Что такое пульсары и как работают «маяки Вселенной»
Астрономы не раз сталкивались с явлениями, которые поначалу казались необъяснимыми. Одно из них — загадочные периодические сигналы, приходящие из глубин космоса.
В середине XX века их зафиксировали впервые — идеально регулярные, словно передаваемые гигантским маяком. Сначала даже предположили, что это сообщение от разумной цивилизации. Но правда оказалась куда более захватывающей: за импульсами стояли пульсары — вращающиеся нейтронные звезды, остатки колоссальных взрывов сверхновых.
Что такое пульсары
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пульсирующие импульсы электромагнитного излучения. Название происходит от английского слова pulsar — сокращения от pulsating star (пульсирующая звезда). Сегодня в нашей галактике известно более тысячи пульсаров. Все они — ядра взорвавшихся массивных звезд.
Когда звезда с массой от 8 до 20 солнечных масс заканчивает свой жизненный путь, это происходит с оглушительным взрывом — рождением сверхновой. После него в космос уносится раскаленное облако плазмы, разогнанное до околосветовой скорости и сопровождаемое мощным выбросом электромагнитного излучения и потоком нейтрино, а в центре остается крошечный, но невероятно плотный шар — почти целиком состоящий из нейтронов.
Это нейтронная звезда. Если такая звезда вращается очень быстро и обладает мощным магнитным полем, она превращается в пульсар — один из самых загадочных и экстремальных объектов во Вселенной.
Виды
Пульсары различаются между собой по диапазону электромагнитного излучения, которое они испускают:
Оптические пульсары — излучают в видимом свете и могут быть замечены обычными телескопами.
Радиопульсары — дают радиосигналы, именно благодаря им были обнаружены первые пульсары.
Рентгеновские пульсары — источники рентгеновского излучения, обнаруживаемые с помощью специальных телескопов.
Гамма-пульсары — источники гамма-излучения — самого высокоэнергетического излучения в электромагнитном спектре.
Магнитары — особый класс пульсаров с невероятно мощным магнитным полем, способные вызывать сильнейшие вспышки и сотрясения своей твердой коры.
Характеристики
Представьте себе небесное тело, масса которого превышает солнечную, но сжата в шар диаметром около 20 километров. Для сравнения: Солнце в 300 тысяч раз тяжелее Земли, а здесь все это вещество упаковано в объект размером с небольшой город.
Если это кажется абстрактным, вспомните, что атом почти полностью пустое пространство: ядро — крошечный шарик, а все остальное — пустота, где вращаются электроны. В нейтронной звезде это пространство заполнено нейтронами — материя уплотнена до предела.
Один кубический сантиметр вещества нейтронной звезды весит около 400 миллионов тонн — в несколько раз больше, чем если взять массу всех людей на планете и сжать эту массу до размера кубика сахара. Если бы можно было положить такой кубик на землю, он бы провалился сквозь нее.
С такой плотностью гравитация невероятна: на поверхности нейтронной звезды сила притяжения в 100 миллиардов раз сильнее земной. Если бы вы оказались там, вас мгновенно расплющило бы до толщины нескольких атомов. Гравитация нейтронной звезды — одна из сильнейших в космосе после черных дыр. Если бы она была чуть плотнее, то сама бы стала черной дырой. Свет искривляется вокруг нейтронной звезды так, что можно увидеть не только ее переднюю, но и часть обратной стороны. Поверхность раскалена до миллиона градусов — по сравнению с этим Солнце можно считать «холодным»: температура его поверхности всего около 5,5 тысячи градусов.
Пульсары обладают экстремальными характеристиками: масса около 1,4 солнечной, магнитное поле — самое мощное из известных во Вселенной, до квадриллиона раз сильнее земного. Они вращаются с разной скоростью — от долей секунды до нескольких секунд — создавая регулярные радиоимпульсы, которые при специальной обработке можно преобразовать в звук.
Импульсы пульсаров настолько стабильны, что ученые используют их как сверхточные космические часы — с точностью, превосходящей лучшие земные атомные часы.
Из чего состоят пульсары
Несмотря на то, что это звезды, по своей структуре они отчасти напоминают планеты: твердая кора скрывает под собой жидкое ядро. Кора у пульсара невероятно прочная. Ее самые внешние слои состоят из железа, оставшегося после взрыва сверхновой и сжатого в кристаллическую решетку, по которой течет «море» свободных электронов.
Чем глубже мы спускаемся, тем сильнее гравитация сближает атомные ядра. Доля свободных протонов уменьшается — большинство оказывается связанным в составе сверхплотных ядер. В нижних слоях коры ядра настолько плотно упакованы, что начинают сливаться, образуя длинные цилиндры или пластины — гигантские атомные ядра, по форме напоминающие спагетти или лазанью. Физики называют это «ядерной пастой».
