Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Рентгеновский пульсар - космический источник переменного рентгеновского излучения , приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся импульсов.

История открытия

Открытие рентгеновских пульсаров как отдельного феномена произошло в 1971 году при помощи данных, полученных первой рентгеновской орбитальной обсерваторией Uhuru . Первый открытый рентгеновский пульсар Центавр Х-3 демонстрировал не только регулярные пульсации яркости с периодом около 4,8 секунды, но и регулярное изменение этого периода . Дальнейшие исследования показали, что изменение периода пульсаций в этой системе связано с эффектом Доплера при движении источника пульсаций по орбите в двойной системе. Интересно отметить, что источник GX 1+4, открытый в эксперименте на стратостате, проведенном в октябре 1970 года (статья об этих измерениях подана в печать уже после опубликования результата по источнику Cen X-3 группой, работающей с данными обсерватории Uhuru), и у которого были обнаружены регулярные изменения яркости с периодом около 2.3 минут, также оказался пульсаром. Однако ограниченность данных стратостатного эксперимента не позволяла сделать надежные утверждения о строгой регулярности изменения яркости этого источника, поэтому нельзя считать этот источник первым открытым рентгеновским пульсаром.

Формально впервые излучение замагниченной вращаюшейся нейтронной звезды (то есть пульсара) в Крабовидной туманности было обнаружено ещё в 1963 году , то есть ещё до открытия нейтронных звезд в 1967 году Э. Хьюишем и Дж. Белл . Однако очень малый период вращения нейтронной звезды в Крабовидной туманности (около 33 мсек) не позволял обнаружить пульсации рентгеновского излучения на этой частоте до 1969 года .

Физическая природа рентгеновских пульсаров

Рентгеновские пульсары можно разделить на два больших класса по источнику энергии, питающем рентгеновское излучение: аккрецирующие рентгеновские пульсары и одиночные рентгеновские пульсары. Первые представляют собой двойную систему, одним из компонентов которой является нейтронная звезда , а вторым звезда, либо заполняющая свою полость Роша , в результате чего происходит перетекание материи с обычной звезды на нейтронную, либо звезда-гигант с мощным звездным ветром.

Нейтронные звезды - это звезды с очень малыми размерами (20-30 км в диаметре) и чрезвычайно высокими плотностями , превышающими плотность атомного ядра . Считается, что нейтронные звёзды появляются в результате взрывов сверхновых . При взрыве сверхновой происходит стремительный коллапс ядра нормальной звезды, которое затем и превращается в нейтронную звезду. Во время сжатия в силу закона сохранения момента импульса , а также сохранения магнитного потока происходит резкое увеличение скорости вращения и магнитного поля звезды. Быстрая скорость вращения нейтронной звезды и чрезвычайно высокие магнитные поля (10 12 -10 13 Гс) являются основными условиями возникновения феномена рентгеновского пульсара.

Падающее вещество образует аккреционный диск вокруг нейтронной звезды. Но в непосредственной близости от нейтронной звезды он разрушается: движение плазмы сильно затруднено поперек силовых линий магнитного поля. Вещество больше не может двигаться в плоскости диска, оно движется вдоль линий поля и падает на поверхность нейтронной звезды в области полюсов. В результате образуется так называемая аккреционная колонка , размеры которой много меньше размеров самой звезды . Материя, ударяясь о твердую поверхность нейтронной звезды, сильно разогревается и начинает излучать в рентгене . Пульсации излучения связаны с тем, что из-за быстрого вращения звезды, аккреционная колонка то уходит из вида наблюдателя, то снова появляется.

В плане физической картины близкими родственниками рентгеновских пульсаров являются поляры и промежуточные поляры . Различие между пульсарами и полярами заключается в том, что пульсар - это нейтронная звезда, а поляр - белый карлик . Соответственно у них ниже магнитные поля и скорость вращения.

По мере старения нейтронной звезды её поле ослабевает, и рентгеновский пульсар может стать барстером .

Одиночные рентгеновские пульсары представляют собой нейтронные звезды, чье рентгеновское излучение возникает в результате либо излучения ускоренных заряженных частиц, либо в результате простого остывания их поверхностей.

