Рентгеновские пульсары. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновские пульсары - источники переменного периодич. рентг. излучения, представляющие собой вращающиеся нейтронные звёзды с сильным магн. полем, излучающие за счёт аккреции. Магн. поля на поверхности рентгеновского пульсара ~ 10¹¹ -10¹⁴ Гс. Светимости большинства рентгеновских пульсаров от 10³⁵ до 10³⁹ эрг/с. Периоды следования импульсов Р от 0,07 с до неск. тыс. секунд. Рентгеновские пульсары входят в тесные двойные звёздные системы (см. Тесные двойные звёзды ),вторым компонентом к-рых является нормальная (невырожденная) звезда, поставляющая вещество, необходимое для аккреции и нормального функционирования рентгеновского пульсара. Если второй компонент находится на стадии эволюции, когда скорость потери массы мала, нейтронная звезда не проявляет себя как рентгеновский пульсар. Рентгеновские пульсары встречаются как в массивных молодых двойных звёздных системах, относящихся к населению I Галактики и лежащих в её плоскости, так и в маломассивных двойных системах, относящихся к населению II Галактики и принадлежащих к её сферич. составляющей. Рентгеновские пульсары открыты также в Магеллановых Облаках. Всего открыто ок. 30 рентгеновских пульсаров.

Рис. 1. Запись излучения рентгеновского пульсара Кентавр Х-3, полученная со спутника «Ухуру» 7 мая 1971. По вертикальной оси - число отсчётов за временной интервал 1 бин = 0,096 с, по горизонтальной - время в бинах. Регистрируемый поток максимален, когда источник находится в центре поля зрения счётчика, ограниченного коллиматором. Из-за вращения спутника регистрируемый средний поток сначала нарастает, а затем спадает. На эту простую зависимость от времени наложены периодические пульсации, связанные с собственной переменностью источника.

Рис. 2. Долгопериодическая переменность рентгеновского излучения источника Кентавр- Х-3 (нижний график, N - число отсчётов, с^-t). Видны характерные рентгеновские затмения. На верхнем графике приведены изменения периода Р, доказывающие движение пульсара вокруг центра масс двойной системы (А 1,387-10^-3).

На нач. этапе исследований рентг. объектам присваивались наименования по созвездиям, в к-рых они находятся. Напр., Геркулес Х-1 означает первый по рентг. яркости объект в созвездии Геркулеса, Кентавр Х-3 - третий по яркости в созвездии Кентавра. Рентгеновские пульсары в Малом Магеллановом Облаке обозначается как SMC Х-1, в Большом Магеллановом Облаке - LMC Х-4 [часто встречающаяся в обозначениях рентг. источников буква X - от англ. X-rays (рентг. лучи)]. Обнаружение со спутников большого числа рентг. источников потребовало др. системы обозначений. Напр., 4U 1900-40 соответствует обозначению рентгеновского пульсара Паруса Х-1 в четвёртом каталоге спутника «Ухуру» (США). Первые четыре цифры обозначают прямое восхождение (19 ч 00 мин), вторые две вместе со знаком дают склонение объекта (см. Координаты астрономические ).Аналогичный смысл имеют цифры в обозначении источников, открытых спутником «Ариэль» (Великобритания), напр. А0535 + 26. Обозначения типа GX1+4 относятся к источникам в центр. области Галактики. Цифры соответствуют галактич. координатам l и b (в данном случае l = 1°, b = +4°). Употребляются и др. обозначения. Так, открытый с борта советских АМС «Венера-11, -12» в эксперименте «Конус» вспыхивающий рентгеновский пульсар с периодом около 8 секунд получил наименование FXP0520-66.

Переменность излучения рентгеновских пульсаров. Короткопериодич. переменность рентг. излучения рентгеновского пульсара иллюстрирует рис. 1, на к-ром приведена запись излучения одного из первых открытых рентгеновских пульсаров - Кентавра Х-3 (май 1971, спутник «Ухуру»). Период следования импульсов Р = 4,8 с.

На рис. 2 показана долгопериодич. переменность Р. п. Кентавр Х-3. Раз в двое суток Р. п. периодически «исчезает» (затмевается) на 11 ч (ниж. график). Тщательные исследования показали также, что Р зависит от фазы двухдневного периода Т = 2,087 сут по гармонич.

