Глава 20 Пульсары и туманности — остатки вспышек сверхновых звезд

Глава 20 Пульсары и туманности — остатки вспышек сверхновых звезд

Собственно говоря, вывод о том, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, отнюдь не явился неожиданностью. Можно сказать, что его подготовило все развитие астрофизики за предшествующее открытию пульсаров десятилетие. К 1967 г. астрономы уже не сомневались в том, что в результате вспышки сверхновой звезды может образоваться нейтронная звезда. Более того, ряд фактов, добытых из простого анализа результатов наблюдений, прямо указывал на такой процесс. В третьей части этой книги мы много говорили о Крабовидной туманности, этой подлинной лаборатории современной астрофизики. В частности, там обращалось внимание на то, что «предоставленная самой себе» эта туманность перестала бы светиться в течение какой-нибудь сотни лет, между тем как она в действительности существует около 1000 лет. Как уже говорилось, причина свечения Крабовидной туманности — торможение заключенных в ней релятивистских электронов в магнитном поле туманности. Тот простой факт, что, несмотря на это, туманность все-таки излучает в оптической области спектра многие сотни лет, мог означать только одно: в ней имеется постоянно работающий источник «накачки» релятивистских электронов. Прямые наблюдения явно указывали на место этого источника — в самом центре Крабовидной туманности, около слабой звездочки 16-й величины, которую один из величайших астрономов-наблюдателей XX века Вальтер Бааде интуитивно считал оптическим остатком взорвавшейся в начале июля 1054 г. звезды. Тот же Бааде обнаружил удивительную изменчивость туманности в малой области, непосредственно примыкающей к этой звездочке. Об этом уже шла речь в § 17. Согласно измерениям Бааде скорость изменения отдельных «жгутов» туманности достигала 30 000 км/с, т. е. 1/10 скорости света. Это явно указывало, что процессы, вызывающие эти изменения, связаны с выбрасыванием из какой-то малой области огромного количества быстрых частиц. Наконец, радиоастрономические наблюдения, выполненные английскими исследователями во время покрытия Крабовидной туманности Луной, непосредственно привели к открытию очень малого источника (угловые размеры около 0 ,5), расположенного в ее центре (см. § 17). Теперь-то мы знаем, что этот маленький источник радиоизлучения и есть пульсар, открытый только спустя четыре года после того как его обнаружили во время наблюдений покрытия Крабовидной туманности Луной. Его конечные, хотя и очень маленькие угловые размеры не являются «истинными»: они обусловлены рассеянием радиоизлучения от почти «точечного» источника. В истории науки было много случаев, когда задолго до того, как открытие было сделано, его «видели», но не поняли. Мы убедимся дальше, что пульсар в Крабовидной туманности астрономы наблюдали по крайней мере сотню лет, не подозревая, что это такое!

Вернемся, однако, к пульсарам. Да, их открытие буквально «стучалось в двери» астрономии. В теоретическом плане почти вплотную к открытию пульсара в Крабовидной туманности подошли Пиддингтон и, особенно, Н. С. Кардашев в 1964 г. Кардашев это сделал, исследуя трудную проблему происхождения магнитного поля Крабовидной туманности. В § 17 мы уже обращали внимание, что это поле отличается удивительной регулярностью. Оно отнюдь не представляет собой клубок беспорядочно намотанных магнитных силовых линий, как это, казалось бы, можно было ожидать. Кроме того, это поле само по себе достаточно велико и чрезвычайно медленно спадает от центра туманности к ее периферии. Для объяснения удивительных особенностей магнитного поля Крабовидной туманности Н. С. Кардашев предложил следующую простую и изящную модель. В результате вспышки сверхновой звезды ее внутренние части катастрофически сжимаются (коллапсируют). Хотя размеры звезды уменьшаются в сотню тысяч раз, две важные величины должны сохранить неизменное (или, точнее, почти неизменное) значение. Это, во-первых, момент количества движения, и во-вторых, магнитный поток. Момент количества движения любого космического тела можно определить как произведение экваториальной скорости его осевого вращения на его массу и на радиус:

(20.1)

