16.5. НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ

Нейтронные звезды были предсказаны теоретически задолго до того, как их обнаружили из наблюдений. Сейчас нейтронные звезды наблюдаются двумя различными способами: по радиоизлучению пульсаров и по рентгеновскому излучению двойных рентгеновских источников. Рассмотрим их в порядке открытия.

16.5.1. Пульсары. Летом 1967 г. было закончено сооружение кембриджского радиотелескопа площадью и в следующие месяцы Хьюиш и его аспирантка Джоселин Белл провели первые наблюдения с помощью этой огромной сфазированной системы антенн. Радиотелескоп был сконструирован Хьюишем для изучения быстрых временных вариаций интенсивности (мерцаний) компактных радиоисточников, возникающих вследствие рассеяния радиоволн на неоднородностях солнечного ветра. Зная амплитуду этих мерцаний в зависимости от углового расстояния от Солнца, можно получить информацию о структуре радиоисточника и о спектре неоднород-ностей в истекающем из Солнца потоке плазмы. Такие наблюдения должны проводиться на низкой частоте и следует использовать приемник с малой постоянной времени

Среди первых же мерцающих источников, обнаруженных на этом инструменте, был один, сигнал от которого состоял только из «мерцаний». Дальнейшие наблюдения показали, что источник излучает очень правильные последовательности узких импульсов с периодом 1,3377295 с. Так был открыт первый пульсар, который обозначили что означает «кембриджский пульсар с прямым восхождением При просмотре обзорных записей обнаружилось еще три пульсара. После опубликования в феврале 1968 г. этих результатов произошла беспрецедентная вспышка астрономических исследований. В результате были подробно изучены свойства пульсаров, открыто много новых источников и, наконец, твердо установлено, что это вращающиеся намагниченные нейтронные звезды.

Открытие пульсаров было совершенно неожиданным. До этого нейтронные звезды широко обсуждались в литературе, но было совершенно неясно, удастся ли когда-нибудь наблюдать их астрономическими методами. Многие астрономы вообще сомневались в их существовании. Удивительно было, что они оказались радиоисточниками огромной мощности, существенно превышающей предсказания даже наиболее оптимистически настроенных теоретиков, и что интенсивность их радиоизлучения изменялась со строго определенными периодами. Ничего подобного и не могло быть

предсказано, ведь до сих пор причина импульсного излучения остается одной из самых сложных загадок пульсаров.

Сейчас известно более 150 пульсаров с периодами в интервале Однако уже вскоре после открытия первых объектов стало ясно, что они должны быть вращающимися нейтронными звездами. Это отождествление основано на следующих фактах:

Периоды пульсаров очень стабильны, значения где период, составляют до лет и более.

Эти периоды могут быть очень малы, всего 0,03 с, как у пульсара в Крабовидной туманности.

Расчеты возможных устойчивых конфигураций звезд показали, что должны существовать нейтронные звезды массой и радиусом в которых равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.

Строгое постоянство периодов пульсаров естественнее всего приписать вращению звезды, и поэтому необходимо найти типы звезд, которые могут вращаться с такой высокой скоростью, которая определяется из наблюдений. Звезда должна быть по крайней мере столь же компактна, как белый карлик, который может иметь радиус и массу — Максимальная скорость вращения определяется из условия, что при этом центробежные силы оказываются достаточными для разрыва звезды, т.е. по порядку величины где угловая скорость вращения. Для белого карлика минимальный период составляет около 1 с. Более подробное рассмотрение показывает, что самые короткие периоды достигаются при сильно дифференциальном вращении белого карлика, но и тогда они близки к 1 с. Объяснить же столь короткие периоды, как 0,03 с, не удается. В начале разд. 16.3 указывалось, что следующей (и последней) устойчивой конфигурацией является нейтронная звезда, которая, таким образом, становится очевидным кандидатом в пульсары. Центробежный предел для нейтронных звезд соответствует периодам с, поэтому наблюдения можно согласовать с этой гипотезой.

Полученный диапазон периодов вращения нейтронных звезд легко объясняется коллапсом медленно вращающихся звезд главной последовательности, таких, как Солнце. При коллапсе сохраняется момент количества движения звезды Принимая

106 с, получим, что в результате коллапса образуется нейтронная звезда радиусом с периодом вращения что примерно совпадает с центробежным пределом. Хотя коллапс должен происходить значительно более сложным образом, этот расчет показывает, что никаких трудностей с объяснением наблюдаемых значений периодов пульсаров нет.

