Пульсары: "История открытия,основные характеристики"

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Краснодарского края школа –интернат спортивного профиля

Пульсары:

история открытия, основные характеристики

                                                                                                                              Учитель физики:

                                                                                                                                Волошина О.А

                                                                    г. Краснодар

2016

         В представленной работе описываются открытие пульсаров, основные характеристики и общепринятые модели возникновения пульсаров. Основной сложностью при изучении пульсаров и других объектов дальнего космоса является невозможность прямой проверки научных гипотез. Поэтому учёные вынуждены предполагать, что физические законы в дальнем космосе действуют так же, как и на Земле. 

Открытие пульсаров.

         По мере развития физики и астрономии инженеры и учёные для изучения каких-либо явлений создают новые приборы. Но если прибор хороший, то часто он помогает обнаружить и что-то новое.

Вначале ученые изучали космос с помощью оптических телескопов, работающих с лучами света, видимыми человеком. Потом стали создавать телескопы, ловящие лучи, невидимые глазу (радиотелескопы). Летом 1967 г. в Кембриджском университете

(Англия) вошел в строй новый радиотелескоп, специально построенный Э. Хьюишем и его сотрудниками для одной наблюдательной задачи - изучения мерцаний космических радиоисточников. Новый радиотелескоп позволял производить наблюдения больших участков неба, а аппаратура для обработки сигналов была способна регистрировать характеристики потока радиосигналов через каждые несколько десятых долей секунды. Эти две особенности  позволили кембриджским радиоастрономам открыть нечто совершенно новое - пульсары.

28 ноября 1967 г. Дж. Белл - аспирантка Э. Хьюиша анализировала записи регистрации радиосигналов и обнаружила периодические импульсы, которые следовали друг за другом с одинаковым интервалом 1,34 секунды. Вначале она и её коллеги подумали, что это помехи от земной техники, но уточнением постановки измерений этот фактор удалось устранить. В результате они убедились, что это – сигналы из дальнего космоса.

Первая мысль – это внеземная цивилизация. Эти сигналы попытались расшифровать, но информацию не удалось извлечь, хотя этим занимались лучшие специалисты.

Вскоре обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника. Становилось очевидным, что источники излучения являются естественными небесными телами.

Первая публикация появилась в феврале 1968 г., а Нобелевская премия по физике за открытие и исследование пульсаров была вручена Э. Хьюишу в 1974 году. В 1993 году за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации Нобелевскую премию по физике получили Р.Халс и Д.Тейлор. Пульсары различают по виду испускаемого излучения:  известны радио пульсары, оптические пульсары и рентгеновские пульсары.  

Почему пульсары «пульсируют»?

         Учёные-физики определили, что пульсары не пульсируют. Пульсары на самом деле не отключаются и включаются, а излучают непрерывный поток энергии. Такая энергия формирует поток радиоизлучения, выбрасываемый со скоростью света магнитными полюсами звезды. У нейтронной звезды магнитная ось располагается к ее оси вращения под углом, так же как и географический север Земли отличается от магнитного. Поток энергии при вращении звезды распространяется в открытом космосе, напоминая луч маяка. И только тогда, когда он наконец попадает на Землю, мы можем увидеть пульсар при помощи радиотелескопа. Периодически возникающие радиосигналы похожи на сигналы маяка. Маяк не пульсирует, свет лампы периодически направляется в разные стороны. Так же и пульсар из-за своего вращения периодически загораживает собой исходящие радиоволны или направляет их в сторону и с Земли невозможно их обнаружить.

Почти все планеты и звёзды имеют магнитное поле. Магнитное поле есть и у пульсаров. Радиоволны возникают при вращении магнитного поля. Значит, пульсары вращаются.           В астрономии известно немало звезд, блеск которых непрерывно

меняется, то возрастая, то падая. Имеются звезды, их называют цефеидами (по первой из них, обнаруженной в созвездии Цефея), со строго периодическими вариациями блеска.

         Усиление и ослабление яркости происходит 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 обнаруженного пульсара.

         Вслед за первым было открыто несколько десятков пульсаров, и периоды некоторых из них были еще короче. Так, период пульсара, обнаруженного в 1968 г. в центре Крабовидной туманности, составлял 0,033 с. Сейчас известно около четырех сотен пульсаров. Подавляющее их большинство--до 90%-- имеет периоды в пределах от 0.3 до 3 с, так что типичным периодом пульсаров можно считать период в Т=1 с, а скорость вращения  оборот в секунду.

         В конце 1982 г. был обнаружен пульсар с периодом Т=0,00155 сек. Скорость вращения при этом  оборотов в секунду.

         Рассчитаем, какая должна быть плотность звезды, чтобы при такой скорости вращения её не разорвали центробежные силы. Представим себе, что на экваторе мы положили материальную точку массы . Пусть звезда имеет форму шара и радиус звезды R. Объём шара равен  , масса звезды , где  – плотность звезды. Сила гравитационного притяжения на поверхности звезды

,

где    Н*м²/кг²- гравитационная постоянная.