Закон сохранения момента количества движения при любых процессах, происходящих в физическом теле, есть один из основных законов механики. Выше, правда, мы сделали оговорку, что момент количества движения «почти сохраняется». Что это означает? Это означает только то, что часть вещества взорвавшейся звезды вместе с некоторой частью первоначального момента количества движения выбрасывается наружу, в межзвездное пространство. Все же существенная, если не большая часть первоначального «вращательного момента» звезды сохраняется. В процессе катастрофического сжатия звезды ее масса (за вычетом выброшенной во время взрыва части) не меняется. Радиус же, как уже говорилось, уменьшается в сотню тысяч раз. Следовательно, из условия сохранения момента количества движения следует, что экваториальная скорость сжимающейся звезды должна увеличиться во столько раз, во сколько уменьшился ее радиус. На конечной стадии сжатия, когда образуется нейтронная звезда, ее экваториальная скорость вращения может быть огромной, даже близкой к скорости света! Нелишне подчеркнуть, что если первоначальная скорость вращения звезды (до взрыва) была сравнительно велика и если масса выброшенного во время взрыва вещества была сравнительно небольшой (что связано с небольшой потерей первоначального вращательного момента!), то задолго до того, как коллапсирующая звезда станет нейтронной, ее сжатие остановит центробежная сила, которая сравняется с силой сжимающего звезду гравитационного притяжения. Это обстоятельство, конечно, накладывает важные ограничения на сам процесс взрыва сверхновой.

Итак, первоначальная экваториальная скорость «только что» образовавшейся в результате гравитационного коллапса звезды должна быть огромной. С другой стороны, эта скорость связана с периодом вращения очевидной формулой

(20.2)

откуда

(20.3)

так как 3 1/R. Отсюда следует, например, что если в процессе катастрофического сжатия радиус звезды уменьшился, скажем, в 100 000 раз, то период ее вращения уменьшился в 10 миллиардов раз! Например, если бы наше Солнце, которое очень медленно вращается вокруг своей оси с периодом около 27 суток, вдруг превратилось бы в нейтронную звезду, то период вращения последней был бы около одной десятитысячной доли секунды!

Таким образом, из простого закона механики следует, что нейтронные звезды должны очень быстро вращаться. То, что ожидаемые периоды нейтронных звезд значительно короче наблюдаемых периодов пульсаров, не должно нас смущать: объяснение этому будет дано ниже.

Столь же естественно получается, что образовавшиеся вследствие коллапса нейтронные звезды должны быть сильно намагничены. Это — прямое следствие закона сохранения магнитного потока, который можно записать следующим образом (см. также § 16):

(20.4)

откуда следует, что при сжатии звезды магнитное поле на ее поверхности меняется обратно пропорционально квадрату радиуса. Сам закон сохранения магнитного потока попросту означает «неуничтожаемость» магнитных силовых линий, прочно «привязанных» к проводящему электричество веществу сжимающейся звезды. Посмотрим теперь, к чему приводит этот закон. Допустим, что до взрыва магнитное поле на поверхности звезды было очень слабое, например, было близко к одному эрстеду. Такое поле, например, имеется на поверхности Земли. Тогда оказывается, что магнитное поле образовавшейся после гравитационного сжатия нейтронной звезды будет иметь огромное значение в десять миллиардов эрстед! Ничего похожего ни в одной физической лаборатории мира никогда не получалось. Физики умеют создавать в ограниченной области на короткое время, исчисляемое микросекундами, магнитные поля напряженностью в несколько миллионов эрстед. Такие магнитные поля, какие следует ожидать на нейтронных звездах, им, как говорится, и не снились...

По мысли Н. С. Кардашева регулярное магнитное поле в Крабовидной туманности есть следствие «закручивания» поля нейтронной звезды в окружающей ее плазме, заполняющей некоторый вращающийся диск, имеющий магнитную связь с коллапсирующей звездой. Расчеты, выполненные Н. С. Кардашевым, показали, что за время жизни Крабовидной туманности таким способом могло «намотаться» поле нужной величины.

Рис. 20.1: Модель пульсара по Голду.

Работа Н. С. Кардашева была нацелена не столько на предсказание удивительных свойств образующихся при вспышках сверхновых нейтронных звезд, сколько на объяснения «квазирегулярного» магнитного поля Крабовидной туманности. Все же в ней совершенно четко подчеркивались два основных свойства образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд: а) огромная скорость осевого вращения, б) исключительно большая величина напряженности их магнитного поля. В появившейся в 1967 г. (т. е. примерно за год до публикации первой работы об открытии пульсаров) работе итальянского астронома Ф. Пачини также было обращено внимание на эти два основных свойства нейтронных звезд. В этой работе итальянский исследователь сделал важный акцент на тот простой факт, что кинетическая энергия вращающейся нейтронной звезды будет переходить в электромагнитную энергию и по этой причине ее период вращения будет непрерывно расти. По существу, то же предсказание о непрерывной потере кинетической энергии вращения нейтронной звезды сделал и Н. С. Кардашев тремя годами раньше. Ведь энергия магнитного поля Крабовидной туманности по его концепции черпается за счет кинетической энергии вращения нейтронной звезды, которая по этой причине должна тормозиться. Заслуга Пачини, однако, состоит в том, что он эту простую идею высказал в четкой и ясной форме. Это тоже имеет большое значение в истории науки!