Непосредственным указанием на существование магнитного поля является наблюдение сильно поляризованного радиоизлучения. Косвенную оценку напряженности поля можно получить по замедлению вращения нейтронных звезд, в частности пульсара в Крабовидной туманности. Отметим два существенных факта: возраст Крабовидной туманности того же

порядка, что и время замедления вращения пульсара и нынешний темп потери энергии вращения нейтронной звезды (равный ) примерно совпадает с полной скоростью потерь энергии туманностью. Из этих наблюдений следует, что замедление вращения нейтронной звезды происходит за счет ее связи с туманностью, которая, очевидно, осуществляется посредством магнитного поля. По скорости замедления вращения можно определить магнитные напряжения и, следовательно, магнитный дипольный момент звезды. Оказалось, что напряженность магнитного поля на поверхности нейтронной звезды

Столь сильное магнитное поле также без труда объясняется тем, что нейтронные звезды возникают в результате сжатия обычных звезд главной последовательности. Если в ходе сжатия магнитный поток сохраняется (очень хорошее приближение для полностью ионизованной плазмы), то будет постоянно Принимая получим Очевидно, если напряженность магнитного поля в ядре звезды в 100 раз выше, то можно объяснить весь интервал значений магнитного поля пульсаров.

Предполагается, что направленность излучения пульсаров должна быть каким-то образом связана с конфигурацией магнитного поля в окрестностях нейтронной звезды или в ее магнитосфере, но общепринятого мнения о том, как формируется луч, нет. Самое простое предположение состоит в том, что магнитная ось пульсара не совпадает с осью его вращения, тогда направленное излучение из полярных областей может наблюдаться как последовательность импульсов (рис. 16.5).

Рис. 16.5. Схематическая модель пульсара как намагниченной вращающейся нейтронной звезды, у которой магнитная ось не совпадает с осью вращения.

Следует особенно подчеркнуть два обстоятельства в открытии пульсаров, которые оказали сильное влияние на мышление астрофизиков. Во-первых, оно дало первое убедительное астрономическое свидетельство сушествования нейтронных звезд. Заметим, что это «релятивистские» звезды, поскольку их энергия связи составляет 15% энергии покоя. Отсюда нужна только небольшая экстраполяция, чтобы прийти к черным дырам. Во-вторых, на примере пульсара в Крабовидной туманности удалось показать, каким образом в реальном астрономическом объекте гравитационная энергия может с такой высокой эффективностью передаваться релятивистским частицам. Источником энергии всех быстрых частиц в туманности является энергия вращения нейтронной звезды, которая в свою очередь была запасена за счет увеличения гравитационной энергии связи в процессе формирования звезды. До конца не ясно, каким образом энергия вращения передается релятивистским частицам, однако то, что это происходит, следует из близкого совпадения скорости потерь энергии вращения и полной мощности электромагнитного излучения туманности. При анализе механизмов ускорения космических лучей мы рассмотрим, как может осуществляться этот процесс.

16.5.2. Двойные рентгеновские источники. На рис. 16.6 показано положение на небесной сфере в галактических координатах 339 ярчайших рентгеновских источников. Все они содержатся в четвертом каталоге «Ухуру» (п. 7.3.1). Имеется заметная концентрация источников к плоскости Галактики. Вероятно, самым замечательным результатом работы «Ухуру» было открытие рентгеновских пульсаров в тесных двойных системах. Оно убедительно доказало, что большинство галактических рентгеновских источников имеют звездную природу. Эти двойные рентгеновские источники связаны с угасшими звездами: нейтронными звездами и, возможно, черными дырами, которые излучают в результате аккреции, т.е. освобождения энергии вещества, падающего на объект с большим гравитационным потенциалом. Рентгеновские светимости этих источников колоссальны — примерно в 104—105 раз выше полной светимости Солнца. Впоследствии в оптическом диапазоне были открыты нормальные звезды — компоненты этих двойных систем. В результате астрономы получили уникальную возможность, определяя параметры орбит обоих объектов, измерять массы угасших звезд.

На рис. 7.13 показана запись скорости регистрации рентгеновских фотонов от источника Геркулес по наблюдениям на спутнике «Ухуру». Спутник вращался вокруг оси, перпендикулярной оси телескопа, поэтому фотоны регистрировались только тогда, когда они попадали в определяемую коллиматорами диаграмму направленности, которая непрерывно описывала круги по небесной сфере. Диаграмма направленности телескопа имеет треугольную форму, причем максимум совпадает с осью коллиматора. Когда коллиматор пересекает источник, скорость счета меняется в соответствии с диаграммой (рис. 7.13). Но наблюдения обнаружили нечто неожиданное: излучение оказалось импульсным с периодом 1,24 с.

Результаты бодее продолжительных наблюдений источника Геркулес также выполненных на спутнике «Ухуру», показаны на рис. 16.7. Источник

(кликните для просмотра скана)

Рис. 16.7. а — темп прихода фотонов от рентгеновского источника Геркулес Источник виден в течение а затем регулярно исчезает на 6 ч; б - вариации времени прихода импульсов от источника Геркулес которые естественно объясняются орбитальным движением рентгеновского источника в двойной системе [8].

виден в течение затем исчезает на и опять появляется на и т.д. Таким образом, источник регулярно исчезает с периодом сут. Было также найдено, что скорость прихода рентгеновских импульсов (или период пульсара синусообразно меняется со временем. Естественно, приписать оба этих периодических изменения движению источника по круговой орбите. Тогда

где период пульсара в сопутствующей системе отсчета, орбитальная скорость источника, а наклонение орбиты (угол между картинной плоскостью и плоскостью орбиты). Период орбитального движения соответствует периоду «исчезновения» рентгеновского излучения.