См. также

Напишите отзыв о статье "Рентгеновский пульсар"

Примечания

Ссылки

Эволюция Протозвёзды Типы Останки Обычное вещество Сверхплотные Гипотетические «Недозвёзды» Строение Нуклеосинтез Свойства Списки

Отрывок, характеризующий Рентгеновский пульсар

– Мама, голубчик, – сказала Наташа, становясь на колени перед матерью и близко приставляя свое лицо к ее лицу. – Виновата, простите, никогда не буду, я вас разбудила. Меня Мавра Кузминишна послала, тут раненых привезли, офицеров, позволите? А им некуда деваться; я знаю, что вы позволите… – говорила она быстро, не переводя духа.
– Какие офицеры? Кого привезли? Ничего не понимаю, – сказала графиня.
Наташа засмеялась, графиня тоже слабо улыбалась.
– Я знала, что вы позволите… так я так и скажу. – И Наташа, поцеловав мать, встала и пошла к двери.
В зале она встретила отца, с дурными известиями возвратившегося домой.
– Досиделись мы! – с невольной досадой сказал граф. – И клуб закрыт, и полиция выходит.
– Папа, ничего, что я раненых пригласила в дом? – сказала ему Наташа.
– Разумеется, ничего, – рассеянно сказал граф. – Не в том дело, а теперь прошу, чтобы пустяками не заниматься, а помогать укладывать и ехать, ехать, ехать завтра… – И граф передал дворецкому и людям то же приказание. За обедом вернувшийся Петя рассказывал свои новости.
Он говорил, что нынче народ разбирал оружие в Кремле, что в афише Растопчина хотя и сказано, что он клич кликнет дня за два, но что уж сделано распоряжение наверное о том, чтобы завтра весь народ шел на Три Горы с оружием, и что там будет большое сражение.
Графиня с робким ужасом посматривала на веселое, разгоряченное лицо своего сына в то время, как он говорил это. Она знала, что ежели она скажет слово о том, что она просит Петю не ходить на это сражение (она знала, что он радуется этому предстоящему сражению), то он скажет что нибудь о мужчинах, о чести, об отечестве, – что нибудь такое бессмысленное, мужское, упрямое, против чего нельзя возражать, и дело будет испорчено, и поэтому, надеясь устроить так, чтобы уехать до этого и взять с собой Петю, как защитника и покровителя, она ничего не сказала Пете, а после обеда призвала графа и со слезами умоляла его увезти ее скорее, в эту же ночь, если возможно. С женской, невольной хитростью любви, она, до сих пор выказывавшая совершенное бесстрашие, говорила, что она умрет от страха, ежели не уедут нынче ночью. Она, не притворяясь, боялась теперь всего.

M me Schoss, ходившая к своей дочери, еще болоо увеличила страх графини рассказами о том, что она видела на Мясницкой улице в питейной конторе. Возвращаясь по улице, она не могла пройти домой от пьяной толпы народа, бушевавшей у конторы. Она взяла извозчика и объехала переулком домой; и извозчик рассказывал ей, что народ разбивал бочки в питейной конторе, что так велено.
После обеда все домашние Ростовых с восторженной поспешностью принялись за дело укладки вещей и приготовлений к отъезду. Старый граф, вдруг принявшись за дело, всё после обеда не переставая ходил со двора в дом и обратно, бестолково крича на торопящихся людей и еще более торопя их. Петя распоряжался на дворе. Соня не знала, что делать под влиянием противоречивых приказаний графа, и совсем терялась. Люди, крича, споря и шумя, бегали по комнатам и двору. Наташа, с свойственной ей во всем страстностью, вдруг тоже принялась за дело. Сначала вмешательство ее в дело укладывания было встречено с недоверием. От нее всё ждали шутки и не хотели слушаться ее; но она с упорством и страстностью требовала себе покорности, сердилась, чуть не плакала, что ее не слушают, и, наконец, добилась того, что в нее поверили. Первый подвиг ее, стоивший ей огромных усилий и давший ей власть, была укладка ковров. У графа в доме были дорогие gobelins и персидские ковры. Когда Наташа взялась за дело, в зале стояли два ящика открытые: один почти доверху уложенный фарфором, другой с коврами. Фарфора было еще много наставлено на столах и еще всё несли из кладовой. Надо было начинать новый, третий ящик, и за ним пошли люди.
– Соня, постой, да мы всё так уложим, – сказала Наташа.
– Нельзя, барышня, уж пробовали, – сказал буфетчнк.
– Нет, постой, пожалуйста. – И Наташа начала доставать из ящика завернутые в бумаги блюда и тарелки.
– Блюда надо сюда, в ковры, – сказала она.
– Да еще и ковры то дай бог на три ящика разложить, – сказал буфетчик.
– Да постой, пожалуйста. – И Наташа быстро, ловко начала разбирать. – Это не надо, – говорила она про киевские тарелки, – это да, это в ковры, – говорила она про саксонские блюда.
– Да оставь, Наташа; ну полно, мы уложим, – с упреком говорила Соня.
– Эх, барышня! – говорил дворецкий. Но Наташа не сдалась, выкинула все вещи и быстро начала опять укладывать, решая, что плохие домашние ковры и лишнюю посуду не надо совсем брать. Когда всё было вынуто, начали опять укладывать. И действительно, выкинув почти все дешевое, то, что не стоило брать с собой, все ценное уложили в два ящика. Не закрывалась только крышка коверного ящика. Можно было вынуть немного вещей, но Наташа хотела настоять на своем. Она укладывала, перекладывала, нажимала, заставляла буфетчика и Петю, которого она увлекла за собой в дело укладыванья, нажимать крышку и сама делала отчаянные усилия.
– Да полно, Наташа, – говорила ей Соня. – Я вижу, ты права, да вынь один верхний.
– Не хочу, – кричала Наташа, одной рукой придерживая распустившиеся волосы по потному лицу, другой надавливая ковры. – Да жми же, Петька, жми! Васильич, нажимай! – кричала она. Ковры нажались, и крышка закрылась. Наташа, хлопая в ладоши, завизжала от радости, и слезы брызнули у ней из глаз. Но это продолжалось секунду. Тотчас же она принялась за другое дело, и уже ей вполне верили, и граф не сердился, когда ему говорили, что Наталья Ильинишна отменила его приказанье, и дворовые приходили к Наташе спрашивать: увязывать или нет подводу и довольно ли она наложена? Дело спорилось благодаря распоряжениям Наташи: оставлялись ненужные вещи и укладывались самым тесным образом самые дорогие.