Пожалуй, первый ученый, сказавший, что только что открытые пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, был известный американский астроном Т. Голд. Именно ему принадлежит простая модель пульсара, схематически изображенная на рис. 20.1. Для этой модели существенно, что магнитная ось нейтронной звезды, одновременно являющаяся осью конуса, в пределах которого по некоторым причинам сосредоточено мощное радиоизлучение, не совпадает с ее осью вращения. По этой причине при «благоприятном» положении наблюдателя по отношению к вращающейся нейтронной звезде он будет принимать от этой звезды радиоимпульсы, разделенные одинаковыми интервалами времени. Почти одновременно с Голдом такое же объяснение феномена пульсаров дал и Пачини, который вполне уже мог ссылаться на свою упомянутую выше теоретическую работу, опубликованную до открытия пульсаров. В этой работе, как мы видели, содержится важное теоретическое предсказание, что периоды вращения у всех нейтронных звезд должны со временем расти. Очень скоро путем прямых наблюдений была показана справедливость этого прогноза. Например, в начале 1969 г. с помощью гигантского радиотелескопа Пуэрто-Рико американские радиоастрономы Ричарде и Комелла нашли, что период пульсара Крабовидной туманности регулярно растет на 36 наносекунд в день (наносекунда — одна миллиардная часть секунды). У других пульсаров также вскоре было измерено непрерывное увеличение периодов, правда, значительно меньше. Можно спросить, а как вообще можно измерить столь ничтожные по своей величине изменения периодов? Ответ на этот вопрос прост: если бы период пульсаций был величиной строго постоянной, то можно было бы на большой срок вперед предсказать точную фазу. Например, предсказать, что точно через год, т. е. через тридцать один миллион шестьсот тысяч секунд у данного пульсара будет наблюдаться импульс радиоизлучения. Сравнение моментов реальных наблюдений импульсов и предсказанных в предположении о постоянстве периодов позволяет с огромной точностью определить малые изменения периодов пульсаров. Эта поразительная точность, вообще говоря, будет тем выше, чем короче период пульсара, чем дольше проводятся его наблюдения и, конечно, чем быстрее меняется период[ 50 ].

То, что у всех без исключения пульсаров периоды растут, явилось решающим подтверждением концепции, согласно которой пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды. И, наконец, два самых короткопериодических пульсара, NP 0531 и PSR 0835—45, находятся внутри радиоизлучающих туманностей — остатков вспышек сверхновых.

В связи с последним обстоятельством возникает вполне естественный вопрос, вернее, два вопроса: почему далеко не во всех радиотуманностях — остатках вспышек сверхновых — наблюдаются пульсары и почему пульсары, как правило, не находятся в пределах радиотуманностей? Рассмотрим прежде первый вопрос. Действительно, в большей части из известных радиотуманностей пульсары не обнаружены. Например, в самом ярком (после Солнца) радиоисточнике на небе, Кассиопее А, являющемся едва ли не самым молодым остатком вспышки сверхновой (см. часть III), пульсар не обнаружен. То же самое следует сказать о знаменитой системе тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя, а также об остатках исторических Сверхновых 1572 г. (Тихо) и 1604 г. (Кеплер). В известном каталоге австралийского радиоастронома Милна содержится свыше 100 таких объектов, из которых только у трех (или четырех) обнаружены пульсары. Объяснение этому очень простое: радиоизлучение пульсаров неизотропно (т. е. не имеет одинаковой интенсивности по всем направлениям), а сосредоточено в пределах некоторого конуса, ось которого наклонена к его оси вращения (см. рис. 20.1). Надо, конечно, еще иметь в виду, что для удаленных радиотуманностей поток излучения от пульсаров будет мал.

Вполне возможно, что в близком будущем будут открыты еще несколько слабых пульсаров у еще более удаленных туманностей. Все же эффект направленности излучения пульсаров должен играть важнейшую роль при объяснении отсутствия пульсаров в остатках вспышек сверхновых. Нам, например, очень повезло, что Крабовидная туманность, в дополнение ко многим своим удивительным свойствам, о которых речь шла в части III, к тому же имеет пульсар, который особенно «удачно» ориентирован по отношению к земным наблюдателям...

Отсутствие радиотуманностей вокруг подавляющего большинства пульсаров объясняется еще проще. Дело в том, что основная часть известных сейчас пульсаров имеет возраст, во всяком случае превышающий миллион лет, в то время как возраст даже наиболее «старых» радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых — по крайней мере в 10 раз меньше. В § 16 мы уже занимались оценкой возраста этих туманностей. Как же определяется возраст пульсаров?

