Vesolje pulsarjev in kvazarjev. Nevtronska zvezda. Kaj so pulsarji in kako so nastali: skrivnost astronomije

Obstoj radijskih virov v vesolju je znan že kar nekaj časa. Toda tak objekt, ki oddaja hitre impulze, je bil zaznan prvič. Pojavile so se kot ura, enkrat na sekundo. Sprva so mislili, da signal prihaja s satelita v orbiti, a so to idejo hitro ovrgli. Potem ko je bilo najdenih še več podobnih predmetov, so jih zaradi njihove hitro utripajoče narave poimenovali pulsarji.

Svetle pulsarje so odkrili pri skoraj vseh valovnih dolžinah svetlobe. Nekatere je dejansko mogoče videti. Večina ljudi pulzarje zamenjuje s kvazarji. Toda ta dva predmeta sta popolnoma različna. Kvazarji so objekti, ki proizvajajo ogromne količine energije. Najverjetneje so nastali kot posledica ogromne črne luknje v središču mlade galaksije. Pulzar pa je nekaj povsem drugega.

Pulzarji: Faktor svetilnika

Pulzar je v bistvu hitro vrteča se nevtronska zvezda. Nevtronska zvezda je močno stisnjeno jedro mrtve zvezde, ki ostane po eksploziji supernove. Ta nevtronska zvezda ima močno magnetno polje. To magnetno polje je približno bilijonkrat močnejše magnetno polje Zemlja. Magnetno polje povzroči, da nevtronska zvezda oddaja močne radijske valove in radioaktivne delce s svojega severnega in južnega pola. Ti delci lahko vključujejo različna sevanja, vključno z vidno svetlobo.

Grafični model pulzarja

Pulzarji, ki oddajajo močne žarke gama, so znani kot pulzarji žarkov gama. Če ima nevtronska zvezda svoj pol obrnjen proti Zemlji, potem lahko vidimo radijske valove vsakič, ko eden od polov pride v naš pogled. Ta učinek je zelo podoben učinku svetilnika. Nepremičnemu opazovalcu se zdi, da svetloba rotacijskega svetilnika nenehno utripa, nato izgine in se spet pojavi. Na enak način se zdi, da pulsar utripa, ko vrti svoje poli glede na Zemljo. Različni pulsarji oddajajo impulze z različnimi hitrostmi, odvisno od velikosti in mase nevtronske zvezde. Včasih ima lahko pulsar satelit. V nekaterih primerih lahko pritegne svojega spremljevalca, zaradi česar se vrti še hitreje. Najhitrejši pulsarji lahko oddajajo več kot sto impulzov na sekundo.

Nevtronske zvezde

Nastanek pulzarja se zgodi, ko masivna zvezda umre, potem ko izčrpa svoje zaloge goriva. Zgodi se velika eksplozija, znana kot supernova - najmočnejši in najsvetlejši dogodek v vesolju. Brez protiutežne sile jedrske fuzije gravitacija začne vleči zvezdne mase navznoter, dokler se ne stisnejo. V pulsarju jih gravitacija stisne, dokler ne tvorijo predmeta, sestavljenega večinoma iz nevtronov, ki so tako tesno skupaj, da ne morejo več obstajati kot običajna snov.

Diagram zgradbe nevtronske zvezde

Fizik Chandrasekhar Subrahmanian je predlagal, da če je masa jedra uničene zvezde 1,4-krat večja od mase same zvezde, se bodo protoni in elektroni združili v nevtrone v nevtronski zvezdi. To število je danes znano kot Chandrasekharjeva meja. Če ta meja ni dosežena zaradi uničenja jedra, potem nastane bela pritlikavka. Če je ta meja znatno presežena, lahko nastane črna luknja.

