Представьте объект, в котором масса полутора-двух Солнц сжата до размеров в несколько километров, а плотность вещества достигает сотен миллионов тонн на кубический сантиметр. Добавьте к этому самое мощное во Вселенной магнитное поле и атмосферу из частиц, разогнанных почти до скорости света. Именно так выглядит нейтронная звезда, а точнее — ее особая разновидность, известная как пульсар.
Антенны радиотелескопа ASKAP/(с)CSIRO.
Недавно астрономы обнаружили в соседней галактике, Большом Магеллановом Облаке, необычайно яркий пульсар PSR J0523-7125. Он более чем в два раза ярче предыдущего рекордсмена из этой галактики. Интересно, что этот объект много лет был известен ученым, но его истинная природа оставалась скрытой — его принимали за далекую фоновую галактику. Раскрыть секрет помог нестандартный метод поиска, основанный на анализе круговой поляризации радиоволн, а не на их периодичности.
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды с колоссальным магнитным полем, которые действуют как космические радиомаяки, испуская строго периодические импульсы излучения. Они представляют собой уникальные природные лаборатории, позволяющие изучать вещество в экстремальных условиях, недостижимых в земных экспериментах.
Наблюдать нейтронные звезды напрямую очень сложно из-за их крошечных размеров (всего несколько километров в диаметре), поэтому пульсары — один из ключевых способов их исследования. Кроме фундаментальной науки, пульсары имеют и практическое применение, например, в системах навигации и для создания сверхточных космических часов.
Теоретики предполагают, что только в нашей Галактике могут существовать десятки или даже сотни тысяч пульсаров, но пока обнаружены лишь несколько тысяч. Найти их в других галактиках еще сложнее, что делает новое открытие особенно ценным.
Последующие наблюдения на телескопе MeerKAT подтвердили пульсирующую природу объекта PSR J0523-7125 и выявили его необычную особенность: его импульсы необычно долгие и занимают около 35% от периода, в отличие от типичных «коротких» импульсов. Возможно, именно эта особенность долгое время мешала идентифицировать его как пульсар стандартными методами. Ученые надеются, что новый подход к поиску позволит открыть множество других нестандартных пульсаров.
История открытия: от «зеленых человечков» до нейтронных звезд
История открытия пульсаров полна драматизма. В 1967 году аспирантка Джоселин Белл, обрабатывая данные радиотелескопа, обнаружила странные строго периодические сигналы с периодом 1,337 секунды. Их искусственная регулярность настолько озадачила ученых, что объект в шутку (а поначалу и всерьез) назвали LGM-1 (Little Green Men — «маленькие зеленые человечки»). Эпоха была романтичной, и возможность контакта с внеземным разумом рассматривалась вполне серьезно.
Однако наука требует естественных объяснений. Астрономы быстро отвергли «инопланетную» гипотезу. Строгая периодичность наводила на мысль о вращении какого-то компактного твердого тела. Все элементы головоломки уже были в руках ученых: теория о существовании нейтронных звезд (выдвинутая Бааде и Цвикки в 1934 году) и работы о том, что такие звезды должны быстро вращаться и иметь сильное магнитное поле. Опираясь на эти идеи, природу пульсаров вскоре разгадал Томас Голд.
Художественное изображение пульсара / (c) Mark Garlick / University of Warwick
Рождение нейтронной звезды: финал жизни массивного светила
Открытие пульсаров стало первым наблюдательным подтверждением реального существования нейтронных звезд, за что Энтони Хьюиш (но, что вызвало споры, не Джоселин Белл) получил Нобелевскую премию в 1974 году.
Нейтронная звезда — это остаток ядра массивной звезды (в 10-30 раз тяжелее Солнца), пережившей катастрофический взрыв сверхновой. Когда в звезде заканчивается термоядерное топливо, давление излучения, поддерживавшее ее от коллапса, исчезает. Ядро стремительно сжимается под действием чудовищной гравитации. Давление становится настолько огромным, что электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны. Сжатие останавливается, когда вещество достигает плотности атомного ядра — сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре, а размер объекта сокращается до 10-20 километров.
Закон сохранения момента импульса играет здесь ключевую роль: сжимаясь, звезда начинает вращаться гораздо быстрее, как фигурист, прижимающий руки. Так рождается нейтронная звезда, делающая оборот за доли секунды. Это вращение невероятно стабильно, что и делает пульсары точнейшими часами во Вселенной. Существуют и экзотические миллисекундные пульсары, раскрученные до невероятных скоростей за счет перетягивания вещества со звезды-компаньона.
Обратите внимание: Проект "Дно": самый доступный способ терраформирования Марса.
Сверхсильные магниты и рождение излучения
Еще одно экстремальное свойство нейтронных звезд — их магнитное поле, самое сильное во Вселенной, достигающее миллиардов тесла. Оно возникает из-за «сжатия» магнитного поля исходной звезды при коллапсе (закон сохранения магнитного потока). Хотя звезда в основном состоит из нейтронов, в ее коре и атмосфере остаются заряженные частицы — протоны и электроны. Движение сверхтекучих протонов создает токи чудовищной силы, превращая нейтронную звезду в гигантский сверхпроводящий магнит.
Вращение этого магнита генерирует мощное электрическое поле, которое вырывает заряженные частицы с поверхности и разгоняет их до околосветовых скоростей. Эти частицы, двигаясь по искривленным магнитным линиям, испускают излучение во всем спектре — от радиоволн до гамма-квантов. В условиях сверхсильного поля возможны даже процессы рождения вещества из излучения, когда гамма-квант порождает пару электрон-позитрон.
Излучение пульсаров порождается их мощнейшим магнитным полем / (с) NASA
Механизм космического маяка
Но почему мы видим именно периодические импульсы? Частицы в магнитном поле излучают не во все стороны, а в узкий конус вдоль направления своего движения (эффект релятивистского излучения). В результате нейтронная звезда испускает тонкий луч радиоволн. Поскольку звезда вращается, этот луч, как луч маяка, периодически попадает на Землю. Когда он направлен на нас, радиотелескоп фиксирует яркую вспышку — импульс. Когда луч отворачивается, наступает пауза. Так рождается характерное «пик… пик… пик…».
Важно понимать, что пульсар — это лишь временная стадия в жизни нейтронной звезды, длящаяся несколько миллионов лет, пока она не исчерпает энергию для поддержания своей «атмосферы». Большинство нейтронных звезд в Галактике уже «молчат». Несмотря на десятилетия исследований, пульсары продолжают преподносить сюрпризы, такие как гигантские импульсы или внезапные сбои в периодичности (глитчи), природа которых до конца не ясна. Они остаются одними из самых загадочных и информативных объектов для изучения законов физики в экстремальных условиях.
#астрономия #космос #нейтронная звезда #пульсары #радиопульсар
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Физика почти невозможного: о чем расскажет самый яркий пульсар.