Оказывается, что этот возраст можно определить довольно надежно, пожалуй, даже более надежно, чем возраст радиотуманностей. Выше уже шла речь о непрерывном увеличении периодов у всех без исключения пульсаров. Следовательно, можно полагать, что молодые, недавно образовавшиеся нейтронные звезды (которые радиоастрономы наблюдают как пульсары) должны вращаться значительно быстрее старых, уже порядком затормозивших свое вращение объектов. Отсюда ясно, что, зная период пульсара и его рост за единицу времени, можно определить его возраст. Обозначим изменение периода пульсара P за одну секунду через . Тогда ясно, что если бы за всю историю эволюции пульсара величина P была постоянной, то его возраст, выраженный в секундах, определялся бы простой формулой

(20.5)

Тот факт, что в начале «жизни» пульсара, когда его торможение должно было быть особенно сильным, а величина P естественно была значительно больше, чем у «старого» пульсара, заставляет сделать вывод, что действительный возраст пульсара должен быть меньше. Теория торможения пульсаров, о которой речь будет ниже, дает такую формулу для возраста пульсаров:

(20.6)

Рис. 20.2: Схема, поясняющая зависимость периода пульсара от его возраста.

На рис. 20.2 схематически приведена зависимость периода пульсара от его возраста, поясняющая сказанное выше. Применение этой формулы к пульсарам, находящимся внутри радиотуманностей, дает весьма впечатляющие результаты. Например, у пульсара NP 0531, находящегося внутри Крабовидной туманности, P = 0,033 секунды, = 36 наносекунд/день или 4,2 10-13 с/с. Отсюда по формуле (20.6) t1 = 4 1010 с или 1200 лет, что на 20% превосходит реальный возраст Крабовидной туманности, образовавшейся в 1054 г. Наконец, возраст пульсара PSP 0835—45 оказывается всего 12 000 лет, в то время как возраст туманности Паруса X (остатка сверхновой) около 10 000 лет.

Недавно был обнаружен третий пульсар, находящийся внутри остатка вспышки сверхновой MSH 15-52. Этот очень слабый пульсар имеет период 0,15 с и возраст (определяемый по замедлению вращения) 1570 лет. Пульсар этот, подобно пульсару в Крабовидной туманности, наблюдается как и в радио-, так и в рентгеновских лучах. Радиотуманность MSH 15-52, подобно объекту Паруса X, является комбинацией плериона и оболочки.

Что касается всех остальных пульсаров, не находящихся в пределах радиотуманностей, образовавшихся после вспышек сверхновых, то их возрасты, определенные по формуле (20.6), как правило, превышают миллион лет. Например, возраст первого из открытых пульсаров, СР 1133, оказывается 5 106 лет.

Теперь вполне понятно, почему подавляющее большинство пульсаров не окружено радиотуманностями. За миллионы лет эти туманности благодаря своему расширению полностью «растворятся» в окружающей межзвездной среде и перестанут быть наблюдаемыми. Радиотуманности, образующиеся на месте вспышек сверхновых звезд, представляют собой сравнительно эфемерное образование, между тем как нейтронные звезды оказываются весьма долговечными объектами. Только самые молодые нейтронные звезды окружены еще не успевшими рассеяться туманностями — источниками радиоизлучения.

Различие в возрасте пульсаров и остатков вспышек сверхновых звезд, без сомнения, является основной причиной отсутствия вокруг подавляющего большинства пульсаров радиотуманностей. Но, в принципе, может быть еще одна очень любопытная причина. Дело в том, что пульсары движутся в пространстве с довольно значительными скоростями. Например, это имеет место для пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности (см. ниже). Чисто радиоастрономическим методом, о котором речь будет идти дальше, можно найти для ряда пульсаров их скорость по отношению к скорости движения неоднородностей в межзвездной среде. Так как последние не могут быть очень велики, то этот метод дает «тангенциальные» компоненты скоростей самих пульсаров. Эта скорость также оказывается очень большой — в пределах 150—500 км/с[ 51 ]. Если скорость вновь образовавшегося пульсара около 400—500 км/с, то за время существования генетически связанной с ним радиотуманности ( 100 тысяч лет) он уйдет от места своего рождения на 40—50 пс, что в 2—3 раза превышает радиус самых старых из наблюдаемых радиотуманностей. Таким образом, в принципе, возможна такая ситуация, когда пульсар довольно далеко уйдет от еще не успевшей «растаять» в межзвездной среде радиотуманности. В таком случае критерием генетической связи пульсара и радиотуманности будет уже не их пространственное совпадение и одинаковый возраст, а только возраст. Пока еще, несмотря на несколько попыток, такие пары не обнаружены. Однако вполне возможно, что в будущем поиски таких пар увенчаются успехом.

