» 7 мая 1971. По вертикальной оси - число отсчётов завременной интервал 1 бин = 0,096 с, по горизонтальной - время в бинах.

Рис. 2. Долгопериодическая переменность рентгеновского излученияисточника Кентавр- Х-3 (нижний график, N - число отсчётов, с -t).Видны характерные рентгеновские затмения. На верхнем графике приведеныизменения периода Р, доказывающие движение пульсара вокруг центра массдвойной системы (А 1,387-10 -3).

На нач. этапе исследований рентг. объектам присваивались наименованияпо созвездиям, в к-рых они находятся. Напр., Геркулес Х-1 означает первыйпо рентг. яркости объект в созвездии Геркулеса, Кентавр Х-3 - третий пояркости в созвездии Кентавра. Р. п. в Малом Магеллановом Облаке обозначаетсякак SMC Х-1, в Большом Магеллановом Облаке - LMC Х-4 [часто встречающаясяв обозначениях рентг. источников буква X - от англ. X-rays (рентг. лучи)].Обнаружение со спутников большого числа рентг. источников потребовало др. Координаты астрономические). Аналогичныйсмысл имеют цифры в обозначении источников, открытых спутником «Ариэль»(Великобритания), напр. А0535 + 26. Обозначения типа GX1+4 относятся кисточникам в центр. области Галактики. Цифры соответствуют галактич. координатам l и b (в данном случае l = 1°, b = +4°). Употребляютсяи др. обозначения. Так, открытый с борта советских АМС «Венера-11, -12»в эксперименте «Конус» вспыхивающий Р. п. с периодом около 8 секунд получилнаименование FXP0520-66.

Переменность излучения рентгеновских пульсаров. Короткопериодич. переменностьрентг. излучения Р. п. иллюстрирует рис. 1, на к-ром приведена запись излученияодного из первых открытых Р. п.- Кентавра Х-3 (май 1971, спутник «Ухуру»).Период следования импульсов Р = 4,8 с.

На рис. 2 показана долгопериодич. переменность Р. п. Кентавр Х-3. Разв двое суток Р. п. периодически «исчезает» (затмевается) на 11 ч (ниж. Р зависит отфазы двухдневного периода Т = 2,087 сут по гармонич.закону (верх. график): где - изменение Р, Р 0 - невозмущённое значение Р, А - амплитуда относит. изменения Р, t 0 соответствуетодному из моментов, когда отклонение периода максимально. Эти два фактаинтерпретируются однозначно: Р. п. входит в двойную систему с орбитальнымпериодом, равным Т. «Исчезновения» объясняются затмениями Р. п. полость Роша. Периодич. изменения Р обусловлены эффектомДоплера при орбитальном движении Р. п. вокруг центра масс двойной системы. ,где i - угол наклонения орбиты двойной системы (в этой системе близокк 90°), v - скорость орбитального движения Р. п.; v sin i = 416 км/с, эксцентриситет орбиты мал. Рентг. затмения обнаружены далеконе во всех двойных системах с Р. п. (для наблюдения затмений необходимо, Р- в большинстве двойных систем с Р. п.

Рис. 3. Упрощённая картина аккреции на замагниченную нейтронную звездув двойной системе. Газ поступает к звезде как в геометрически тонком диске, и М - угловая скорость вращения и магнитный момент нейтронной звезды).Условия вмораживания плазмы в магнитосферу благоприятны не на всей её поверхности.

