ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПУЛЬСАРАХ

Среди сотен известных сейчас пульсаров пульсар Крабовидной туманности NP 0532 изучен наиболее полно. Он излучает в радиодиапазоне, в оптической области и в рентгеновских лучах (исследован интервал от 2 до 100 кэВ).

От этих участков спектра к Земле приходит соответственно , т. е. главная доля излучения содержится в рентгеновской области. Если излучение пульсара изотропно, то умножением на , где r — расстояние до пульсара, находим, что полное его излучение составит примерно (неуверенность вызывается неточным знанием величины . Если излучение относить к поверхности звезды радиусом в несколько десятков — сотен километров, то температура поверхности должна быть порядка . К еще более невероятным числам придем, если будем рассматривать как тепловое одно лишь радиоизлучение NP 0532. Очевидно, тепловой механизм излучения должен быть отброшен. Почти 100 % поляризации радиоизлучения в некоторых фазах его изменений, не менее 15 % линейной поляризации в оптическом диапазоне указывают на иной механизм. Таким может быть синхротронное излучение. Оно не изотропно, поэтому, приведенное выше значение полного излучения NP 0532 может быть завышено на порядок.

Все существующие теории строения и излучения пульсаров в основе своей содержат два фундаментальных предположения: 1) пульсар является быстро вращающейся нейтронной звездой; 2) он обладает очень сильным магнитным полем. Первое предположение нами рассматривалось дважды (§ 18 и 24). Второе — есть необходимое следствие коллапса звезды. Уменьшение ее размеров от R0 до R при «вмороженности» магнитного поля в плазму влечет за собой увеличение его напряженности Н в раз. Например, если первоначально было исходное поле в 1 Э и размер звезды составил см, а затем стал 107 см, то Н вырастает до , но у магнитных звезд поля бывают до и размеры значительно больше , так что на пределе у нейтронной звезды с поле может оказаться с напряженностью до на поверхности. Фактически такого порядка магнитное поле и было обнаружено у нейтронной звезды, входящей в состав рентгеновского источника . Но гораздо меньшее поле существует у миллисекундных пульсаров — порядка , чем обуславливается чрезвычайная стабильность их периодов (см. § 25), так как замедление их вращения происходит именно при вращении в магнитном поле.

Распространение ударных волн в плазме с сильным магнитным полем, как следствие пульсаций и возникновение плазменных колебаний, довольно успешно рассматривается теорией. Но для видимого и рентгеновского излучения этот механизм мало подходит. Еще существеннее то, что пульсации такого короткого периода, какой можно ожидать у нейтронной звезды (§ 18), не наблюдаются.

Другой механизм, как будто более свободный от трудностей, широко используется сейчас в качестве рабочей гипотезы. Это механизм наклонного ротатора, предложенный Голдом.

Ось магнитного поля пульсара не совпадает с осью вращения, а магнитный экватор наклонен к плоскости экватора вращения. При вращении пульсара плоскость магнитного экватора дважды за период проходит через земного наблюдателя, что естественно сопоставляется с существованием вспышек излучения. Из поверхности вращающейся звезды или из ее плотной плазменной атмосферы выбрасываются электроны, которые в сильном магнитном поле не могут двигаться свободно и удаляются от звезды только вдоль силовых линий магнитосферы. Но магнитосфера также вращается, и тангенциальная составляющая скорости электрона на некотором расстоянии от звезды см становится близкой кскорости света, так что электрон превращается в релятивистский. Возникающая при излучении такого электрона реакция замедляет его движение и уже магнитосфера звезды не в состоянии увлекать его, тем более, что напряженность поля здесь ослаблена в или более раз. Быстро вращающаяся звезда, обладающая сильным магнитным полем, неизбежно должна давать низкочастотное (с частотой импульсов) магнитное дипольное излучение очень большой мощности (а при очень быстром вращении 100—1000 Гц — еще большим оказывается квадрупольное гравитационное излучение). Это излучение способно разгонять электроны в магнитосфере пульсара до энергий эВ и выше. Оба эти механизма могли бы играть существенную роль в жизни пульсара в самом начале его существования. Электрон начинает двигаться самостоятельно и переходит в окружающую пульсар среду, уже высветившись до некоторой степени, что мы и наблюдали как излучение пульсара. Кроме синхротронного излучения релятивистские электроны могут давать излучение посредством так называемого «обратного» эффекта Комптона — встречаясь с фотонами малой энергии эВ, они передают последним всю или часть своей энергии, чем создается дополнительное коротковолновое излучение. Передача энергии электронами фотонам идет в меру , что изменяет частоту излучения (в типических случаях) от до Гц. Если говорить конкретно о Крабовидной туманности, то попавший в нее электрон может получить дополнительное ускорение в тех ее частях, где могут быть локальные сильные магнитные поля , связанные с местными плотными остатками взрыва сверхновой. Таким образом осуществляется непрерывная инжекция электронов, которые необходимы для излучения Крабовидной туманности.