Возникает вопрос: а почему у вновь образовавшихся нейтронных звезд так велики пространственные скорости? По-видимому, причина кроется в самих обстоятельствах рождения нейтронных звезд. Вся совокупность наблюдательных данных, а также теория, говорят о том, что нейтронные звезды образуются в процессе взрыва сверхновых звезд. Очень трудно представить себе, однако, что такой взрыв должен быть идеально симметричным. В самом деле, наличие, например, магнитного поля, ось которого не совпадает с осью вращения, обязательно сделает выброс вещества из звезды, пусть даже немного, несимметричным. К чему же это приведет? Скорость выброса вещества во время взрыва звезды достигает 10 000 км/с (см. часть III), причем выбрасывается по крайней мере 10% массы звезды. Тогда очевидно, что если степень асимметрии взрыва всего лишь 10% (т. е. в одну сторону выбрасывается на 10% вещества больше, чем в другую), то по закону сохранения импульса тело, оставшееся после взрыва, т. е. нейтронная звезда, получит «скорость отдачи» не меньшую, чем 100 км/с. Скорее всего, эта скорость будет больше. Любопытно, что вывод о больших скоростях, образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд, был сделан теоретически до того, как этот результат был получен из наблюдений. О другой разновидности механизма получения больших скоростей вновь образующихся пульсаров речь будет идти в § 22.

Итак, пространственные скорости пульсаров очень велики, во всяком случае они превышают 200 км/с. Но если это так, то за миллиарды лет они должны уйти очень далеко от места своего рождения. У многих пульсаров скорости поступательного движения настолько велики, что они должны покидать нашу Галактику. Отсюда следует, что старые пульсары должны образовывать гигантскую квазисферическую «корону» вокруг Галактики размером в сотни тысяч световых лет. Ничего подобного, однако, не наблюдается! Пространственное распределение пульсаров примерно такое же, как у старых звезд галактического диска. Они концентрируются к галактической плоскости в слое толщиной около 300 пс. Кроме того, на расстоянии свыше 15 000 пс от галактического центра пульсары отсутствуют. Как же согласовать между собой с одной стороны — огромные пространственные скорости пульсаров, а с другой — их сравнительно «плоское» пространственное распределение? Скорее всего ответ такой. Спустя несколько миллионов лет после образования пульсары перестают излучать радиоволны. Поэтому «истинный» возраст подавляющего большинства пульсаров не превышает 2—3 миллиона лет. Следовательно, определение возраста пульсаров по формуле t = далеко не всегда дает хороший результат.

Полное количество всех пульсаров в Галактике должно быть порядка нескольких сотен тысяч. Только малая часть их наблюдаема (всего сейчас известно около 350 пульсаров). Так как средний возраст пульсаров близок к 2 106 лет, то частота появления новых пульсаров приблизительно равна одному объекту за несколько десятков лет — величина, близкая к частоте вспышек сверхновых.

Среди всех известных до настоящего времени пульсаров, пожалуй, самым интересным является пульсар NP 0531, находящийся вблизи центра Крабовидной туманности. Все его свойства, если можно так выразиться, оказываются «экстремальными»: он является самым короткопериодическим[ 52 ], быстрее всех увеличивающим свой период, а следовательно, самым молодым из всех известных объектов этого класса. Но, пожалуй, самым интересным является то, что он является пока единственным пульсаром, от которого наблюдается не только радио-, но и оптическое излучение.

Мы уже упоминали в § 17, что в центральной части Крабовидной туманности находятся две звездочки приблизительно 16-й величины (см. рис. 17.5). Расстояние между этими звездочками меньше 5 . Северная звездочка ничего интересного не представляет. Она не связана генетически с Крабовидной туманностью, а просто случайно проектируется на туманность — ее расстояние значительно меньше. Совершенно другую природу имеет южная звездочка. Еще в 1942 г. был получен ее спектр. Он оказался весьма необычным. Высокая интенсивность его ультрафиолетовой части указывала на то, что поверхность этой звезды очень горяча. Но самое примечательное — это отсутствие каких бы то ни было спектральных линий, как излучения, так и поглощения, в спектре этой звезды. Столь необычные характеристики «южной» звезды в Крабовидной туманности послужили для Бааде основанием предположить, что эта звезда — остаток взрыва Сверхновой 1054 г. В дальнейшем Бааде, как уже говорилось в § 17, исследовал удивительно быструю изменчивость деталей центральной части Крабовидной туманности, в непосредственной близости от южной звезды. Это указывало на продолжающуюся активность южной звезды — новый важный аргумент в пользу гипотезы Бааде.