Ядерная паста настолько плотная, что, возможно, является самым прочным материалом во Вселенной — фактически несокрушимым. Комки пасты внутри нейтронной звезды могут образовывать «горы» высотой всего в несколько сантиметров, но по массе в разы превышающие Гималаи.
Наконец, под пастой мы достигаем ядра — и здесь все окутано тайной. Ученые не до конца понимают, как ведет себя вещество при столь чудовищных давлениях. Возможно, протоны и нейтроны там распадаются на свои элементарные составляющие — кварки, — образуя особое вещество, называемое кварк-глюонной плазмой. Некоторые теории предполагают, что часть кварков может переходить в так называемые «странные» кварки, формируя особое состояние вещества — странную материю. Однако подтверждений этому пока нет.
История открытия пульсаров
Пульсары — одно из самых удивительных астрономических открытий XX века. Первый их сигнал был зафиксирован еще в 1965 году, но тогда ученые не сразу поняли, что это такое. Через пару лет была найдена другая похожая «звезда», и лишь спустя некоторое время удалось разгадать загадку этих ритмичных импульсов.
В 1967 году аспирантка Джоселин Белл, работая с радиотелескопом, заметила необычный регулярный сигнал — пульс, который повторялся с точностью до миллисекунд. Это был первый обнаруженный пульсар — нейтронная звезда, быстро вращающаяся и обладающая мощным магнитным полем, посылающая в космос два узконаправленных луча энергии, словно космический маяк.
Хотя именно Белл обнаружила первый пульсар, Нобелевскую премию за это открытие в 1974 году получили ее научный руководитель Антони Хьюиш и коллега Ханс Андерсон.
Первый пульсар в шутку прозвали LGM-1 (Little Green Men) — «Маленькие зеленые человечки», потому что изначально не исключали, что сигналы исходят от разумных инопланетян.
Пульсары бывают разные: одни вращаются медленно — один оборот за несколько секунд, другие находятся в двойных системах, где за счет «подпитки» материей от звезды-спутника раскручиваются до сотен оборотов в секунду. Такие быстрые пульсары называют миллисекундными — они вращаются так быстро, что быстрее просто бы развалились.
Некоторые пульсары продолжают светить тысячелетиями после взрыва. Например, знаменитый пульсар в Крабовидной туманности подпитывает ее свет и заставляет сиять, делая этот объект одним из самых изученных в астрономии.
Сегодня ученые продолжают исследовать пульсары с помощью все более совершенных телескопов и методов, стремясь раскрыть тайны их внутреннего строения и поведения в экстремальных условиях Вселенной.
Как образуются пульсары
Нейтронные звезды — одни из самых экстремальных и по-настоящему ужасающих объектов во Вселенной. Представьте себе гигантское атомное ядро, всего в несколько километров поперек, но по массе сравнимое с целой звездой. Своим существованием они обязаны смерти чего-то великого.
Компьютерная модель «пульсар в коробке» показывает, как электроны (синие) и позитроны (красные) движутся в сильных полях вокруг нейтронной звезды. Светлые оттенки обозначают более высокую энергию частиц.
Звезда живет, пока в ней сохраняется хрупкое равновесие: миллиарды тонн раскаленной плазмы непрерывно тянет внутрь гравитация, сжимая вещество с такой силой, что ядра атомов сливаются. Водород превращается в гелий, высвобождая энергию, которая толкает вещество наружу, сопротивляясь притяжению. Пока эта борьба в равновесии — звезда стабильна.
Но топливо не бесконечно. Когда водород выгорает, звезды среднего размера, как наше Солнце, переходят в стадию гиганта, сжигают гелий, превращая его в углерод и кислород, а затем остывают, становясь белыми карликами. У светил, масса которых во много раз превышает солнечную, все развивается куда драматичнее.
Как только заканчивается гелий, равновесие рушится, и гравитация берет верх. Ядро звезды начинает сжиматься и нагреваться, а внешние слои раздуваются в сотни раз. В недрах звезды быстро синтезируются все более тяжелые элементы: углерод превращается в неон за столетия, неон в кислород — за год, кислород в кремний — за месяцы, а кремний в железо — всего за один день.
И вот наступает конец. Железо — это ядерный пепел. Оно не выделяет энергии и не может сливаться в что-то более тяжелое. Синтез останавливается, а вместе с ним исчезает и сила, противостоявшая гравитации. Ядро оказывается под невообразимым давлением всех вышележащих слоев звезды.
Начинается один из самых удивительных процессов во Вселенной. Электроны и протоны, которые обычно отталкиваются, сливаются, образуя нейтроны, плотно упакованные как в атомном ядре. Железное ядро размером с Землю сжимается до шара величиной с город.