Zvezda v kolapsu se začne vrteti hitreje, kar je znano kot ohranjanje zagona med vrtenjem. Ta postopek je podoben umetnostnim drsalcem, ki poskušajo močno skleniti roke skupaj, da bi se vrteli še hitreje. Rezultat je hitro vrteča se krogla tesno stisnjenih nevtronov znotraj železne lupine. Ekstremne gravitacijske sile naredijo to lupino zelo gladko in sijočo. Nastala nevtronska zvezda ima le približno 30-35 km v premeru, hkrati pa vsebuje večino mase prvotne zvezde, s katero je nastala. Snov te nevtronske zvezde je tako tesno zapakirana, da bi kos te zvezde v velikosti kocke sladkorja na Zemlji tehtal več kot 100 milijonov ton.

Odkritje pulsarjev in nevtronskih zvezd

Nove pulsarje odkrivajo še danes z velikimi radijskimi teleskopi. Največji radijski teleskop na svetu se nahaja v Arecibu v Portoriku. Bilo je eno ključnih orodij pri iskanju pulsarjev. V zadnjih nekaj letih so odkrili več novih pulsarjev. Pulzar se nahaja znotraj znamenite meglice Rakovica (M1).

Najhitrejši pulzar, PSR1937 +21, ima pulzno obdobje 1,56 ms ali 640-krat na sekundo. Najmočnejši pulsar je PSR 0329 +54, z zelo počasnim impulzom le 0,715 sekunde. Pred kratkim so odkrili pulsarje, kot je PSR 1257 +12. Znanstveniki verjamejo, da planeti krožijo okoli njih.

– to so kozmični viri radijskega, optičnega, rentgenskega in/ali gama sevanja, ki prihajajo na Zemljo v obliki periodičnih izbruhov (pulzov).

Zato jih glede na vrsto sevanja delimo na radijske pulsarje, optične pulsarje, rentgenske in/ali gama pulsarje. Narava sevanja pulsarjev še ni v celoti razkrita, modeli pulsarjev in mehanizmi, s katerimi oddajajo energijo, se teoretično preučujejo. Danes prevladuje mnenje, da so pulzarji rotirajoče nevtronske zvezde z močnim magnetnim poljem.

Odkritje pulsarjev

To se je zgodilo leta 1967. Angleški radioastronom E. Hewish in njegovi sodelavci so odkrili kratke radijske impulze, ki prihajajo kot iz praznega prostora v vesolju in se ponavljajo stabilno s periodo vsaj sekunde. Sprva so bili rezultati opazovanj tega pojava tajni, saj bi lahko domnevali, da so ti impulzi radijskega sevanja umetnega izvora – morda so to signali kakšne nezemeljske civilizacije? Toda nobenega vira sevanja v orbitalnem gibanju niso našli, vendar je Hewisheva skupina našla še 3 vire podobnih signalov. Tako je upanje na signale nezemeljske civilizacije izginilo in februarja 1968 se je pojavilo sporočilo o odkritju hitro spreminjajočih se nezemeljskih radijskih virov neznane narave z zelo stabilno frekvenco.

To sporočilo je povzročilo pravo senzacijo in leta 1974 je Hewish prejel a Nobelova nagrada. Ta pulzar se imenuje PSR J1921+2153. Trenutno je znanih približno 2 tisoč radijskih pulsarjev, običajno so označeni s črkami PSR in številkami, ki izražajo njihove ekvatorialne koordinate.

Kaj je radijski pulsar?

Astrofiziki so prišli do splošnega soglasja, da je radijski pulsar nevtronska zvezda. Oddaja ozko usmerjene tokove radijskega sevanja, zaradi vrtenja nevtronske zvezde pa tok v rednih intervalih vstopi v vidno polje zunanjega opazovalca - tako nastanejo impulzi pulsarja. Večina astronomov meni, da so pulzarji drobne nevtronske zvezde s premerom nekaj kilometrov, ki se vrtijo s periodami delčkov sekunde. Včasih jih imenujejo tudi "zvezdaste vrtavke". Pulzarjevo sevanje je zaradi magnetnega polja podobno žarku žarometa: ko zaradi vrtenja nevtronske zvezde žarek zadene anteno radijskega teleskopa, so vidni izbruhi sevanja. Pulzarski signali na različnih radijskih frekvencah potujejo skozi medzvezdno plazmo z različnimi hitrostmi. Na podlagi medsebojnega zamika signalov se določi razdalja do pulzarja in določi njihova lokacija v Galaksiji. Porazdelitev pulsarjev se približno ujema s porazdelitvijo ostankov supernov.