Сразу же после того как Стэйлин и Райфенстайн открыли пульсар в Крабовидной туманности, а Комелла на Пуэрто-Риканской обсерватории в Аресибо определил необычно короткий его период, возникла идея, что этот пульсар может излучать импульсы и в оптическом диапазоне длин волн. Так как из радионаблюдений период пульсаций был известен, задача для оптических астрономов значительно упрощалась. Впервые оптические импульсы от пульсара NP 0531 наблюдали в самом начале 1969 г. американские астрономы Кок, Дисней и Тэйлор. Они использовали сравнительно небольшой 36-дюймовый телескоп обсерватории Стюарта в штате Аризона. Почти одновременно оптические импульсы с периодом 0,033 секунды были получены и двумя другими исследовательскими группами.

Можно и раньше было подозревать, что пульсар NP 0531 каким-то образом связан с южной звездочкой в центральной части Крабовидной туманности. В пользу этого предположения указывали, во-первых, близость координат обоих объектов и, во-вторых, необычные свойства южной звезды, о которых речь шла выше. Оптические наблюдения со всей наглядностью подтвердили это предположение. Прямые фотоэлектрические наблюдения блеска указанной звезды, выполненные с малым временем накопления, выявили поразительное явление: блеск этой звезды не постоянен (как долгие годы молчаливо предполагалось астрономами), а строго периодически меняется, как это видно на рис. 20.3. Период с огромной точностью равен периоду радиопульсара NP 0531. Так же как и в радиодиапазоне, наряду с «главным» импульсом в оптических лучах наблюдается «интеримпульс», который находится приблизительно (но не точно) посредине между главными импульсами. Итак, южная звездочка Крабовидной туманности, известная астрономам уже свыше 100 лет, оказалась вовсе не звездой, а пульсаром! Если бы не развитие радиоастрономии, приведшее в конце концов к открытию пульсаров, никому и. в голову не могла бы прийти «больная» мысль искать столь необычно короткую периодичность в оптическом излучении давно известного объекта! Этот пример наглядно демонстрирует взаимодействие и взаимосвязь оптической и радиоастрономии — двух могучих ветвей одного старого дерева. Таких примеров можно привести немало — стоит только упомянуть открытие квазаров. Во всех случаях, как правило, роль «разведчика», гида, обнаруживающего дотоле неизвестное явление природы, играет радиоастрономия.

Рис. 20.3: Кривая блеска пульсара NP 0531 (вверху — фотография центральной части Крабовидной туманности в соответствующие моменты времени).

Рис. 20.4: «Стробоскопические» наблюдения оптического излучения пульсара NP 0531.

Со всей очевидностью необычный характер южной звезды в Крабовидной туманности доказывают фотографии, приведенные на рис. 20.4. При получении этих фотографий использовался принцип хорошо известной детской игрушки, называемой «стробоскоп». Пучок света в телескопе фокусируется на телевизионную камеру, которая колеблется с периодом, точно равным периоду пульсара NP 0531. Если колебания камеры происходят в «фазе» с импульсами оптического излучения от этого пульсара, то каждый раз камера будет принимать его «максимальное» излучение. Если же фаза будет другой, то на камеру будет действовать весьма слабый световой поток от пульсара, излучаемый им в промежутке между импульсами. С другой стороны, эффект от соседних, «обычных» звезд, очевидно» совершенно не зависит от фазы колебаний камеры. На рис. 20.4 внизу видны три звезды, между тем как на фотографии, приведенной на рис. 20.4 вверху, появилась четвертая, самая яркая. Это и есть южная звезда Крабовидной туманности, фотография которой получена при совпадении фаз колебаний телевизионной камеры и пульсара. Трудно найти в современной астрономии более наглядное доказательство необычной природы давно известного космического объекта.

Через пару месяцев после того как было обнаружено оптическое излучение пульсара NP 0531, Брадт и его сотрудники обнаружили от него рентгеновское излучение. Вскоре выяснилось, что в «старых» рентгеновских наблюдениях Крабовидной туманности имелась пульсирующая составляющая, вклад которой составлял около 6% от полного рентгеновского излучения туманности, причем период пульсаций был как раз таким, как у NP 0531, т. е. 0,033 секунды. Само собой разумеется, что если бы не открытие радиопульсара с этим периодом, то пульсирующая составляющая в рентгеновском излучении Крабовидной туманности вряд ли была бы обнаружена.

С тех пор было выполнено большое количество исследований пульсара NP 0531 в рентгеновском диапазоне. В 1970 г. от него было обнаружено пульсирующее гамма-излучение с энергией квантов до 100 МэВ. Наконец, в 1972 г. было найдено и сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов до 1012 эВ. Последнее было обнаружено очень интересным методом, основанным на эффекте Черенкова, от электронов, образующихся в земной атмосфере при поглощении потока жестких гамма-квантов от Крабовидной туманности.