Но сжимается не только ядро — вся звезда коллапсирует, внешние слои падают со скоростью в четверть скорости света. Удар о сверхплотное ядро вызывает отскок и рождает мощнейшую ударную волну. Она вырывается наружу и выбрасывает остальную часть звезды в космос. Это и есть сверхновая — взрыв, который способен затмить целые галактики.
То, что остается, — нейтронная звезда. Она настолько плотная, что масса всего живого человечества уместилась бы в один кубический сантиметр ее вещества.
Как пульсары помогают ученым и инженерам
Пульсары для астрономов — не просто редкие космические «маяки». Их излучение и поведение позволяют решать задачи, которые никакие другие объекты выполнить не могут:
Космические часы — импульсы стабильнее земных атомных часов.
Навигация — позволяют определять координаты космических кораблей без связи с Землей.
Экстремальная физика — дают данные о материи при рекордных давлениях и плотностях.
Гравитационные волны — по сбоям ритма фиксируют колебания пространства-времени.
Карта Галактики — сигналы помогают изучать межзвездный газ.
Проверка гравитации — подтверждают или опровергают Общую теорию относительности в сильных полях.
Пульсары помогли создать самые подробные карты гравитационных волн: исследование
Скорость вращения пульсаров
Как известно, при сжатии вращение объекта ускоряется — фигуристы и балерины, например, прижимают к телу руки, чтобы раскрутиться быстрее. То же происходит и с ядром массивной звезды: после коллапса оно начинает вращаться с немыслимой скоростью.
Нейтронные звезды — это космические балерины, делающие от одного до сотен оборотов в секунду. Некоторые пульсары вращаются так быстро, что за одну секунду успевают повернуться более 700 раз — это в десятки раз быстрее, чем вращаются лопасти турбин реактивного двигателя. Такой рекордсмен — пульсар PSR J1748–2446ad, открытый в 2005 году, — крутится со скоростью 716 оборотов в секунду.
Скорость пульсара может меняться: со временем он постепенно замедляется, теряя энергию из-за излучения, но в двойных системах, где пульсар «подпитывается» материей от звезды-спутника, он способен снова разгоняться до миллисекундных периодов вращения.
Каждый оборот сопровождается прохождением узконаправленного луча радиоволн мимо нашей планеты, и мы фиксируем его как четкий импульс. Именно поэтому пульсары в радиодиапазоне кажутся нам ритмичными, словно космические метрономы.
Магнитное поле пульсара при этом усиливается до чудовищных величин — в триллионы раз сильнее солнечного. Этой силы хватило бы, чтобы стереть магнитную полосу с вашей кредитной карты на расстоянии сотен тысяч километров.
Чем пульсары отличаются от квазаров
Квазары — это чрезвычайно яркие и далекие источники электромагнитного излучения, питаемые сверхмассивными черными дырами в центрах активных галактик. Материя, падая на такую черную дыру, образует раскаленный аккреционный диск — вращающееся кольцо газа и пыли, разогретое до экстремальных температур гравитацией, — и выбрасывает в космос мощные джеты, узкие струи частиц и излучения, которые видны на миллиарды световых лет.
На первый взгляд и пульсары, и квазары — это «космические маяки», посылающие периодические сигналы. Но сходство на этом заканчивается. Пульсар — это компактный остаток взорвавшейся массивной звезды, нейтронная звезда, вращающаяся с высокой скоростью и испускающая узконаправленные пучки радиоволн (а иногда и излучения других диапазонов). Квазар же — объект совершенно другого масштаба: он может быть ярче всей своей галактики, а его излучение рождается не за счет вращения звезды, а благодаря колоссальной гравитационной энергии, выделяющейся при поглощении материи черной дырой.
Главное отличие: пульсары — это сравнительно небольшие объекты (диаметром около 20–25 км) в нашей или соседних галактиках, а квазары — это чудовищно мощные источники энергии в центрах далеких галактик, размер которых может превышать орбиту Солнечной системы. Пульсары «тикают» как часы, а квазары светят непрерывно, иногда меняя яркость, но не в таком регулярном ритме.
Чем опасны пульсары
В целом большинство пульсаров не представляют угрозы для Земли: они находятся на расстояниях в тысячи и десятки тысяч световых лет, и их излучение слишком слабое, чтобы повлиять на нашу планету. Но есть исключения.
Особенно опасны магнитары — нейтронные звезды с магнитным полем в квадриллион раз сильнее солнечного. Они составляют около 10% нейтронных звезд и быстро замедляются, потому что вращение поддерживает магнитное поле, а при замедлении оно ослабевает. Магнитары — самые магнитные объекты во Вселенной и одни из самых потенциально разрушительных. Их кора и магнитное поле связаны: если кора трескается, происходит «звездотрясение» — аналог землетрясения, но в тысячи раз мощнее. Даже сдвиг коры на сантиметр высвобождает колоссальную энергию, вызывая вспышку в миллионы раз ярче Солнца.
