Реферат: Краткий рассказ о пульсарах
Введение
Напротяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был дляастрономов видимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощьютелескопов, они использовали только очень небольшой интервал волн из всегомногообразия электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами.Астрономия преобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики итехники предоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вестинаблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн догамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные доли миллиметра. Это вызвалонарастающий поток астрономических данных, в том числе и открытие пульсаров.
ОткрытиеЛетом 1967 г. вКембриджском университете (Англия) вошел в строй новый радиотелескоп,специально построенный Э. Хьюишем и его сотрудниками для одной наблюдательнойзадачи — изучения мерцаний космических радиоисточников. Новый радиотелескоппозволял производить наблюдения больших участков неба, а аппаратура дляобработки сигналов была способна регистрировать уровень радио-потока черезкаждые несколько десятых долей секунды. Эти две особенности их инструмента ипозволили кембриджским радиоастрономам открыть нечто совершенно новое — пульсары. Открытие пульсаров отмечено Нобелевской премией по физике в 1978 г.
Интерпретация: нейтронные звездыВ астрономии известно немало звезд, блеск которыхнепрерывно меняется, то возрастая, то падая. Имеются звезды, их называютцефеидами со строго периодическими вариациями блеска. Усиление и ослабление яркостипроисходит у разных звезд этого класса с периодами от нескольких дней до года.Но до пульсаров никогда еще не встречались звезды со столь коротким периодом,как у первого «кембриджского» пульсара.
/> <td/> />Вслед за ним в очень короткое время было открыто несколько десятков пульсаров,и периоды некоторых из них были еще короче. Сейчас известно около четырех сотенпульсаров. Очень короткие периоды пульсаров послужили первым и самым вескимаргументом в пользу интерпретации этих объектов как вращающихся нейтронныхзвезд. />
Происхождение быстрого вращения нейтронных звезд-пульсаров несомненно вызваносильным сжатием звезды при ее превращении из «обычной» звезды в нейтронную.Когда звезда сжимается, ее вращение убыстряется. Здесь действует один изосновных законов механики — закон сохранения момента импульса. Из него следует,что при изменении размеров вращающегося тела, изменяется и скорость еговращения. Более быстрое исходное вращение дает и еще более короткие периоды.Сейчас известны не только пульсары, излучающие в радиодиапазоне, — их называютрадиопульсарами, но и рентгеновские пульсары, излучающие регулярные импульсырентгеновских лучей. Но и радиопульсары, и рентгеновские пульсары отличаются отбарстеров в одном принципиальном отношении: они обладают очень сильнымимагнитными полями, которые вместе с быстрым вращением и создают эффектпульсаций, хотя и действуют эти поля по-разному в радиопульсарах и пульсарахрентгеновских.Рентгеновские пульсары
Рентгеновские пульсары — это тесные двойные системы, вкоторых 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. Пульсар в Геркулесе посылаетимпульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. Междупрочим, наблюдение рентгеновских затмений для барстеров до последнего временине удавалось. Пульсар в созвездии Центавра имеет период пульсаций 4,8 с. Вбольшинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских пульсарахявляется яркая голубая звезда-гигант. Этим они отличаются от барстеров, которыесодержат слабые звезды-карлики. Есть все основания полагать, что нейтронныезвезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем,достигающим значений магнитной индукции BÎ108– 109 Тл, что в 1011-1012 раз больше среднего магнитного поля Солнца. Но такие поляестественно получаются в результате сильного сжатия при превращении обычнойзвезды в нейтронную.
По своей структуре, т. е. по геометрии силовыхлиний, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное полеЗемли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разные сторонырасходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным.
От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдаливспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда ненаблюдали регулярных пульсаций. Магнитное поле нейтронных звезд в барстерахзаметно слабее, чем в пульсарах. Различие в магнитном поле связано, вероятно, сразличием возраста барстеров и пульсаров. Следовательно, барстеры — это старыесистемы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то степениослабнуть, а пульсары — это относительно молодые системы и потому магнитныеполя в них сильнее.