Rentgenski pulzarji

Rentgenski pulzar je tesni binarni sistem, katerega ena od sestavin je nevtronska zvezda, in drugi - normalna zvezda, zaradi česar snov teče iz navadne zvezde v nevtronsko zvezdo. Nevtronske zvezde- to so zvezde zelo majhnih velikosti (20-30 km v premeru) in izjemno visoke gostote, ki presegajo gostoto atomskega jedra. Astronomi verjamejo, da se nevtronske zvezde pojavijo kot posledica eksplozije supernove. Ko eksplodira supernova, se jedro običajne zvezde hitro sesede, ta pa se nato spremeni v nevtronsko zvezdo. Med stiskanjem zaradi zakona o ohranjanju kotne količine in ohranjanja magnetnega pretoka pride do močnega povečanja hitrosti vrtenja in magnetnega polja zvezde. Tako sta ti dve lastnosti pomembni za rentgenski pulsar: hitra hitrost rotacije in izjemno visoka magnetna polja. Snov, ki zadene trdno površino nevtronske zvezde, se zelo segreje in začne oddajati rentgenske žarke. Bližnji sorodniki rentgenskih pulsarjev so polarji in vmesni polarji. Razlika med pulzarji in polarji je v tem, da je pulzar nevtronska zvezda, medtem ko je polarna bela pritlikavka. V skladu s tem imajo manjša magnetna polja in hitrost vrtenja.

Optični pulsarji

Januarja 1969 je območje pulzarja v meglici Rakovica pregledal optični teleskop s fotoelektrično opremo, ki je lahko zaznala hitra nihanja svetlosti. Opažen je bil obstoj optičnega objekta z nihanji svetlosti z enako periodo kot radijski pulsar v tej meglici. Izkazalo se je, da je ta objekt zvezda 16. magnitude v središču meglice. Imel je nekakšen nečitljiv spekter brez spektralnih črt. Med raziskovanjem Rakove meglice leta 1942 je V. Baade pokazal nanjo kot na možen ostanek zvezdne supernove, I.S. Shklovsky je v poznejših letih predlagal, da je bil vir relativističnih delcev in visokoenergijskih fotonov. A vse to so bile le domneve. In potem se je zvezda izkazala optični pulsar, ki ima enako obdobje in interpulzar kot radijski pulsar, fizično pa bi morala biti nevtronska zvezda, katere poraba energije zadostuje za vzdrževanje sijaja in vseh vrst sevanja iz meglice Rakovica. Po odkritju optičnega pulzarja so potekala iskanja v drugih ostankih supernov, predvsem v tistih, kjer so že bili najdeni radijski pulzarji. Toda šele leta 1977 je avstralskim astronomom s posebno opremo uspelo zaznati pulziranje v optičnem območju izjemno šibke zvezde 25. magnitude v ostanku supernove Vela X. Tretji optični pulzar je bil najden leta 1982 v ozvezdju Vulpecula z radijskim sevanjem. . Ostanki supernove niso bili najdeni.

Kaj je optični pulsar? Centralne komponente spektralnih linij SS 433 kažejo gibanja s periodo 13 dni in spremembe hitrosti od -73 do +73 km/s. Očitno je tu tudi tesen binarni sistem, sestavljen iz optično opazljivega vročega supergiganta razreda O ali B in optično nevidne rentgenske komponente. Supervelikan ima maso več kot deset sončnih mas; napihnil se je do skrajnih meja lastnega gravitacijskega območja in s svojim plinom napolnil disk, ki obdaja rentgensko komponento vzdolž ekvatorja. Ravnina diska je pravokotna na os vrtenja kompaktnega objekta, ki je rentgenska komponenta, in ne leži v orbitalni ravnini binarnega sistema. Zato se disk in oba plinska curka obnašata kot poševno vrteč se vrh, njuna vrtilna os pa precesira (opisuje stožec) in naredi en obrat v 164 dneh (to je znan pojav precesije rotacijskih teles). Rentgenska komponenta, ki požira plin diska in bruha curke, bi lahko bila nevtronska zvezda.