         При скорости вращения  линейная скорость материальной точки , а центробежная сила  должна быть меньше силы гравитационного притяжения (иначе материальная точка улетит от звезды, т.е. центробежная сила разорвёт звезду). Таким образом, можно составить неравенство для определения минимального значения плотности:

 или

Тогда

         При   = 1,41*10⁸ г/см³  .

         Для сравнения, средняя плотность Земли 5,6*10³ кг/м³, т.е. в 2,5*10⁷ раз меньше.

         При   кг/м³ = 5,86*10¹³ г/см³

         Сжатыми до такой высокой степени могут быть лишь нейтронные звезды: их плотность действительно близка к ядерной. Этот вывод подтверждается всей пятнадцатилетней историей изучения пульсаров.

Возникновение и строение нейтронных звёзд

Нейтронные звезды образуются после исчерпания топлива (водорода) для реакции термоядерного синтеза в недрах обычной звезды, если ее масса к этому моменту превышает 1,4 массы Солнца. Поскольку  реакция термоядерного синтеза без топлива прекращается,

устойчивое равновесие звезды становится невозможным и начинается катастрофическое сжатие звезды к центру — гравитационный коллапс.

       Если исходная масса звезды не превышает некоторой критической величины, то коллапс в центральных частях останавливается и образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса протекает за время меньше секунды. За коллапсом может последовать либо натекание оставшейся оболочки звезды на горячую нейтронную звезду с испусканием частиц,

уносящих более 10% массы звезды, либо сброс оболочки за счет энергии реакции термоядерного синтеза «непрогоревшего» вещества или энергии вращения. Такой выброс происходит очень быстро, и для наблюдателя на Земле он выглядит как грандиозный взрыв — вспышка сверхновой звезды. Наблюдаемые нейтронные звезды — пульсары часто связаны с остатками сверхновых звезд.

       Нейтронные звезды могут существовать, если их массы больше 0,05 массы Солнца. Если масса нейтронной звезды превышает 3—5 массы Солнца, равновесие ее становится невозможным, и такая звезда будет представлять собой черную дыру.

       Типовые характеристики нейтронной звезды:

Типичный радиус		10 км
Внутренняя температура		от 1010 до 1011 °K
Типичная масса (Солнце=1)		1,5
Средняя плотность вещества (г/см3)		2,8*1014
Сила тяжести на поверхности (Земля=1)		1011
	По современным представлениям в нейтронной звезде можно выделить несколько слоев: поверхностный слой, внешнюю и внутреннюю кору, внешнее и внутреннее (загадочное) ядро. Толщины слоев и плотность в центре звезды зависят от массы звезды и свойств вещества ядра.

Поверхностный слой имеет толщину не более нескольких метров и простирается от поверхности до глубины, где плотность вещества достигает величины около 10⁶ г/см³. Вещество этого слоя — обычная плазма — подвержено сильному влиянию магнитных полей, которые (по наблюдениям) могут достигать огромных величин.

Внешняя кора расположена под поверхностью и имеет толщину в несколько сот метров. Плотность на ее дне примерно равна 4*10¹¹ г/см³. Вещество состоит из электронов и атомов.

Атомы во внешней коре полностью ионизованы давлением электронов и по существу являются атомными ядрами. Как правило, ядра образуют кристаллы. При углублении в кору энергия электронов растет. Быстрые электроны могут захватываться ядрами и превращать протоны ядер в нейтроны: ядра электрически нейтральными. На дне внешней коры ядра практически полностью состоят из нейтронов и мало напоминают ядра, которые стабильны в земных условиях. Внутренняя кора расположена под внешней корой. Обычно ее толщина составляет несколько километров, а плотность у ее дна достигает примерно 0,5 от средней плотности. Внутренняя кора отличается от внешней тем, что в веществе появляются свободные нейтроны: ядра переобогащены нейтронами и испускают часть из них. Этот процесс называется нейтронизацией вещества. При углублении в кору число свободных нейтронов растет. У дна коры ядра полностью исчезают. Основной вклад в давление вблизи границы с внешней корой вносят электроны, а вблизи границы с ядром звезды — нейтроны. Интересно, что нейтроны во внутренней коре оказываются сверхтекучими. Нейтронная сверхтекучесть, по расчетам, появляется при огромных температурах, около 10¹⁰ -— 10¹¹ К, фактически сразу после образования нейтронной звезды.

Ядро располагается под корой и имеет радиус 7—15 км. В нем можно выделить внешнее ядро и внутреннее (загадочное) ядро.

Внешнее ядро - простирается до плотности порядка двух плотностей атомного ядра (средняя плотность самой нейтронной звезды). Оно состоит из нейтронов с небольшой, несколько процентов, примесью электронов и протонов. Протоны представляют останки атомных ядер, имевшихся в коре. Вещество внешнего ядра звезды похоже на материю в атомных ядрах. Однако, в обычных атомных ядрах нейтронов и протонов примерно поровну, а в нейтронных звездах нейтронов большинство. Так как ядра не содержат положительно заряженных протонов, то силы электростатического отталкивания не действуют. Действуют только силы ядерных связей, поэтому все вещество становится очень плотным. Теория внешнего ядра пока ещё не создана.