Рис. 20.5: Кривые блеска NP 0531 в разных спектральных диапазонах.

На рис. 20.5 в одном масштабе приведены «кривые блеска» пульсара NP 0531 в разных спектральных диапазонах. Заметим, что самая низкая частота радиодиапазона, на которой зарегистрировано излучение этого пульсара, близка к 3 107 Гц (длина волны 10 м), в то время как самая высокая частота гамма-диапазона превышает 3 1027 Гц. Таким образом, отношение частот на обоих концах огромного диапазона электромагнитных волн, на которых излучает NP 0531, равно 1020 : 1 — величина фантастически большая. Сравнивая кривые блеска на радио- и на оптических и рентгеновских частотах, мы видим, что на радиочастотах (особенно низких) импульс начинается всегда раньше, чем на высоких частотах. На низких радиочастотах наблюдается некое дополнительное излучение, предшествующее главному максимуму и четко от него отделенное по времени. Это дополнительное излучение получило название «предимпульс». На высоких частотах радиодиапазона интенсивность предимпульса быстро падает, из чего следует вывод, что его радиоспектр очень крутой, значительно более крутой, чем спектр радиоизлучения основного импульса и интеримпульса. В оптическом диапазоне никаких следов предимпульса не наблюдается. Из кривой блеска NP 0531 в оптических лучах следует, что интенсивность излучения между импульсами не падает до нуля, а составляет хотя и малую, но вполне реальную величину. Точные электрофотометрические измерения показывают, что, например, между главным импульсом и интеримпульсом интенсивность не опускается ниже уровня, составляющего около 1% максимальной интенсивности главного импульса. В рентгеновском же диапазоне эта «межимпульсная» интенсивность достигает 10%. Отсюда следует, что спектр этой составляющей излучения пульсара (которую можно назвать «почти изотропной») значительно «жестче», чем спектр основной части излучения, сосредоточенной в импульсах. Любопытно также, что в рентгеновских лучах интенсивность импульса и интеримпульса почти равны, между тем как в оптических лучах интенсивность интеримпульса раза в три меньше интенсивности главного импульса[ 53 ].

Особенно интересны результаты наблюдений NP 0531 в ближней инфракрасной области. Здесь интенсивность пульсара NP 0531 падает в сторону низких частот, между тем как поток инфракрасного излучения от самой Крабовидной туманности растет при уменьшении частоты. На рис. 20.6 схематически приведены спектры Крабовидной туманности и находящегося в ней пульсара для всего диапазона электромагнитных волн, от радио- до гамма-лучей. Из этого рисунка прежде всего следует, что высокочастотный (т. е. оптический и рентгеновский) спектр NP 0531 никоим образом не является простым продолжением его радиоспектра. Имеется еще одно важное отличие между радио- и оптическим излучением этого пульсара. В то время как оптическое излучение NP 0531 отличается удивительным постоянством (в частности, звездная величина NP 0531 остается неизменной в пределах долей процента), его радиоимпульсы подвержены большим вариациям по своей интенсивности. Довольно часто наблюдается огромное, более чем стократное, увеличение интенсивности радиоимпульсов по сравнению со средним значением. Именно по этой причине Стэйлин и Райфенстайн смогли открыть этот пульсар — ведь они не располагали приемной аппаратурой, которая смогла бы зарегистрировать очень короткую периодичность обычных импульсов от NP 0531. Но зато они уверенно обнаружили время от времени возникающие огромные по мощности кратковременные импульсы радиоизлучения от этого пульсара. Заметим в этой связи, что явление «гигантских импульсов» наблюдается также в радиоизлучении некоторых других пульсаров. Такая разница в поведении радио- и «высокочастотного» излучения от пульсара NP 0531 явно указывает на различие в механизмах их излучения.

Рис. 20.6: Схема спектров NP 0531 и Крабовидной туманности.