закону (верх. график): где

- изменение Р, Р₀ - невозмущённое значение Р, А - амплитуда относит. изменения Р, t₀ соответствует одному из моментов, когда отклонение периода максимально. Эти два факта интерпретируются однозначно: Р. п. входит в двойную систему с орбитальным периодом, равным Т. «Исчезновения» объясняются затмениями Р. п. вторым компонентом двойной системы. По продолжительности затмения можно сделать вывод о том, что второй (затмевающий) компонент заполняет свою полость Роша .Периодич. изменения Р обусловлены эффектом Доплера при орбитальном движении Р. п. вокруг центра масс двойной системы. Амплитуда изменения периода

, где i - угол наклонения орбиты двойной системы (в этой системе близок к 90°), v - скорость орбитального движения Р. п.; v sin i = 416 км/с, эксцентриситет орбиты мал. Рентг. затмения обнаружены далеко не во всех двойных системах с Р. п. (для наблюдения затмений необходимо, чтобы луч зрения был близок к плоскости орбиты двойной системы), а периодич. изменения Р - в большинстве двойных систем с Р. п.

Рис. 3. Упрощённая картина аккреции на замагниченную нейтронную звезду в двойной системе. Газ поступает к звезде как в геометрически тонком диске, так и сферически-симметричным образом. Реальная магнитосфера имеет более сложную форму, чем это изображено на рис. а ( и М - угловая скорость вращения и магнитный момент нейтронной звезды). Условия вмораживания плазмы в магнитосферу благоприятны не на всей её поверхности. Вмороженная плазма течёт вдоль магнитных силовых линий к магнитным полюсам (стрелки). Вблизи полюсов аккреционный канал представляет собой незамкнутый венец (б).

После открытия Р. п. в его окрестности обычно быстро находят переменную оптич. звезду (второй компонент двойной системы), блеск к-рой меняется с периодом, равным орбитальному или в два раза меньшим (см. ниже). Кроме того, спектральные линии оптич. компонента испытывают доплеровский сдвиг, периодически изменяющийся с орбитальным периодом двойной системы. Оптич. переменность двойных систем с Р. п. обусловлена двумя эффектами. Первый эффект (эффект отражения) наблюдается в системах, в к-рых светимость оптич. звезды меньше светимости Р. п. Сторона звезды, обращённая к Р. п., прогревается его рентг. излучением и в оптич. лучах оказывается ярче, чем противоположная сторона. Вращение двойной системы приводит к тому, что наблюдается то более яркая, то менее яркая сторона звезды. Такой эффект наиб. отчётливо проявляется в системе, включающей Р. п. Геркулес Х-1 и звезду HZ Геркулеса. На единицу поверхности этой звезды, обращённой к рентг. источнику, падает в тридцать раз больше энергии в виде рентг. излучения, чем поступает из недр звезды. В результате амплитуда оптич. переменности превышает 2^т в фильтре В (см. Астрофотометрия ).Часть рентг. излучения отражается атмосферой звезды, но осн. доля поглощается ею и перерабатывается в оптич. излучение, к-рое слабо пульсирует с периодом Р. Часть энергии уходит на эфф. нагревание вещества на поверхности, сопровождающееся формированием т. н. индуциров. звёздного ветра. Второй эффект, называемый эффектом эллипсоидальности, связан с тем, что форма звезды, заполняющей полость Роша, заметно отличается от сферической. В результате два раза за орбитальный период к наблюдателю обращена б. ч. поверхности и два раза - меньшая. Такая переменность с периодом, вдвое меньшим орбитального периода, наблюдается в двойных системах, где светимость оптич. компонента намного превышает рентг. светимость Р. п. В частности, именно благодаря такой переменности был открыт нормальный компонент источника Кентавр Х-3.

Аккреция на нейтронную звезду с сильным магнитным полем. В тесных двойных звёздных системах возможны два осн. типа аккреции: дисковая и сферически-симметричная. Если перетекание вещества идёт преим. через внутр. точку Лагранжа (см. в ст. Полость Роша ),то перетекающее вещество обладает значит. уд. моментом кол-ва движения и вокруг нейтронной звезды образуется аккреционный диск. Если нормальная звезда теряет вещество посредством звёздного ветра, то возможны формирование ударной волны и близкая к сферически-симметричной аккреция за ней.

Рис. 4. Профили импульсов ряда рентгеновских пульсаров. Приведены интервалы энергий, для которых получены данные, и периоды Р.

Рис. 5. Зависимость профиля импульсов от энергии для двух рентгеновских пульсаров.

Рис. 6. Спектры ряда рентгеновских пульсаров. Заметна рентгеновская линия железа с hv 6,5- 7 кэВ.

