Почему нейтронная звезда оказалась пульсаром?

Наблюдения пульсаров убедили нас в том, что это нейтронные звезды. Но до открытия пульсаров быстрые колебания излучения нейтронных звезд теоретически не предсказывались. Теория, таким образом, прошла мимо важного свойства нейтронных звезд. Поэтому теоретикам пришлось искать ответ, почему нейтронная звезда должна быть пульсаром. В некотором отношении теория была близка к такому предсказанию, так как пульсация излучения несомненно была связана с важнейшими свойствами нейтронных звезд: быстрым вращением и большим магнитным полем. Тем не менее до сих пор нет полного объяснения возникновения пульсирующего излучения нейтронных звезд, хотя предлагаются различные гипотезы, объясняющие отдельные особенности явления.

Быстрое осевое вращение и связанный с ним короткий период вращения нейтронной звезды имеют простое механическое объяснение. Согласно закону, сохранения момента вращения звезда, уменьшая вследствие гравитационного коллапса свой радиус с нормальных размеров до 10 км - примерно в сто тысяч раз, - должна уменьшить период своего обращения обратно пропорционально квадрату радиуса, т. е. в нашем случае в 10 млрд. раз. Если взять для примера период осевого вращения Солнца (около 25 суток), то он уменьшился бы до 0.002 с. Заметим, однако, что для звезды с массой Солнца и радиусом 10 км такой период вращения был бы невозможен из-за большой центробежной силы на поверхности, которая превысила бы силу тяготения звезды. В действительности самый короткий период для такого объекта не меньше 0.016 с. С таким периодом вращения начинает существование нейтронная звезда радиусом 10 км и с массой, равной солнечной (начальный период ее вращения был бы, по-видимому, около 200 суток, что вполне соответствует реальному периоду вращения красного гиганта).

Как мы видели, после образования нейтронная звезда постепенно увеличивает период, другими словами, она тормозит свое осевое вращение. Подсчеты для пульсара Крабовидной туманности дают запас механической энергии осевого вращения около 1050 эргов, а изменение периода его пульсаций указывает. на потери энергии вращения порядка 1038 эрг/с. С другой стороны, можно подсчитать мощность всего излучения самой Крабовидной туманности, окружающей пульсар. Она тоже получается около 1038 эрг/с. Следовательно, механическая энергия нейтронной звезды каким-то путем непрерывно превращается в электромагнитную, расходуемую на поддержание излучения Крабовидной туманности. Таким образом, изменение периода пульсации пульсара Крабовидной туманности подтвердило предположения И.С. Шкловского о том, что излучение этого остатка сверхновой поддерживается нейтронной звездой.

Посмотрим теперь, откуда возникает большое магнитное поле нейтронной звезды. При сжатии звезды вследствие гравитационного коллапса магнитный поток (т. е. число силовых линий магнитного поля звезды) должен сохраняться неизменным. Вследствие этого при сжатии радиуса звезды в сто тысяч раз ее поверхность уменьшится в десять миллиардов раз и соответственно возрастет число силовых линий на единицу, поверхности звезды (напряженность магнитного поля) - у обычных звезд напряженность магнитного поля на поверхности 100-1000 Э (например, в солнечных пятнах), следовательно, у нейтронной звезды оно будет 10¹²-10¹³ Э.

При таком большом магнитном поле в нем сосредоточена магнитная энергия звезды; около 10⁴³ эргов. Плотность ее получается около 4 кг/см³, тогда как плотность плазменной оболочки нейтронной звезды близка к плотности межзвездной среды, Таким образом, в плазменной оболочке господствует необычайно сильное магнитное поле. Именно в его свойствах, очевидно, заключаются секреты пульсирующего излучения.

Американский астрофизик Т. Голд указал на важную роль магнитного поля (магнитосферы) нейтронной звезды в образовании космического излучения идущего из остатков сверхновых. Магнитосфера жестко, как одно целое, вращается вместе со звездой, поэтому заряды, находящиеся в ее плазменной оболочке, могут ускоряться центробежной силой осевого вращения звезды вдоль тех магнитных силовых линий, которые удаляются от поверхности звезды (рис. 36). Но очевидно также, что на расстоянии от звезды, где скорость разгона приблизится к световой, магнитное поле уже не может удорожать заряды и они вылетают из своей центрифуга в качестве знакомых нам релятивистских электронов, протонов, позитронов и легких ядер, т. е. космических лучей. Заряды, набирая в магнитосфере скорость, уносят значительную долю энергии вращения нейтронной звезды, вследствие чего ее вращение должно систематически тормозиться. Как мы знаем, космические лучи, выскользнув из магнитосферы звезды, оказываются в магнитной ловушке, созданной запутанным магнитным полем остатка сверхновой. Они и создают синхротронное излучение, например, Крабовидной туманности во всех областях длин волн.