Sodijo med najmočnejše kozmične vire sevanja gama. Astrofiziki si želijo ugotoviti, kako tem nevtronskim zvezdam uspe tako močno sijati v območju žarkov gama. Pred izstrelitvijo teleskopa Fermi je bilo znanih le okoli ducat pulzarjev gama žarkov, medtem ko je bilo skupno število pulzarjev približno 1800. Zdaj je novi observatorij začel odkrivati ​​pulzarje gama žarkov na desetine. Znanstveniki upajo, da bo njeno delo zagotovilo veliko dragocenih informacij, ki bodo pomagale bolje razumeti naravo gama pulsarjev in drugih kozmičnih generatorjev gama žarkov.

Leta 2012 so astronomi z orbitalnim teleskopom Fermi Gamma-ray odkrili najhitrejši pulzar gama žarkov doslej v ozvezdju Kentaver, ki naredi en obrat vsake 2,5 milisekunde in požre ostanke zvezde spremljevalke velikosti Jupitra. ( Gama sevanje (gama žarki, γ-žarki) - pogled elektromagnetno sevanje z izjemno kratko valovno dolžino -< 5·10 −3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. На картинке гамма-излучение показано фиолетовым цветом.

Povzemimo ...

Nevtronske zvezde– neverjetni predmeti. V zadnjem času jih opazujejo s posebnim zanimanjem, saj... skrivnosti ne predstavlja le njihova zgradba, temveč tudi njihova ogromna gostota, močna magnetna in gravitacijskih polj. Snov je tam v posebnem stanju, ki spominja na ogromno atomsko jedro, in teh razmer ni mogoče reproducirati v zemeljskih laboratorijih.
Pulzar je preprosto ogromen magnetiziran vrh, ki se vrti okoli osi, ki ne sovpada z osjo magneta.. Če nanj nič ne bi padlo in ne bi ničesar oddajal, bi imel njegov radijski odsev rotacijsko frekvenco in ga na Zemlji ne bi nikoli slišali. A dejstvo je, da ima ta vrh ogromno maso in visoka temperatura površino, rotacijsko magnetno polje pa ustvarja ogromno električno polje, ki lahko pospeši protone in elektrone skoraj do svetlobne hitrosti. Poleg tega so vsi ti nabiti delci, ki drvijo okoli pulzarja, ujeti v njegovem ogromnem magnetnem polju. In le v majhnem prostorskem kotu okoli magnetne osi se lahko osvobodijo (nevtronske zvezde imajo najmočnejša magnetna polja v vesolju, ki dosegajo 1010-1014 gausov. Primerjaj: zemeljsko polje je 1 gauss, sončevo pa 10-50 gausov). ). Prav ti tokovi nabitih delcev so vir radijskega sevanja, iz katerega so odkrili pulzarje, za katere se je kasneje izkazalo, da so nevtronske zvezde. Ker magnetna os nevtronske zvezde ne sovpada nujno z osjo njenega vrtenja, se ob vrtenju zvezde tok radijskih valov širi skozi vesolje kot žarek utripajočega svetilnika – le za trenutek prereže okoliško temo.

Astronomi preučujejo nebo že od nekdaj. Vendar pa je šele z občutnim preskokom v razvoju tehnologije znanstvenikom uspelo odkriti predmete, ki si jih prejšnje generacije astronomov niso niti predstavljale. Eni od njih so bili kvazarji in pulsarji.

Kljub ogromnim razdaljam do teh predmetov so znanstveniki lahko preučili nekatere njihove lastnosti. A kljub temu še vedno skrivajo številne nerazrešene skrivnosti.

Kaj so pulsarji in kvazarji

Izkazalo se je, da je pulzar nevtronska zvezda. Njena odkritelja sta bila E. Hewish in njegov podiplomski študent D. Bell. Uspeli so zaznati impulze, ki so ozko usmerjeni tokovi sevanja, ki postanejo vidni v določenih časovnih intervalih, saj se ta učinek pojavi zaradi vrtenja nevtronskih zvezd.

