Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Деякі штрихи до портрета пульсара

А.Ф. Пугач, кандидат фізико-математичних наук

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

Г.У. Ковальчук, кандидат фізико-математичних наук

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

Двадцяте століття недарма називається космічним, бо саме напередодні третього тисячоліття почався процес космізації свідомості людини. Справа не в тому, що люди усвідомили масштаб і безмежність Космосу, а в тому, що людина зрозуміла свій споконвічний і нерозривний зв’язок, свою залежність від Космосу і водночас свою можливість впливати на нього.

Усе міцнішим ставало переконання, що життя у Космосі всюдисуще, що Космос — це й є саме життя в найбільш викінченій та універсальній формі. У людей XX століття з’явилася надія знайти це життя, бажано розумне, й почати новий виток свого еволюційного сходження.

Приблизно за таких психологічних обставин відбувалося багато радіоастрономічних досліджень 60-х років. І навіть ті астрономи, чиє ставлення до проблеми пошуку позаземного життя було сповнене стовідсотковим скепсисом, все ж не могли хоч би частково не піддатися тій знервованості, якою характеризувалася поведінка відвертих оптимістів. Саме у таких обставинах відбулася вкрай важлива для всієї астрономії подія, що була початком нового напряму в астрофізиці.

У цей час у Кембриджі працював радіоастроном Ентоні Хьюіш, який вивчав точкові радіооб’єкти, тобто джерела радіовипромінювання малих кутових розмірів. Точніше, його цікавили не самі джерела, а те, як змінюється характер їхнього випромінювання, коли воно проходить крізь зони іонізованого газу, колосонячну або міжпланетну плазму. У групі, очолюваній Хьюішем, працювала аспірантка Джоселін Белл, якій були доручені спостереження й обробка записів сигналів від одного з радіоджерел із сузір’я Тельця, майже у центрі так званої Крабоподібної туманності. Як об’єкт спостереження це джерело було обране тому, що воно перебуває майже у площині екліптики та його випромінювання частіше, ніж інших аналогічних джерел, підпадало під дію сонячного вітру й міжпланетної плазми. Саме по собі це джерело немов би нічим не вирізнялося серед собі подібних. Хіба тільки тим, що його положення збігалося із залишками зорі, що 1054 року вибухнула й спалахнула як Наднова. Можна уявити собі подив Дж. Белл, коли вона виявила, що цей сигнал пульсував. Він, як живий людський пульс, був сповнений ритмом. На стрічці самописця підйом змінювався падінням, за падінням йшов новий підйом. Падіння — підйом, падіння — підйом, і так протягом мільйонів ударів.

Дивуватися було чому. Серед усіх відомих до того часу джерел не було жодного, що б випромінювало періодичний радіосигнал. Більше того, вражаючою здавалася й величина періоду, всього 1,337 секунди! Серед джерел оптичного випромінювання (звичайних зір) давно були відомі змінні зорі, блиск яких періодично змінювався. Але величина їхніх періодів містилася в інтервалі від декількох годин до сотень днів. Усього лише кілька зір змінювали оптичний блиск із періодом у декілька хвилин або десятків хвилин. Причому, найкоротший з них дорівнював 73 секундам. У випадку зареєстрованого ж сигналу мова йшла про набагато коротший період, до того ж не в оптичному, а у радіодіапазоні. Трохи пізніше Хьюіш показав, що виявлений пульсар перебуває у нашій Галактиці.

У той час були всі підстави припускати, що такий сигнал не може належати природному об’єкту, бо нічого подібного в природі не спостерігалося. У напруженій атмосфері лабораторії замаячив неясний образ позаземних цивілізацій, який грунтувався на давно очікуваній можливості міжзоряного контакту. Здавалося, що якийсь загадковий космічний телеграфіст вистукує своїм ключем періодичні сигнали, адресуючи їх усім-усім. «Слухайте!.. Слухайте!.. Слухайте!»

Легко уявити собі розгубленість Хьюіша та його колег, що вперше зустрілися з цим явищем. Що це? Невідомий науці об’єкт або давно очікувана позаземна цивілізація? Треба віддати належне спокою й витримці Хьюіша, що не кинувся до телетайпу з наміром негайно сповістити світ про відкриття позаземного розуму.

Проте усі ті кілька місяців, коли відкриття трималося в секреті, атмосфера в лабораторії Хьюіша була насичена незримою присутністю ідеї про позаземний розум, що посилав на Землю загадкові сигнали. Саме в стінах цього закладу вперше пролунали слова «маленькі зелененькі чоловічки», як уявляла собі Дж. Белл гіпотетичних живих істот чужих цивілізацій.