Но должны ли быстро исчерпаться заряды, если магнитное поле выметает их из магнитосферы звезды? Нет, из основ теории, электромагнетизма известно что вращающееся магнитное поле индуцирует вокруг себя электрическое поле. Напряженность его над поверхностью нейтронной звезды около 10¹¹ В/см. Это электрическое поле постоянно срывает с поверхности звезды заряды в магнитосферу и поддерживает ее плотность на одном уровне.

Удивительно точная периодичность импульсов пульсара и их кратковременность указывают на излучение в узком пучке подобно прожектору. Иногда его сравнивают с маяком, на башне которого находится источник направленного света, равномерно вращающийся вокруг вертикальной оси. С моря корабли видят такой маяк в темноте как равномерно вспыхивающий (пульсирующий) сигнал. Изменение поляризации радиоизлучения пульсара в течение всплеска свидетельствует, что источник пульсирующего излучения на нейтронной звезде также участвует во вращении.

В зависимости от природы излучателя он может находиться, вероятно, либо на поверхности, либо в магнитосфере, вращающейся вместе со звездой.

Как показывают наблюдения, область, где образуется пульсирующее излучение, очень невелика, но дает очень мощные потоки - 10¹⁴-10¹⁷ Вт/см² в радиоволнах 10²⁰ Вт/см² - в оптических волнах. Таким мощным потокам при малых размерах излучающих областей (о чем свидетельствуют, как мы уже говорили, малые длительности всплесков сравнительно с периодом пульсации) соответствует невообразимой величины температура: 10²⁴ кельвинов. Реальные температуры такой величины отсутствуют даже в центрах самых горячих звезд и вряд ли осуществлялись в начальную эпоху расширения Вселенной. Если такая температура излучающей области была бы реальна, то мы обнаружили бы очень сильное гамма-излучение, энергетически намного превосходящее действительно обнаруживаемое радиоизлучение. Между тем сильного гамма-излучения не наблюдается, следовательно, излучение имеет явно нетепловой характер, и высокая яркость его говорит не об особом тепловом режиме, а о специфическом физическом процессе такого свечения. Полагают, что пульсирующее излучение нейтронных звезд возникает в результате процесса с энергетической накачкой, такой, какая осуществляется в мазерах и лазерах {в мазерах излучение атомов и молекул происходит в радиодиапазоне, а в лазерах в оптическом). В астрофизике найдено несколько явлений такой природы: некоторые всплески радиоизлучения Солнца и излучение космических мазеров. Именно мазерные процессы могут создавать высокие по яркости, прожекторно направленные и поляризованные пучки излучения, которые аналогичны наблюдаемым у пульсаров.

Первоначально предполагалось, что источниками такого излучения могут быть своего рода пятна на поверхности нейтронной звезды (было даже предположение о вулканах в кристаллизованной коре), но вскоре стало ясно, что здесь важную роль играет характер магнитного поля нейтронной звезды. В космосе мы чаще встречаемся с двухполюсным (дипольным) магнетизмом, примером могут служить магнитные поля планет Земли и Марса, хотя магнитное поле Солнца имеет иной характер. Но существуют, по-видимому, и звезды с дипольным моментом магнитного поля. Силовые линии в нем идут от поверхности звезды только у магнитных полюсов. Именно вдоль магнитной оси нейтронной звезды и должны работать центрифуга, рождающая космические лучи, и мазерный механизм излучения. Правда, если магнитная ось и ось вращения совпадают, то это излучение будет замечено лишь в том случае, когда ось направлена на наблюдателя, и объект не будет казаться пульсирующим. Но это исключительно редкий случай. Существование пульсаров свидетельствует о том, что обычно магнитная ось не совпадает с осью вращения нейтронной звезды. В этом случае будет осуществляться пульсация излучения по принципу вращающегося маяка.

Из сказанного следует, что не все молодые нейтронные звезды могут нами наблюдаться в виде пульсаров, а только те, у которых магнитная ось при вращении оказывается близкой к лучу зрения. Поэтому конус пучка излучения пульсара пересекает - его. Но такие совпадения, естественно, редки из-за узости пучков, вследствие чего в большинстве остатков оболочек сверхновых и не обнаружено пульсаров, хотя именно они, может быть, ответственны за излучение остатков. Просто сигналы их маяков проскальзывают далеко от Земли.