Основная доля электромагнитного излучения NP 0531 сосредоточена в «высокочастотной» части спектра. Зная величину потока излучения от этого пульсара во всем диапазоне (обозначим, как обычно, эту величину через F) и расстояние до Крабсвидиой туманности r, которое близко к 2000 пс, легко найти мощность излучения пульсара:

что в несколько сотен раз превышает мощность излучения Солнца. Основная часть этой мощности падает на рентгеновский диапазон. Еще в тридцатых годах нашего столетия было установлено, что южная звезда в центре Крабовидной туманности обладает хотя и малым, но вполне измеримым собственным движением. Ее смещение за год по обеим координатам согласно измерениям Дункана составляет = 0,010 секунды дуги, = 0,002 секунды дуги. В дальнейшем собственное движение этой звезды уточнялось наблюдениями ряда астрономов, в частности, пулковских. Зная собственное движение и расстояние до объекта, можно легко найти проекцию его пространственной скорости на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Учитывая, что расстояние до Крабовиднойтуманности составляет около 2000 пс, можно отсюда найти, что указанная выше проекция скорости составляет величину около 120 км/с. Таким образом, пульсар в Крабовидной туманности, подобно другим пульсарам, обладает большой пространственной скоростью. Об этом у нас речь уже шла выше.

Таковы основные результаты наблюдений пульсара NP 0531 на разных частотах. Некоторые другие результаты наблюдений, а также, что самое интересное, попытки теоретического объяснения природы этого пульсара будут рассматриваться ниже. Теперь же мы остановимся на двух других пульсарах, у которых, по-видимому, также наблюдается высокочастотное излучение. Первый из этих пульсаров связан с остатком сверхновой Паруса X, второй с MSH 15-52. Об этих пульсарах речь шла выше.

В 1977 г. на месте пульсара PSR 0833—45 был обнаружен исключительно слабый оптический объект, пульсирующий с периодом 0,089 секунды, но имеющий два максимума за период, так же как и гамма-излучение от этого пульсара (см. ниже). Любопытно, что от этого пульсара были обнаружены довольно интенсивные импульсы гамма-излучения с энергией квантов больше 30 МэВ. Гамма-профиль PSR 0833—45 имеет два максимума, по фазе не совпадающих с радиоимпульсом. По-видимому, причина гамма-излучения этого пульсара та же, что и сверхжесткого излучения NP 0531. Необходимо еще много наблюдений, чтобы разобраться в сложной проблеме, которую поставил этот очень интересный пульсар.

Тот факт, что жесткое рентгеновское излучение обнаружено только у двух-трех пульсаров, общим свойством которых является молодость, заставляет предположить, что длительность «рентгеноизлучающей» фазы у пульсаров мала по сравнению с длительностью радиоизлучающей фазы. С другой стороны, последняя также ограничена и для большинства пульсаров близка к 3 106 лет (см. выше). Таким образом, мы чисто эмпирически приходим к представлению, что по мере эволюции нейтронной звезды «активность», проявляющаяся в радио-, оптическом и рентгеновском излучении, должна непрерывно уменьшаться. Напротив, гамма-излучение возможно астрономами уже обнаружено у некоторых сравнительно старых пульсаров, что говорит в пользу особой природы этого излучения (см. § 23).

Вернемся теперь к вопросу о связи пульсаров и радио- и рентгеновских туманностей — остатков вспышек сверхновых. Заслуживает, прежде всего, внимания тот факт, что все три туманности — остатки сверхновых; внутри которых находятся пульсары,— являются плерионами. В то же время из наблюдений следует, что плерионы, по-видимому, являются остатками вспышек сверхновых II типа. Это доказано для двух исторических сверхновых — 1054 г. (давшей начало Крабовидной туманности) и 1181 г. («родительницы» плериона 3C 58). Любопытно подчеркнуть, что туманности — остатки вспышек «исторических» (т. е. зарегистрированных в хрониках) сверхновых I типа плерионами не являются. Напрашивается вывод, что нейтронные звезды, наблюдаемые как пульсары,— это остатки взрывов более массивных и молодых сверхновых II типа, между тем как после взрывов менее массивных, сравнительно старых звезд — сверхновых I типа, звездных остатков не сохраняется,— они полностью рассеиваются в межзвездном пространстве.

То обстоятельство, что нейтронные звезды образуются в результате эволюции массивных звезд, представляется вполне естественным. Ибо только у таких звезд может образоваться кислородно-углеродное ядро с массой, превышающей чандрасекаровский предел. Наличие нейтронных звезд (наблюдаемых как рентгеновские пульсары — см. § 21) в массивных двойных системах как будто бы подтверждает такой вывод.

Возможно, что к этой проблеме имеет отношение явление радиоизлучения сверхновых (а не их остатков!), которое в последнее время привлекает к себе внимание радиоастрономов. Во всех трех случаях, когда это явление наблюдалось, излучали радиоволны сверхновые II типа спустя 1—3 месяца после максимума блеска. Не исключено, как предположил автор этой книги, что стимулирует радиоизлучение сверхновых II типа находящийся там молодой, активный пульсар. Возможно, однако, и другое объяснение, связывающее это радиоизлучение со взаимодействием расширяющейся оболочки с окружающим взорвавшуюся звезду «ветром».