Але, як відомо, контакт із космічними істотами не відбувся. В лютому наступного року було опубліковане повідомлення про відкриття. До того часу ідея «зелених чоловічків» поступилася місцем чіткому уявленню про те, що виявлено принципово новий, а тому раніше невідомий, астрофізичний об’єкт. Незабаром, немов би закріплюючи відкриття, були виявлені інші подібні джерела радіосигналів. Вони отримали назву пульсарів (скорочення від англійського Рulsаting Sоurсеs оf Rаdіоеmіssіоn — пульсуючі джерела радіовипромінювання). Найдивнішим серед них виявився пульсар з Крабоподібної туманності, який вчені дуже швидко ототожнили із залишками Наднової, що спалахнула в 1054 році. На місці колишньої зорі, від якої залишилася добре спостережувана туманність, знаходився пульсар, період якого становив усього 0,033 секунди. За одну секунду він встигав подати сигнал у радіодіапазоні 30 разів! Досі пульсар у Крабоподібній туманності залишається «найшвидшим».

Отже, був показаний генетичний зв’язок пульсарів із залишками Наднових зір. Проте Хьюіш ще раніше першим висловив припущення, що пульсари — це нейтронні зорі, які швидко обертаються. Щоправда, висловлене припущення не відрізнялося особливою оригінальністю. Про можливість існування нейтронних зір астрофізики сперечалися вже понад чверть століття. Але заслугою Хьюіша напевно слід вважати те, що він в образі пульсара вперше поєднав теоретичну можливість із реальністю, що спостерігається.

Запис першого зареєстрованого пульсара (опубліковано у журналі Nаtureу 1968 р.). Фото з сайту www.bigear.org.

Що таке нейтронні зорі? Навряд чи буде оригінальним сказати, що це об’єкти, які складаються з нейтронів. Але це справді так. Для того, щоб зрозуміти, яким чином утворюються такі об'єкти, нам знов необхідно повернутися до наднових зір.

Як читач напевно знає, що Наднова — це справді зовсім не нова і, тим більше, не найновіша зоря. Скоріше навпаки. Це зорі, що бачили, як кажуть, багато у своєму житті. Звичайні зорі можуть перетворюватися на гігантів і надгігантів, змінювати розміри та температуру, скидати у простір частину своєї маси, яскраво спалахувати або майже гаснути. З віком до них приходить заспокоєність, і старі зорі стають маломасивними й відносно спокійними об’єктами. Вони поволі холонуть і зменшують свою світність. Так поводять себе нормальні зорі. Але інколи зустрічаються й такі, що не хочуть миритися з тужливою старістю й безвісністю. Вони несподівано спалахують таким яскравим фейєрверком, що затьмарюють сумарний блиск сотень мільйонів навколишніх зір. На місці раніше нічим не примітних зір виникає страхітливий вируючий фонтан вогню.

Якщо залишити палкий ліричний тон й перейти на холоднувату мову фізики, то картину утворення Наднової можна описати так. Як вважають фахівці, серед деяких масивних зірок зустрічаються й такі, що за не зовсім поки зрозумілими причинами втрачають внутрішню усталеність. Можливо, це пов’язано з виснаженням внутрішніх термоядерних джерел енергії, можливо, існують й інші причини. Але так чи інакше раптом вимикається механізм, що до того забезпечував зорю енергією й утримував її зовнішні частини від падіння до центра. В цьому випадку зовнішні шари під дією взаємного гравітаційного тяжіння починають з усе зростаючою швидкістю рухатися назустріч один одному. Оскільки зоря — куля, то зрозуміло, що потоки спадаючої донизу зіркової речовини зустрінуться один з одним в її центрі. Результатом такого зіткнення є термоядерний вибух, описаний вище.

Під час вибуху Наднової виділяється енергія порядку 10⁴² — 10⁴³ Дж, а світність стає такою високою, що за допомогою наземних телескопів щороку спостерігаються спалахи Наднових зір у галактиках, які відддалені від нас на мільярди світлових років. Під час вибуху Наднової речовина зорі розлітається в різні боки зі швидкостями близько кількох тисяч км/год. З часом ця швидкість значно знижується й охолоджена речовина, яка складала раніше гаряче тіло зорі, розміщується на великій відстані у вигляді струменів, волокон, згустків, що утворюють у сукупності об’ємну туманність. Принаймні так виглядає туманність, яка залишилася в сузір’ї Тельця після вибуху там в 1054 році Наднової. За чисто зовнішню схожість із формою морського краба завдяки безлічі радіальне спрямованих волокон, що нагадують численні його лапи, туманність отримала назву Крабоподібної.