РадиопульсарыРаспределение радиопульсаров на небесной сферепозволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат нашейГалактике: они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей,экватором галактической координатной сетки. Если радиопульсары располагаютсявблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумнополагать, что и сами они являются молодыми. Строгая периодичность следованияимпульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость — все это сближаетрадиопульсары с рентгеновскими пульсарами. Но во многих других отношениях онирезко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускаютрадиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары — это одиночные, а не двойные звезды. Физика радиопульсаров должна быть совсеминой, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным долженбыть источник их энергии. Излучение пульсара Крабовидной туманностирегистрируется 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 регистрируютсяблагодаря излучению в радиодиапазоне. Расстояние до Крабовидной туманности: d= 6*1019 м, следовательно, можно найти светимость пульсара:
Периодичность импульсов радиопульсара выдерживаетсяс удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. Характерное времяизменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллионлет.
/>
Вращение замедляется со временем, следовательно, тратится энергия вращения.Кинетическую энергию вращения звезды можно получить по формуле:
гдеМ — масса звезды, V — характерная скорость вращения. При типичном периоде 1 с ирадиусе нейтронной звезды 10000 м:
E = 3*1039Дж.
Таковзапас энергии вращения. Кинетическая энергия вращения нейтронной звездыдостаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого излучениечерпает свою энергию.
Магнитно-дипольное излучениеНейтронная звезда может обладать очень значительныммагнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его осьнаклонена к оси вращения нейтронной звезды, как и у рентгеновского пульсара.Магнитно-дипольное излучение давно изучено в электродинамике. Итак, вращающаясянейтронная звезда с наклонным магнитным полем способна излучатьэлектромагнитные волны. При этом энергия ее вращения преобразуется в энергиюизлучения.
МагнитосфераМагнитосфера – вращающееся облако заряженныхчастиц, окружающее нейтронную звезду. Возможность и даже необходимостьсуществования такого облака доказали американские астрофизики-теоретики П.Голдрайх и В. Джулиан. Рождение и ускорение частиц, образующих магнитосферу,требует значительной энергии, которая черпается из кинетической энергиивращения нейтронной звезды. Теоретический анализ, проделанный П. Голдрайхом иВ. Джулианом, показывает, что на это тратится приблизительно столько жеэнергии, сколько и на магнитно-дипольное излучение.
Основная доля энергии вращения, теряемой нейтроннойзвездой, преобразуется не в наблюдаемое излучение пульсара, а в энергию частиц,ускоряемых в магнитосфере нейтронной звезды. Радиопульсары являются, такимобразом, мощным источником частиц высоких энергий. С течением времени пульсартеряет свою энергию вращения и магнитную энергию, так что постепенно и частотавращения, и магнитное поле нейтронной звезды убывают. Радиопульсары — этоодиночные нейтронные звезды, а не члены тесных двойных систем. И тем не менеесвечение, хотя и довольно слабое, все же может возникать:
L= 1024Вт
Пульсары и космические лучиЕще в 1934г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали навозможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическимилучами — частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космическогопространства. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космическихлучах:
E= 1020эВ »10 Дж
Средняяконцентрация частиц космических лучей в межзвездном пространстве нашейГалактики оценивается величиной:
n»10-4 м3
Средняяэнергия частицы:
E»10-9 Дж »1010 эВ
Плотностьэнергии космических лучей, т. е. энергия частиц в единице объема:
rE»10-13 Дж / м3
Основной же вопрос физики космических лучей ссамого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор еще нерешен. Открытие пульсаров, анализ их электродинамики, данные о частицах высокойэнергии в Крабовидной туманности — все это указывает на пульсары как наэффективный источник космических лучей.
ЗаключениеЗа открытие пульсаров Энтони Хьюишу в 1974 годубыла присуждена Нобелевская премия по физике. Открытие действительно быловыдающемся, и лишь название оказалось не точным. Пульсары вовсе непульсируют. Это название дали им тогда, когда еще полагали, что это звезды,которые, подобно цефеидам, периодически расширяются и сжимаются. Теперь мызнаем, что пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды. Однако названиеприжилось.