После открытия Р. п. в его окрестности обычно быстро находят переменнуюоптич. звезду (второй компонент двойной системы), блеск к-рой меняетсяс периодом, равным орбитальному или в два раза меньшим (см. ниже). Крометого, спектральные линии оптич. компонента испытывают доплеровский сдвиг, 2 т вфильтре В (см. Астрофотометрия). Часть рентг. излучения отражаетсяатмосферой звезды, но осн. доля поглощается ею и перерабатывается в оптич. Р. Часть энергии уходитна эфф. нагревание вещества на поверхности, сопровождающееся формированиемт. н. индуциров. звёздного ветра. Второй эффект, называемый эффектомэллипсоидальности, связан с тем, что форма звезды, заполняющей полостьРоша, заметно отличается от сферической. В результате два раза за орбитальныйпериод к наблюдателю обращена б. ч. поверхности и два раза - меньшая. Такаяпеременность с периодом, вдвое меньшим орбитального периода, наблюдаетсяв двойных системах, где светимость оптич. компонента намного превышаетрентг. светимость Р. п. В частности, именно благодаря такой переменностибыл открыт нормальный компонент источника Кентавр Х-3.

Аккреция на нейтронную звезду с сильным магнитным полем. В тесных двойныхзвёздных системах возможны два осн. типа аккреции: дисковая и сферически-симметричная. Полость Роша), то перетекающее вещество обладает значит. уд.

Рис. 4. Профили импульсов ряда рентгеновских пульсаров. Приведеныинтервалы энергий, для которых получены данные, и периоды Р.

Рис. 5. Зависимость профиля импульсов от энергии для двух рентгеновскихпульсаров.

Рис. 6. Спектры ряда рентгеновских пульсаров. Заметна рентгеновскаялиния железа с hv6,5- 7 кэВ.

Свободное падение (при сферически-симметричной аккреции) возможно лишьна больших расстояниях R от звезды. На расстоянии Л м ~ 100-1000 км (радиус магнитосферы) давление магн. поля нейтронной звезды сравнивается с давлением аккрецирующего потока вещества ( - плотностьвещества) и останавливает его. В зоне R < R M формируетсязамкнутая магнитосфера нейтронной звезды (рис. 3, а), вблизи R M возникает ударная волна, в к-рой плазма охлаждается излучением Р. п. засчёт комптоновского рассеяния. Благодаря неустойчивости Рэлея- Тейлорастановится возможным проникновение капель плазмы внутрь магнитосферы, гдепроисходит их дальнейшее дробление и вмораживание в магн. поле. Магн. полеканализирует поток аккрецирующей плазмы и направляет её в область магн. б). Зона, на к-рую выпадает вещество, по-видимому, . Поток выпадающего на звезду вещества, необходимый для поддержания светимостиL x ~ 10 35 -10 39 эрг/с, равен в год. На 1 см 2 поверхности выпадает более тонны вещества всекунду. Скорость свободного падения составляет 0,4 с.

В Р. п. со светимостью L x < 10 36 эрг/спадающие протоны и электроны тормозятся в атмосфере (образованной веществом,

Рис. 7. Зависимость периода Р (в с) от времени для ряда рентгеновскихпульсаров.

В Р. Давление света)на падающие электроны способна остановитьпоток аккрецирующего вещества. Вблизи поверхности нейтронной звезды (навысоте меньше 1 м) может сформироваться радиац.-доминиров. ударная волна. Если светимость Р. п. превышает 10 37 эрг/с, то над поверхностьюнейтронной звезды в районе магн. полюсов формируется аккреционная колонка. критическуюсветимость, т. к. с боков она удерживается магн. полем, а не силамигравитации. Более того, если магн. поле нейтронной звезды превышает 10 13 Гс, то в основании колонки темп-pa плазмы и излучения достигает 10 10 К. При таких темп-pax происходят процессы рождения и аннигиляции электрон-позитронныхпар. Нейтрино, образующиеся в реакции , уносят осн. долю светимости. Рентг. светимость (превышающая критическую)составляет малую долю нейтринной светимости , причём светимости SMC Х-1 и LMC Х-4 ~ 10 м эрг/с, т. е. намногопревышают критическую. Эти объекты имеют, по-видимому, и значит. нейтриннуюсветимость. Излучаемые нейтрино прогревают недра нейтронной звезды и, поглощаясьв недрах нормального компонента двойной системы, дают малый вклад в егооптич. светимость. Поток аккрецирующего вещества в таких объектах можетдостигать (10 - 6 -10 - 5 )в год. В этом случае возможна ситуация, когда за 10 6 -10 5 лет «работы» Р. п. на нейтронную звезду выпадает ок. 1вещества, будет превышен предел устойчивости для нейтронных звёзд, произойдёт гравитационный коллапс, сопровождаемый взрывом сверхновой звезды редко встречающегося типа и образованием чёрной дыры. Это можетпроизойти лишь при дисковой аккреции, когда давление излучения не препятствуетаккреции на больших расстояниях от тяготеющего центра.