У нинішній час вважається, що спалаху Наднової передує так званий гравітаційний колапс, коли майже вся її речовина під дією гравітації прагне до центра зорі. Зоря колапсує, дуже сильно зменшуючись у розмірах (у десятки тисяч разів).

Сценарій гравітаційного колапсу надзвичайно залежить від колапсуючої маси. Якщо вона не перевищує 1,7 маси Сонця, то нескінченне стискання має бути врешті-решт зупиненим з утворенням дуже маленького за астрономічними масштабами й дуже щільного об’єкта, саме того, що називається нейтронною зорею. У випадку, якщо колапсуюча маса у два і більше разів перевищує сонячну, то неминуче утворення ще більш екзотичного об’єкта — так званої чорної діри. При гравітаційному колапсі у центрі зорі, де практично зосереджується вся її маса, виникають такі температура й тиск, за яких матерія не може перебувати у звичній для нас формі атомів чи, тим більше, молекул. Неймовірно високий тиск руйнує атомарну структуру речовини, буквально вичавлюючи з неї електрони на зразок того, як прес вичавлює виноградний сік із достиглого грона. Але куди діватися електронам? Це питання зовсім не таке просте, як може видатися на перший погляд. Адже електрони несуть у собі електричний заряд і, якщо б вони знаходилися у вільному стані, то стиснута зоря стала б подібною до гігантської лейденської банки— акумулятора статичної електрики, знайомого зі шкільного підручника фізики.

А з електронами відбувається ось що. Оскільки у сколапсованої зорі зменшився об’єм, а маса залишилася тією самою, то відбувається катастрофічне зростання щільності речовини. Як тільки щільність сягає значення близько 100 000 000 кілограмів на кубічний сантиметр, електрони набувають здатності долати бар’єр ядерних сил відштовхування й зливаються з протонами. В результаті такого злиття утворюються нейтрони. Така трансформація речовини називається нейтронізацією. Цей процес нейтронізації перетворює сколапсовану зорю в нейтронну. Саме це сталося із залишками Наднової, що спалахнула у сузір’ї Тельця 1054 року. Нейтрони складають переважну частину, але не всю масу зорі. Вони домінують в її центрі, але ближче до поверхні знаходяться ядра елементів групи заліза й вільні електрони. Поверхня нейтронної зорі — це так звана кора, товщиною лише декілька сантиметрів, що складається із звичайної речовини, але не у звичайному, а в надщільному стані.

Діаметр нейтронних зір, якщо вважати їхню форму близькою до сфери, становить всього 10—20 км (!), а щільність перевищує сотні тисяч тон у 1 кубічному сантиметрі. Колись властивості білих карликів вразили світ, у 60-х роках прийшов час дивуватися властивостям нейтронних зір.

Невеликі розміри й висока щільність нейтронних зір породили багато інших їх незвичайних якостей. Одна з них — це дуже висока швидкість осьового обертання. Адже під час колапсу момент обертання зорі незмінився, а розміри стали меншими у десятки тисяч разів. Отже, кутова швидкість повинна була б відповідно зрости. Якщо взяти до уваги відомі періоди пульсарів, то більшість нейтронних зір здійснює повний оберт навколо своєї осі менше, ніж за секунду. А наймолодший і «найшвидший» пульсар із Крабоподібної туманності здійснює майже 30 обертів за секунду! Важко собі навіть уявити, що куля діаметром 10—20 км може обертатися зі швидкістю шпинделя токарного верстата.

Інша найважливіша особливість пульсарів — це колосальні магнітні поля на поверхні нейтронних зір. Причиною їх виникнення є також катастрофічне зменшення радіуса нейтронної зорі. При гравітаційному колапсі магнітний потік зберігає своє значення, але площа, крізь яку він витікає, стає надзвичайно малою. Це призводить до різкого збільшення щільності потоку магнітної енергії та підвищення напруженості магнітного поля до значень 10 і більше мільярдів гаусів. Існують навіть дані про те, що на полюсах значення напруженості досягає 10¹² Ге.

У цій властивості нейтронних зір саме й ховається причина радіовипромінювання пульсарів. Воно виникає в районі магнітних полюсів зорі, яка швидко обертається. Траєкторія швидких електронів, які залишають зорю і гальмуються її магнітним полем, викривляється, внаслідок чого вони випромінюють у радіодіапазоні. З фізики відомо, що випромінювання електрона в магнітному полі сконцентроване у межах тілесного кута, величина якого залежить від швидкості електрона. Чим більша швидкість — тим менший кут. При швидкості, близькій до світлової, електрон випромінює не у всіх напрямках, а, переважно, у напрямку свого руху, у досить вузькому конусі. Оскільки електрони рухаються вздовж магнітних силових ліній, які в районі магнітних полюсів майже паралельні магнітній осі, то виходить, що більша частина випромінюваної електронами енергії спрямована якраз уздовж цієї осі. Таким чином, пульсар — це нейтронна зоря, що швидко обертається й у якої з магнітних полюсів у вигляді двох вузьких променів витікає потужний потік електромагнітних хвиль.