Med stiskanjem se zvezdino magnetno polje in sama gostota znatno zgostita. Lahko se skrči na velikosti več deset kilometrov in v takih trenutkih se vrtenje zgodi z neverjetno visoko hitrostjo. Ta hitrost v nekaterih primerih doseže tisočinke sekunde. Od tod prihajajo elektromagnetni valovi.

Kvazarje in pulsarje lahko imenujemo najbolj nenavadna in skrivnostna odkritja v astronomiji. Površina nevtronske zvezde (pulzarja) ima manjši pritisk kot njeno središče, zato nevtroni razpadejo na elektrone in protone. Elektroni so zaradi prisotnosti močnega magnetnega polja pospešeni do neverjetnih hitrosti. Včasih ta hitrost doseže svetlobno hitrost, kar povzroči izmet elektronov iz magnetnih polov zvezde. Dva ozka žarka elektromagnetni valovi– točno tako je videti gibanje nabitih delcev. To pomeni, da elektroni oddajajo sevanje v smeri svoje smeri.

Nadaljevanje seznama nenavadni pojavi povezanih z nevtronskimi zvezdami, je treba opozoriti na njihovo zunanjo plast. V tej krogli so prostori, v katerih jedro zaradi nezadostne gostote snovi ni mogoče uničiti. Posledica tega je prekrivanje najgostejše skorje zaradi nastanka kristalne strukture. Zaradi tega se napetost kopiči in določen trenutek ta gosta površina začne pokati. Znanstveniki so ta pojav poimenovali "zvezdni potres".

Pulzarji in kvazarji ostajajo popolnoma neraziskani. A če bi nam neverjetne raziskave govorile o pulsarjih ali t.i. Medtem ko nevtronske zvezde vsebujejo veliko novih stvari, kvazarji držijo astronome v napetosti pred neznanim.

Svet je prvič izvedel za kvazarje leta 1960. V odkritju so zapisali, da gre za objekte z majhnimi kotnimi dimenzijami, za katere je značilna visoka svetilnost, po svojem razredu pa spadajo med zunajgalaktične objekte. Ker imajo dokaj majhno kotno velikost, je dolga leta veljalo, da so samo zvezde.

Natančno število odkritih kvazarjev ni znano, leta 2005 pa so bile izvedene študije, v katerih je bilo 195 tisoč kvazarjev. Zaenkrat o njih ni znanega nič razložljivega. Predpostavk je veliko, vendar nobena nima dokazov.

Astronomi so le ugotovili, da v časovnem obdobju, krajšem od 24 ur, njihova svetlost kaže zadostno spremenljivost. Na podlagi teh podatkov je mogoče ugotoviti njihovo razmeroma majhno velikost območja sevanja, ki je primerljiva z velikostjo solarni sistem. Najdeni kvazarji obstajajo na razdaljah do 10 milijard svetlobnih let. Videli smo jih lahko zaradi njihove visoke stopnje svetilnosti.

Najbližji tak objekt našemu planetu se nahaja približno 2 milijardi svetlobnih let stran. Morda bodo prihodnje raziskave in najnovejše tehnologije, uporabljene v njih, človeštvu prinesle nova spoznanja o belih lisah vesolja.

Ostanek supernove Corma-A, ki ima v središču nevtronsko zvezdo

Nevtronske zvezde so ostanki masivnih zvezd, ki so dosegle konec svoje evolucijske poti v času in prostoru.

Ti zanimivi predmeti so rojeni iz nekoč ogromnih velikanov, ki so štiri do osemkrat večji od našega Sonca. To se zgodi pri eksploziji supernove.

Po takšni eksploziji se zunanje plasti vržejo v vesolje, jedro ostane, vendar ni več sposobno podpirati jedrske fuzije. Brez zunanjega pritiska iz prekrivnih plasti se katastrofalno zruši in skrči.