Вырисовывается такая, примерно, модель пульсара: масса пульсара , радиус его см. Внутри звезда примерно до половины по радиусу заполнена нейтронами с ничтожной примесью электронов и протонов, а выше находится очень плотная структура, состоящая из ядер и электронов, образующая у поверхности збезды кристаллическую решетку. Это — твердая оболочка пульсара. Над ней находится плотная магнитосфера с плотностью электронов . Она простирается до расстояния см от центра пульсара, где достигается скорость вращения, равная скорости света.

При магнитном поле Н около энергия электронов лежит в пределах .

То обстоятельство, что у одних пульсаров (NP 0532 и NP 0950) имеется два импульса за период, а у других — обычно один, требует объяснения. Поскольку мы не знаем точно механизм излучения, можно высказать в общей форме разные предположения о диаграмме направленности излучения. Наиболее просто предположение, что она симметрична относительно магнитной оси и может быть направлена либо а) вдоль магнитной оси — «карандашная» диаграмма, либо б) перпендикулярно к ней — «ножевая» диаграмма, около плоскости магнитного экватора, образуя в пространстве тороподобное тело. При вращении магнитосферы вместе с нейтронной звездой магнитная ось, если она не совпадает с осью вращения, будет описывать в пространстве коническую поверхность, а диаграмма направленности — вращаться и засекать направление на наблюдателя. В эти моменты наблюдатель будет отмечать импульсы. При «карандашной» диаграмме будет, вообще говоря, лишь один импульс за полный оборот звезды, за исключением случая, когда магнитная ось мало наклонена к экватору звезды, а луч зрения наклонен еще меньше. Эта сравнительно редкая ситуация имеет следствием два импульса за периоды, следующие друг за другом строго через полпериода. При этом более высокий импульс, соответствующий более центральной части диаграммы, должен быть и более продолжительным. К сожалению, это не подтверждается наблюдениями.

При «ножевой» диаграмме направленность импульса определяется положением магнитного экватора и может на несколько градусов отклониться от него за счет того, что диаграмма имеет «толщину» перпендикулярно к экватору. За один оборот будут наблюдаться два импульса, не равноотстоящие друг от друга, когда плоскость магнитного экватора проходит через луч зрения наблюдателя. Они вырождаются в один, если направление на наблюдателя составляет с экватором звезды угол, равный углу между экватором вращения и магнитным экватором. Наконец, если первый угол еще больше, импульсы наблюдаться не будут.

В зависимости от того, какая диаграмма направленности осуществляется в действительности, правильно решается вопрос о возможном числе пульсаров в Галактике. Полное излучение пульсара в пространство может быть правильно вычислено по потоку, падающему от него на Землю, лишь в том случае, если мы знаем, в пределах какого телесного угла распространяется его излучение. Одновременно определяется, в какой доле окружающего пульсар пространства он может наблюдаться как пульсар, а в какой не может. Тем самым определяется по числу известных же пульсаров число тех, которые для земного наблюдателя не существуют как пульсары. Очевидно, это число должно быть значительно больше в случае «карандашной» диаграммы, нежели при «ножевой» диаграмме. Расчеты здесь неуверенны, так как относительные продолжительности импульсов в долях периода весьма различны.

Полученные оценки дают для числа пульсаров в Галактике значения .

Еще одно обстоятельство добавляет трудности — большая неустойчивость величины импульса. Немалое число пульсаров временами перестает наблюдаться, а затем восстанавливается. Происходит ли при этом затухание процесса излучения или же некое прецессионное движение оси вращения — полностью не ясно.