Загадочное ядро. Это самая непонятная область нейтронной звезды. Плотность вещества в загадочном ядре как минимум в несколько раз выше ядерной плотности. Основное отличие внешнего и загадочного ядер состоит в следующем. При переходе из внешнего ядра в загадочное нейтроны, протоны и электроны становятся столь энергичными, что, сталкиваясь, начинают рождать новые частицы, как это обычно бывает при столкновениях быстрых частиц. Весь вопрос в том, какие частицы рождаются и как они влияют на свойства вещества. Лабораторные данные о веществе со сверхядерной плотностью крайне скудны. Правильно рассчитать рождение новых частиц сложно. Выдвигаются основные гипотезы: о модификации стандартной материи и о появлении странной материи.

Почему пульсары так быстро вращаются?

Когда звезда начинает коллапсировать все ее вещество сжимается и становится все более и более плотной массой. При движении к центру звезды все большего количества данной массы звезда начинает все быстрее вращаться, напоминая то, как спортсмен фигурист ускоряет вращение, прижав руки к своему телу. Этим объясняется невероятно быстрое вращение отдельных пульсаров.

При образовании нейтронной звезды выполняется закон сохранения момента импульса:

Предположим, что нейтронная звезда образовывается из такой же звезды как наше Солнце.

Радиус Солнца R_Солнца = 6,96*10⁵ км;

период обращения вокруг своей оси T=24,47 земных суток = 2,11*10⁶ сек;

частота вращения  оборотов в секунду. 

Тогда по закону сохранения момента импульса

Следовательно

= оборотов в секунду.

Даже такая упрощённая модель, не учитывающая неравномерность распределения плотности внутри нейтронной звезды, даёт близкие к наблюдениям результаты.

Пульсары и космические лучи.

В 1934г.  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.

Интерес  к  космическим лучам  связан,  прежде  всего,  с возможностью использовать их для  исследования  взаимодействий  элементарных частиц при  высоких  энергиях,  недостижимых  в  лабораторных  ускорительных устройствах. Частицы  высоких   энергий,   приходящие   к   Земле   из межпланетного и межзвездного  пространства,  порождают  в  земной  атмосфере новые, вторичные частицы,  тоже  обладающие  немалыми  энергиями.  Но  более всего интересны, очевидно, исходные,  первичные  частицы.  Они  представляют собою главным образом  протоны;  среди  них  имеются  в  небольшом  числе  и атомные ядра таких элементов, как гелий, литий, бериллий, углерод,  кислород и т.  д.,  вплоть  до  урана. Электронов в космических лучах не  более  1-2  %. Поток космических лучей изотропен - он приходят к Земле равномерно  со  всех сторон (кроме, конечно, частиц, испускаемых Солнцем).

Общее радиоизлучение  Галактики  известно с конца 40-х годов. Объяснение  общего радиоизлучения Галактики предложено В. Л.  Гинзбургом  в  1950—1951  гг.  Основной вопрос физики космических лучей с самого начала ее  развития  —  природа  их высокой энергии.  Он  до  сих  пор  еще  не  решен.  Обсуждается  целый  ряд интересных возможностей: ускорение  частиц  в  межзвездных  магнитных  полях (как это предполагал еще в 40-е годы Э. Ферми),  в  оболочках,  сбрасываемых при вспышках сверхновых (эта идея развивается сейчас  многими  авторами),  в ядре Галактики или даже вне ее — в квазарах.  Открытие пульсаров, анализ  их электродинамики,  данные  о   частицах   высокой   энергии   в   Крабовидной туманности, получаемые  из  анализа  ее  излучения, все  это указывает на пульсары как на эффективный источник космических лучей.

Что можно узнать ещё при изучении пульсаров?

В результате того, что пульсары располагаются посреди осколков сверхновых звезд, которые коллапсировали, у нас есть возможность понять, что же на самом деле происходит, когда звезда взрывается. Еще пульсары могут дать ответ на вопросы, которые связаны с происхождением и развитием вселенной. Также, со временем может изменяться поведение пульсаров.

У каждого пульсара периодичность импульсов не совсем постоянна. Источником волн электромагнитного излучения, которые мы способны наблюдать, является энергия вращения нейтронной звезды. Излучая электромагнитное излучение, вращательную энергию пульсары теряют и из-за этого замедляются. Исследуя поведение пульсаров год за годом, месяц за месяцем, мы можем совершенно точно установить: какое количество энергии они теряют, во сколько раз замедляются, а также то, когда они совсем погибнут, замедлившись при этом настолько, что светиться для них будет невозможно.

В свою очередь, ученые сделали вывод, что по-своему уникален каждый пульсар. Одни подвержены "звездотрясениям", другие очень яркие, у третьих есть на сдвоенных орбитах звезды-спутники, а несколько дюжин пульсаров способны вращаться с фантастической скоростью - до одной тысячи оборотов за секунду. Каждое последующее открытие дает ученым уникальные и новые данные, которые они используют для понимания законов, которые действуют во Вселенной.

Заключение

Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские пульсары. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат. В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них. А прерывистость линии обозначает период их обращения.

Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.