В декабре 2004 года магнитар SGR 1806-20, находящийся в 50 тысячах световых лет, излучил настолько мощный рентгеновский и гамма-всплеск, что он частично ионизировал верхние слои земной атмосферы и временно вывел из строя несколько спутников. Если бы он находился в пределах десятков световых лет, последствия для жизни на Земле могли бы быть катастрофическими.
Опасны ли для нас пульсары? «Нет. Они могут быть источниками некоторых космических лучей, доходящих до Земли, но их влияние на отдельного человека практически нулевое», — подчеркнул профессор факультета физики Политехнического университета Вирджинии Джон Симонетти.
Но самые интересные нейтронные звезды — это те, у которых есть «пара». Излучая энергию в виде гравитационных волн — ряби в пространстве-времени, — их орбиты постепенно сближаются, и они могут столкнуться, уничтожив друг друга во взрыве килоновой, выбросив огромное количество вещества. В этот момент условия становятся настолько экстремальными, что вновь образуются тяжелые атомные ядра. Это не синтез, а распад богатого нейтронами вещества и его повторная сборка.
Только недавно мы узнали, что именно так, скорее всего, образуется большинство тяжелых элементов во Вселенной: золото, уран, платина и многие другие. Когда две нейтронные звезды сливаются, они превращаются в черную дыру, умирая во второй раз. Чтобы создать элементы, звездам приходится умереть дважды.
Загадка тяжелых элементов во Вселенной: неожиданные выводы ученых
За миллионы лет эти атомы снова смешиваются с межзвездным газом, а часть оказывается в облаках, которые гравитация сжимает в новые звезды и планеты, повторяя цикл. Наша Солнечная система — лишь один из примеров, и останки тех нейтронных звезд, что были до нас, повсюду вокруг.
Весь наш современный технологический мир построен из элементов, созданных нейтронными звездами в далеком прошлом, отправившими эти атомы в путешествие длиной 13 миллиардов лет, прежде чем они сформировали нас и наш мир.
Частые вопросы
Могут ли пульсары «потухнуть» и перестать излучать?
Да. Со временем пульсары теряют энергию вращения, их магнитное поле слабеет, а лучи перестают быть достаточно интенсивными, чтобы мы могли их зафиксировать. Такие объекты называют «мертвыми» пульсарами — они становятся просто холодными нейтронными звездами.
Есть ли пульсары с планетами?
Да, и именно пульсар стал первой звездой, у которой обнаружили планетную систему — это PSR B1257+12. Ее планеты, правда, вряд ли пригодны для жизни: они находятся под постоянным обстрелом радиацией.
Можно ли использовать пульсары для навигации в космосе?
Можно и уже пробуют. Их стабильные импульсы работают как природные маяки, позволяя космическим аппаратам определять свое местоположение без связи с Землей — аналог GPS, но в галактическом масштабе.
Как астрономы «слышат» пульсары?
Сами по себе пульсары не издают звуков в привычном смысле — это электромагнитное излучение. Но радиосигналы можно преобразовать в аудиофайлы, и тогда ритмичные «тики» или «щелчки» становятся слышны человеческому уху.
Есть ли в нашей Галактике пульсар, который мог бы представлять угрозу?
На сегодняшний день — нет. Все известные потенциально опасные объекты находятся на расстояниях в тысячи и десятки тысяч световых лет, что полностью исключает прямое воздействие.
Главное о пульсарах
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пульсирующие импульсы электромагнитного излучения.
Температура поверхности — до миллиона градусов, магнитное поле — до квадриллиона раз сильнее земного.
По диапазону излучения различают радиопульсары, оптические, рентгеновские, гамма-пульсары и магнитары.
Открыты в 1967 году Джоселин Белл, которая заметила их регулярные радиосигналы.
Скорость вращения — от нескольких секунд до тысячных долей секунды; самые быстрые пульсары совершают сотни оборотов в секунду.
От квазаров пульсары отличаются тем, что являются компактными звездными остатками, а квазары — это активные ядра галактик, питаемые сверхмассивными черными дырами.
Опасность могут представлять лишь редкие магнитары или близкие слияния нейтронных звезд, способные вызвать мощные всплески излучения.
Многие тяжелые элементы на Земле, включая золото и платину, появились именно благодаря взрывам и слияниям нейтронных звезд в прошлом.
Все в космосе, включая планеты, спутники и даже звезды, находится в постоянном движении, которое подчиняется строгим законам. Что их заставляет следовать по своим космическим дорогам? Объяснили, что такое орбита простыми словами и какой она бывает.
На обложке — Визуализация нейтронной звезды Swift J0243.6+6124 с мощным магнитным полем, выбрасывающей джеты во время яркой вспышки. Источник: icrar.org