Але навіть після такого визначення характеристика пульсара залишається неповною. Допитливий читач вже, напевно, замислився над питанням: а чому, власне, пульсари пульсують? У Всесвіті багато різноманітних об’єктів, що випромінюють потужні радіохвилі, в тому числі й радіохвилі, що завдячують своїм походженням прискоренню або гальмуванню швидких електронів у сильних магнітних полях. Але тільки пульсари надсилають чіткі радіоімпульси, що йдуть один за одним із такою високою частотою.

Нарешті ми підійшли до того моменту, коли на картину з портретом пульсара можемо нанести останній, завершальний штрих. Виявляється, не кожна нейтронна зоря проявляє властивості пульсара. Таку властивість мають тільки ті зорі, в яких магнітний полюс лежить осторонь від осі обертання. Тобто магнітний полюс і «пульсарографічний» полюс (за аналогією з географічним полюсом Землі) не збігаються. Порівняння із Землею у даному разі цілком доречне, оскільки на нашій планеті магнітний та географічний полюси лежать у різних точках поверхні. У пульсарах при обертанні зорі навколо своєї «пульсарографічної» осі вузькос-прямований потік радіовипромінювання, що виходить з магнітних полюсів, описує у просторі конус. Нейтронна зоря може бути нами визначена як пульсар тільки утому випадку, якщо твірна конуса буде перетинати точку, в якій міститься Cонячна система (див. рис. нижче). В протилежному випадку нейтронна зоря, що обертається, ніколи не буде зареєстрована нами як пульсар, й швидше за все, ми навіть не дізнаємося про те, що вона нейтронна. Тільки щасливий випадок надає нейтронній зорі можливість проявити свою фізичну сутність якраз через феномен пульсара. Саме такий дивний і, треба сказати, дуже корисний збіг привів до того, що нейтронна зоря з Крабоподібної туманності була виявлена завдяки пульсуючому випромінюванню. Якби полярна вісь цієї зорі .займала дещо інше положення у просторі або її магнітний полюс був би ледь-ледь зсунутий щодо нинішнього положення, вченим Землі ще довго не довелося б радіти відкриттю пульсарів. Звичайно, з часом були б виявлені інші пульсари, але відомість про наймолодший на цей час пульсар не містилися б у астрофізичних каталогах.

Нейтронна зоря може бути нами визначена як пульсар тільки утому випадку, якщо твірна конуса буде перетинати точку, в якій міститься Cонячна система.

У короткій статті неможяиво описати всі незвичайні властивості пульсарів і тим більше, нейтронних зір. Довелося оминути згадки про невидимі в оптиці ртгенівскі пульсари, про форми їхніх імпульсів, про зміну періоду обертання (стисло про це див. у таблиці, доданій до статті), про саму структуру пульсара й багато іншого.

За відкриття .пульсарів Е Хьюішу (спільно з М. Райлом) була прируджена Нобелівська премія. Якщо залишити осторонь імена лауреатів, то це відкриття поза сумнівами гідне значної нагороди.

Сам факт існування нейтронних зір та їх дивовижні особливості, які стали доступними земним інструментам через феномен пульсара, відкрили перед астрофізикою багатообіцяючу перспективу. Стало можливим не тільки вивчати дуже пізні стадії еволюції зір але й значно розширилися уявлення учених щодо різноманіття форм зоряного населення, З’явилася надія на відкриття у майбутньому ще більш екзотичних об’єктів: баріонних та гіперонних зір. Дуже важливий психологічний аспект цього відкриття. Вчені вже вкотре переконалися в тому, що найфантастичніші гіпотези про дивовижність Всесвіту врешті-решт підтверджуються, якщо вони побудовані на ретельних спостереженнях і правильних розрахунках. Навряд чи хто заперечуватиме, що подальше вивчення пульсарів дозволить зазирнути у надра нейтронних зір, що у свою чергу поглибить знання про ієрархію структури субядерної речовини і таким чином, впритул наблизить нас до таємниці походження Всесвіту.

Таблиця

Характеристики деяких добре вивчених пульсарів, зміст наведених параметрів зрозумілий із назви колонок

Джерело: Науково-популярний журнал «Пульсар», №1, 1998 р., с. 2—6