Свободное падение (при сферически-симметричной аккреции) возможно лишь на больших расстояниях R от звезды. На расстоянии Л_м ~ 100-1000 км (радиус магнитосферы) давление магн. поля нейтронной звезды

сравнивается с давлением аккрецирующего потока вещества

(

- плотность вещества) и останавливает его. В зоне R < R_M формируется замкнутая магнитосфера нейтронной звезды (рис. 3, а), вблизи R_M возникает ударная волна, в к-рой плазма охлаждается излучением Р. п. за счёт комптоновского рассеяния. Благодаря неустойчивости Рэлея- Тейлора становится возможным проникновение капель плазмы внутрь магнитосферы, где происходит их дальнейшее дробление и вмораживание в магн. поле. Магн. поле канализирует поток аккрецирующей плазмы и направляет её в область магн. полюсов (рис. 3, б). Зона, на к-рую выпадает вещество, по-видимому, не превышает по площади 1 км². На поверхности нейтронной звезды гравитац. энергия связи на единицу массы

. Поток выпадающего на звезду вещества, необходимый для поддержания светимости L_x ~ 10³⁵-10³⁹ эрг/с, равен

в год. На 1 см² поверхности выпадает более тонны вещества в секунду. Скорость свободного падения составляет 0,4 с.

В Р. п. со светимостью L_x < 10³⁶ эрг/с падающие протоны и электроны тормозятся в атмосфере (образованной веществом, выпавшим на нейтронную звезду за ничтожные доли секунды до этого) за счёт ядерных и кулоновских столкновений. Выделяющаяся энергия излучается слоем, поверхностная плотность к-рого ок. 10-20 г/см², а толщина - неск. метров. Существует предположение, что может возникнуть тонкая (неск. см) бесстолкновительная ударная волна, в к-рой выделяется вся кинетич. энергия аккрецирующего потока.

Рис. 7. Зависимость периода Р (в с) от времени для ряда рентгеновских пульсаров.

В Р.п. со светимостью, близкой к 5*10³⁶ эрг/с, колоссальное энерговыделение в зоне магн. полюсов приводит к тому, что сила давления излучения (см. Давление света)на падающие электроны способна остановить поток аккрецирующего вещества. Вблизи поверхности нейтронной звезды (на высоте меньше 1 м) может сформироваться радиац--доминиров. ударная волна. В такой ударной волне давление излучения намного превышает давление плазмы. Падающие на звезду электроны тормозятся силой давления излучения, обусловленной томсоновским рассеянием излучения, идущего снизу. Одновременно останавливаются связанные с электронами электростатич. силами протоны, несущие осн. кинетич. энергию. Эта энергия расходуется на увеличение энергии фотонов вследствие их многократных рассеяний на высокоскоростных электронах (комптонизации). Часть «жёстких» фотонов уходит к наблюдателю, а часть попадает в плотные слои атмосферы (нейтронной звезды), нагревая её. В этих слоях вследствие тормозного излучения рождаются многочисл. «мягкие» фотоны, к-рые, испытывая томсоновское рассеяние на падающих электронах, тормозят падающее вещество.

Если светимость Р. п. превышает 10³⁷ эрг/с, то над поверхностью нейтронной звезды в районе магн. полюсов формируется аккреционная колонка. Радиац. доминиров. ударная волна возникает на большой высоте над поверхностью нейтронной звезды (сотни метров и даже километров). В ней происходит торможение потока. Под ударной волной осуществляется режим оседания. Излучение уходит через боковую поверхность колонки, вещество же в ней медленно оседает, выделяя гравитац. энергию, превращающуюся в тепло и излучение. Силам гравитации противодействует градиент давления излучения, запертого в радиац--доминиров. колонке. Колонка может обеспечить светимость, намного превышающую критическую светимость, т. к. с боков она удерживается магн. полем, а не силами гравитации. Более того, если магн. поле нейтронной звезды превышает 10¹³ Гс, то в основании колонки темп-pa плазмы и излучения достигает 10¹⁰ К. При таких темп-pax происходят процессы рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Нейтрино, образующиеся в реакции

, уносят осн. долю светимости. Рентг. светимость (превышающая критическую) составляет малую долю нейтринной светимости

, причём светимости SMC Х-1 и LMC Х-4 ~ 10^м эрг/с, т. е. намного превышают критическую. Эти объекты имеют, по-видимому, и значит. нейтринную светимость. Излучаемые нейтрино прогревают недра нейтронной звезды и, поглощаясь в недрах нормального компонента двойной системы, дают малый вклад в его оптич. светимость. Поток аккрецирующего вещества в таких объектах может достигать (10^-6-10^-5)

в год. В этом случае возможна ситуация, когда за 10⁶-10⁵ лет «работы» Р. п. на нейтронную звезду выпадает ок. 1

вещества, будет превышен предел устойчивости для нейтронных звёзд, произойдёт гравитационный коллапс ,сопровождаемый взрывом сверхновой звезды редко встречающегося типа и образованием чёрной дыры. Это может произойти лишь при дисковой аккреции, когда давление излучения не препятствует аккреции на больших расстояниях от тяготеющего центра.