Итак, только что образовавшаяся нейтронная звезда является пульсаром, но, расходуя свою энергию вращения на рождение космических лучей, она за 10-100 млн. лет должна исчерпать значительную часть своей энергии и погасить свое пульсирующее излучение. К этому времени мощность пульсара слабеет, вырабатываемые им релятивистские частицы имеют малую энергию и не выметают так далеко межзвездный газ вокруг магнитосферы звезды, как это они делали раньше. При мощности излучения пульсара ниже 10²⁵ Вт размеры зоны выметенного межзвездного газа становятся меньше радиуса действия сил гравитации и газ уже может падать на плотную поверхность нейтронной звезды.

Падение межзвездного газа на нейтронную звезду оказывается неожиданным подарком для нее. Но здесь не получается простое повторение явления радиопульсара. Гигантское тяготение звезды разгоняет падающие к ее поверхности частицы до скоростей около 100000 км/с. Кроме того, частицы, ионизуясь излучением звезды, становятся заряженными и подвергаются воздействию магнитного поля звезды, которое гонит заряды вдоль силовых линий к ее полюсам. Именно возле магнитных полюсов, где силовые линии входят в поверхность звезды, частицы сталкиваются с поверхностью. При этом значительная доля их массы (20-50%) превращается в энергию. Это в десятки раз более эффективный источник энергии чем термоядерные процессы (о нем впервые упомянул Я.Б. Зельдович). Таким путем плазма нейтронной звезды у магнитных полюсов нагревается до десятков миллионов кельвинов и начинает излучать рентгеновские лучи. Нейтронная звезда снова, проявляет себя как пульсар, но на этот раз как рентгеновский.

Несмотря на малую плотность межзвездного газа его все же оказывается достаточно, чтобы продлить стадию пульсара вдвое. Если же нейтронная звезда образовалась в тесной двойной системе, то материалом для питания энергией рентгеновского пульсара становится газ, выбрасываемый соседней нормальной звездой. Если эта звезда имеет высокую температуру на поверхности, то сильный поток энергии из ее недр сдувает в окружающее пространство, разреженную плазменную оболочку (звездную корону, а само явление, как мы знаем, носит название "звездного ветра"). Частицы звездного ветра, приходящие к нейтронной звезде, и становятся добычей рентгеновского пульсара. Когда же звезда представляет собой разреженный холодный сверхгигант, заполняющий целиком зону, где собственная сила его тяготения превышает тяготение пульсирующего компаньона, то, как мы уже видели в случае новых звезд (см. рис. 14), через брешь в зоне тяготения вещество от сверхгиганта попадает в зону тяготения нейтронной звезды. Естественно, что рентгеновская стадия пульсара в тесной двойной системе может длиться намного дольше, чем у одинокой нейтронной звезды.

В тесной двойной системе между стадией радиопульсара и стадией пожирания межзвездного вещества рентгеновским пульсаром имеется кратковременная эпоха, когда магнитосфера нейтронной звезды уже слаба для создания сильного радиоизлучения, но достаточно сильна, чтобы отбрасывать частицы звездного ветра. Получается явление, похожее на отбрасывание воздушным винтом сильного потока воздуха. По аналогии эта переходная стадия носит название "пропеллера".

Завершая на этом описание свойства пульсаров и гипотез, объясняющих основные, их свойства, мы должны отметить, что, несмотря на большой размах наблюдательных и теоретических исследований пульсаров, а еще ранее - нейтронных звезд, пока еще не найдено окончательной, универсальной схемы, объясняющей все явления, наблюдаемые в пульсарах. Но неослабевающий интерес к ним создает уверенность, что в недалеком будущем теория пульсаров будет завершена.

В конце концов пульсары оказались частью проблемы сверхновых звезд, неожиданной по богатству фактов иллюстрацией финальной стадии ядра взорвавшейся звезды. Это с новой силой возвращает астрофизиков к изучению центральной проблемы: к причинам взрыва сверхновой, к механизму ее взрывного процесса, к стадии разгорания ее вспышки, когда внешняя и внутренняя области звезды устремляются в противоположных направлениях - оболочка разлетается, а ядро сжимается в нейтронную звезду. Уже сейчас, до окончательного решения основных: загадок пульсаров, приобретает важность вопрос о взаимодействии нейтронной звезды с остатком сверхновой. И таких вопросов в проблеме сверхновых еще немало