Формирование профилей импульсов и спектры излучения рентгеновских пульсаров. Р равен периоду вращения нейтронной звезды. Наличиесильного магн. поля может приводить к направленности излучения. В зависимостиот соотношения между энергией фотонов hv , напряжённостью магн. поля H и темп-рой плазмы Т е могут формироваться как«карандашная», так и «ножевая» диаграммы направленности. Важнейший параметр- гирочастота (циклотронная частота) электрона . Степень направленности является ф-цией отношений .Диаграмма направленности определяет форму профиля импульсов Р. п. Профилиимпульсов ряда Р. п. приведены на рис. 4. Вид профилей у многих Р. п. изменяетсяс увеличением энергии фотонов (рис. 5).

Спектр излучения нейтронной звезды должен быть многокомпонентным. Излучаютударная волна, аккреционная колонка, поверхность нейтронной звезды вблизиоснования колонки, плазма, текущая по магнитосфере к полюсам нейтроннойзвезды. Эта плазма поглощает жёсткое излучение колонки и переизлучает егов «мягком» рентг. диапазоне как в континууме (непрерывном спектре), таки в рентг. линиях (характеристических и резонансных) ионов тяжёлых элементов. Если потоки плазмы на магнитосфере Р. п. высокой светимости не покрываютвсю её поверхность, то образуются «окна», в к-рые свободно выходит «жёсткое»излучение, в то время как др. направления для него закрыты из-за большойоптич. толщи потоков плазмы. Вращение нейтронной звезды должно приводитьк пульсациям излучения. Это ещё один механизм формирования профиля рентг. Важнейшим этапом в изучении Р. п. явилось открытие гиролинии [спектральнойлинии, обусловленной циклотронным излучением (либо поглощением) электронов]в спектре Р. п. Геркулес Х-1. Открытие гиролинии дало метод прямого эксперим. hv H = 56 кэВ. Согласно соотношению hv H = 1,1 (H /10 11 Гс) кэВ, напряжённостьмагн. поля на поверхности этой нейтронной звезды 5*10 12 Гс.

Ускорение и замедление вращения нейтронных звёзд. В отличие от радиопульсаров(нек-рые из них, в частности пульсары в Крабе и Парусах, излучаютв рентг. диапазоне), излучающих за счёт энергии вращения замагниченнойнейтронной звезды и увеличивающих свой период со временем, Р. п., излучающиеза счёт аккреции, ускоряют своё вращение. Действительно при дисковой аккрециивещество, выпадающее на магнитосферу, имеет заметный уд. момент кол-вадвижения. Вмораживаясь в магн. поле, аккрецирующая плазма движется к поверхностизвезды и передаёт ей свой момент кол-ва движения. В результате вращениезвезды ускоряется и период следования импульсов уменьшается. Этот эффектхарактерен для всех Р. п. (рис. 7). Однако иногда наблюдается и замедлениевращения. Это возможно в случае, если изменяется темп аккреции либо направлениемомента кол-ва движения аккрецирующего вещества. Среди механизмов, приводящихк увеличению периода, обсуждается т. н. пропеллерный механизм. Предполагается, Р. А. Сюняев.

"РЕНТГЕНОВСКИЕ ПУЛЬСАРЫ" в книгах