Kljub majhnemu premeru - približno 20 km, se lahko nevtronske zvezde pohvalijo z 1,5-krat večjo maso kot naše Sonce. Tako so neverjetno gosti.

Majhna žlica zvezdne snovi na Zemlji bi tehtala približno sto milijonov ton. V njem se protoni in elektroni združijo in tvorijo nevtrone – proces, imenovan nevtronizacija.

Spojina

Njihova sestava ni znana; predpostavlja se, da so sestavljeni iz superfluidne nevtronske tekočine. Imajo izjemno močno gravitacijsko silo, veliko večjo od Zemlje ali celo Sonca. Ta gravitacijska sila je še posebej impresivna, ker je majhna.
Vsi se vrtijo okoli osi. Med stiskanjem se kotna količina vrtenja ohranja, zaradi zmanjšanja velikosti pa se hitrost vrtenja poveča.

Zaradi enormne hitrosti vrtenja zunanja površina, ki je trdna »skorja«, občasno poči in nastanejo »zvezdni potresi«, ki upočasnijo hitrost vrtenja in odvržejo »odvečno« energijo v vesolje.

Osupljivi pritiski, ki obstajajo v jedru, so morda podobni tistim, ki so obstajali v času velikega poka, vendar jih na Zemlji žal ni mogoče simulirati. Zato so ti objekti idealni naravni laboratoriji, kjer lahko opazujemo energije, ki jih na Zemlji ni.

Radijski pulzarji

Radijske ulsarje je konec leta 1967 odkrila podiplomska študentka Jocelyn Bell Burnell kot radijske vire, ki utripajo s konstantno frekvenco.
Sevanje, ki ga oddaja zvezda, je vidno kot pulzirajoči vir sevanja ali pulsar.

Shematski prikaz rotacije nevtronske zvezde

Radijski pulzarji (ali preprosto pulzarji) so rotirajoče nevtronske zvezde, katerih curki delcev se gibljejo skoraj s svetlobno hitrostjo, kot vrteči se žarek svetilnika.

Po neprekinjenem vrtenju več milijonov let pulzarji izgubijo svojo energijo in postanejo normalne nevtronske zvezde. Danes je znanih le približno 1000 pulsarjev, čeprav jih je v galaksiji morda na stotine.

Radijski pulsar v meglici Rakovica

Nekatere nevtronske zvezde oddajajo rentgenske žarke. Slavna meglica Rakovica je dober primer takega predmeta, ki je nastal med eksplozijo supernove. To eksplozijo supernove so opazili leta 1054 našega štetja.

Veter iz Pulsarja, video teleskopa Chandra

Radijski pulzar v meglici Rakovica, fotografiran s Hubblovim vesoljskim teleskopom skozi 547nm filter ( zelena luč) od 7. avgusta 2000 do 17. aprila 2001.

Magnetarji

Nevtronske zvezde imajo magnetno polje, ki je milijonkrat močnejše od najmočnejšega magnetnega polja, ki nastane na Zemlji. Znani so tudi kot magnetarji.

Planeti okoli nevtronskih zvezd

Danes vemo, da imajo štirje planete. Ko je v binarnem sistemu, je mogoče izmeriti njegovo maso. Od teh radijskih ali rentgenskih dvojnikov so bile izmerjene mase nevtronskih zvezd približno 1,4-krat večje od mase Sonca.

Dvojni sistemi

V nekaterih rentgenskih binarjih je viden popolnoma drugačen tip pulsarja. V teh primerih nevtronska zvezda in navadna zvezda tvorita binarni sistem. Močno gravitacijsko polje potegne material iz navadne zvezde. Material, ki pade nanj med procesom akrecije, se tako segreje, da proizvaja rentgenske žarke. Impulzni rentgenski žarki so vidni, ko gredo vroče točke na vrtečem se pulsarju skozi vidno polje z Zemlje.

Pri binarnih sistemih, ki vsebujejo neznan predmet, te informacije pomagajo razločiti, ali gre za nevtronsko zvezdo ali na primer za črno luknjo, ker so črne luknje veliko masivnejše.