Формирование профилей импульсов и спектры излучения рентгеновских пульсаров. Выделение энергии в огранич. зоне вблизи полюсов нейтронной звезды в совокупности с её вращением приводит к феномену пульсара: наблюдатель видит излучающую зону под разными углами и принимает переменный во времени поток рентг. излучения. Период Р равен периоду вращения нейтронной звезды. Наличие сильного магн. поля может приводить к направленности излучения. В зависимости от соотношения между энергией фотонов hv, напряжённостью магн. поля H и температурой плазмы Т_е могут формироваться как «карандашная», так и «ножевая» диаграммы направленности. Важнейший параметр - гирочастота (циклотронная частота) электрона

. Степень направленности является функцией отношений

. Диаграмма направленности определяет форму профиля импульсов Р. п. Профили импульсов ряда Р. п. приведены на рис. 4. Вид профилей у многих Р. п. изменяется с увеличением энергии фотонов (рис. 5).

Спектр излучения нейтронной звезды должен быть многокомпонентным. Излучают ударная волна, аккреционная колонка, поверхность нейтронной звезды вблизи основания колонки, плазма, текущая по магнитосфере к полюсам нейтронной звезды. Эта плазма поглощает жёсткое излучение колонки и переизлучает его в «мягком» рентг. диапазоне как в континууме (непрерывном спектре), так и в рентг. линиях (характеристических и резонансных) ионов тяжёлых элементов. Спектры (рис. 6) решающим образом зависят от светимости Р. п. и напряжённости магн. поля, поэтому они сильно отличаются друг от друга.

Если потоки плазмы на магнитосфере Р. п. высокой светимости не покрывают всю её поверхность, то образуются «окна», в к-рые свободно выходит «жёсткое» излучение, в то время как др. направления для него закрыты из-за большой оптич. толщи потоков плазмы. Вращение нейтронной звезды должно приводить к пульсациям излучения. Это ещё один механизм формирования профиля рентг. импульсов.

Важнейшим этапом в изучении Р. п. явилось открытие гиролинии [спектральной линии, обусловленной циклотронным излучением (либо поглощением) электронов] в спектре Р. п. Геркулес Х-1. Открытие гиролинии дало метод прямого эксперим. определения магн. полей нейтронных звёзд. Гиролиния в спектре Р. п. Геркулес Х-1 соответствует hv_H = 56 кэВ. Согласно соотношению hv_H = 1,1 (H/10¹¹ Гс) кэВ, напряжённость магн. поля на поверхности этой нейтронной звезды

5*10¹² Гс.

Ускорение и замедление вращения нейтронных звёзд. В отличие от радиопульсаров (нек-рые из них, в частности пульсары в Крабе и Парусах, излучают в рентг. диапазоне), излучающих за счёт энергии вращения замагниченной нейтронной звезды и увеличивающих свой период со временем, Р. п., излучающие за счёт аккреции, ускоряют своё вращение. Действительно при дисковой аккреции вещество, выпадающее на магнитосферу, имеет заметный уд. момент кол-ва движения. Вмораживаясь в магн. поле, аккрецирующая плазма движется к поверхности звезды и передаёт ей свой момент кол-ва движения. В результате вращение звезды ускоряется и период следования импульсов уменьшается. Этот эффект характерен для всех Р. п. (рис. 7). Однако иногда наблюдается и замедление вращения. Это возможно в случае, если изменяется темп аккреции либо направление момента кол-ва движения аккрецирующего вещества. Среди механизмов, приводящих к увеличению периода, обсуждается т. н. пропеллерный механизм. Предполагается, что асимметричная атмосфера нейтронной звезды вращается в атмосфере, созданной аккрецирующим со звуковой скоростью газом, при этом генерируются звуковые или ударные волны, возбуждаются конвективные течения, отводящие момент количества движения от магнитосферы к звёздному ветру, обтекающему нейтронную звезду.

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.