И наконец, Геркулес был отождествлен с хорошо известной переменной звездой Геркулеса. Ее период точно совпадает со значением, полученным по затмениям и изменениям периода рентгеновского пульсара (рис. 16.8). Это однозначно указывало на правильность оптического отождествления источника.

Естественно, что астрономы восприняли результаты первых исследований рентгеновских пульсаров как доказательство их принадлежности к двойным звездным системам. Вскоре после этих работ большое число рентгеновских двойных было отождествлено с обычными звездами, которые были главными, «нормальными» компонентами рентгеновских источников. Сейчас известно более 15 рентгеновских пульсаров и у десятка из них также наблюдаются рентгеновские затмения.

Рис. 16.8. Вариации оптического блеска нормальной звезды в системе в сравнении с кривой рентгеновских затмений (рис. 16.7, а) [8].

Сделаем несколько простых оценок, которые покажут, насколько эффективна аккреция в качестве источника энергии. Рассмотрим падение вещества на звезду массы и радиуса Вплоть до поверхности звезды вещество падает примерно со скоростью свободного падения где гравитационный радиус звезды. При ударе о поверхность выделяется кинетическая энергия и нагретое вещество излучает. При темпе аккреции светимость аккрецирующей звезды в ньютоновском приближении равна

В общем случае можно написать где коэффициент характеризует гравитационный потенциал и эффективность аккреции. При падении на белый карлик с см параболическая скорость, или скорость убегания, равна . Нейтронная звезда с имеет Кинетическая энергия при свободном падении ядра на нейтронную звезду соответствует поэтому при столкновении с поверхностью выделяется энергия Для сравнения укажем, что энергия, выделяющаяся при расщеплении урана, равна а при термоядерной реакции синтеза гелия из водорода Ясно, что аккреция вещества на нейтронные звезды является значительно более эффективным механизмом энерговыделения, чем ядерные реакции.

В заключение этого краткого обзора рентгеновских двойных рассмотрим один очень важный результат. Существует верхний предел на светимость объектов, источником энергии которых является гравитация, так называемая критическая эддингтоновская светимость. Рассмотрим полностью ионизованную плазму, на расстоянии от объекта массы М и светимости Поток излучения на расстоянии в предположении сферической симметрии излучения равен Тогда на плазму

действуют две силы: сила гравитационного притяжения

(уравнения записаны для силы, действующей на один протон) и противоположно направленная сила давления излучения, действующая на электроны,

где — томсоновское сечение. Электростатическое взаимодействие связывает электроны и протоны, поэтому можно считать, что обе силы действуют на крепко сцепленную пару частиц. Приравнивая эти силы, получим предельное значение светимости источника — критическую зддингтоновскую светимость

Этот расчет можно уточнять разными способами, но результат будет совпадать с приведенным с точностью до фактора 2.

Как объединить эти результаты, чтобы объяснить свойства двойных пульсирующих рентгеновских источников? Периоды пульсаций сравнимы с периодами радиопульсаров, а их нельзя считать белыми карликами. Аккреция является очень естественным источником энергии в двойных системах, в частности в тех, одним из компонентов которых является массивная голубая звезда с сильным звездным ветром (так называемые -звезды), Ограничения на температуру излучающей поверхности можно получить следующим образом. Верхний предел находится из предположения, что вся кинетическая энергия падающего вещества преобразуется в тепловую энергию, Отсюда для нейтронной звезды получим Нижний предел найдем, считая, что все рентгеновское излучение является планковским с температурой где постоянная Стефана — Больцмана. Светимости двойных рентгеновских источников лежат в диапазоне откуда для нейтронной звезды массы и радиуса получаем Именно при таких температурах плазма является мощным источником рентгеновского излучения. Наконец, отметим, что наблюдаемые рентгеновские светимости примерно соответствуют критической эддингтоновской светимости,

Схематической иллюстрацией изложенной стандартной картины служит рис. 16.9. Пульсар вращается вокруг центра масс системы, а аккреция происходит преимущественно на его полюса, где давление магнитного поля не столь эффективно ей препятствует. Вращение нейтронной звезды приводит к наблюдаемому импульсному излучению.

Естественно, эта модель поставила множество новых задач, связанных с переносом излучения в аккреционных потоках и в магнитосферах

Рис. 16.9. (см. скан) Две модели, показывающие, каким образом намагниченные нейтронные звезды в двойных системах могут стать сильными источниками импульсного рентгеновского излучения, а — главная звезда заполняет полость Роша, образованную эквипотенциальной поверхностью, соединяющей оба компонента. Поэтому происходит перетекание вещества. Вещество падает на вращающуюся нейтронную звезду в район ее магнитных полюсов, нагреваясь при этом до очень высоких температур. Далекий наблюдатель регистрирует импульсное рентгеновское излучение. источником аккрецирующего вещества служит сильный звездный ветер с поверхности главного компонента [12].

нейтронных звезд, которые стимулировали значительное количество теоретических работ.