Аномальный рентгеновский пульсар - Аномальные рентгеновские пульсары (Аnomalous X ray Pulsars, AXP) источники пульсирующего рентгеновского излучения. Название «аномальные» появилось в результате того, что долгое время не был ясен резервуар энергии, который используется нейтронной… … Википедия

Пульсар - Схематическое изображение пульсара. Сфера в центре изображения нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы потоки излучения пульсара … Википедия

рентгеновский (гамма-) пульсар - Источник космического рентгеновского (гамма) излучения, имеющего периодический характер, связанный с вращением компактного объекта вокруг своей оси. [ГОСТ 25645.108 84] Тематики излуч. рентген. и гамма излуч. космические EN х (gamma) pulsar … Справочник технического переводчика

РЕНТГЕНОВСКИЙ ТЕЛЕСКОП - прибор для исследования временных и спектр. св в источников косм. рентг. излучения, а также для определения координат этих источников и построения их изображения. Существующие Р. т. работают в диапазоне энергий e фотонов рентг. излучения от 0,1… … Физическая энциклопедия

Радиопульсар - Сигналы PSR B1919+21 на частоте 72,7 МГц Радиопульсар космический источник импульсного радиоизлучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов) … Википедия

Нейтронная звезда - Строение нейтронной звезды. Нейтронная звезда астрономический объект, являющийся одним из конечных продук … Википедия

Белый карлик - У этого термина существуют и другие значения, см. Белый карлик (значения). Белые карлики проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик) … Википедия

Магнетар - в представлении художника Магнетар или магнитар нейтронная звезда, обладающая иск … Википедия

Звёздная эволюция - в астрономии последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени… … Википедия

Магнитное поле звёзд - Магнитное поле Солнца производит корональные выбросы массы. Фото NOAA Звёздное магнитное поле магнитное поле, создаваемое движением проводящей плазмы внутри звёзд главно … Википедия

Рентгеновские пульсары

Рентгеновские пульсары - это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая - яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этих объектов. Первые два рентгеновских пульсара - в созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра - открыты в 1972 г. (за три года до обнаружения барстеров) с помощью американского исследовательского спутница «Ухуру»). Пульсар в Геркулесе посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период - нейтронная звезда и ее компаньон совершают обращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальный период был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству, что «обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня.

(Между прочим, наблюдение рентгеновских затмений для барстеров до последнего времени не удавалось. И это было странно: если орбиты двойных систем ориентированы в пространстве хаотически, то нужно ожидать, что из более чем трех десятков барстеров по крайней мере несколько имеют плоскости орбитального движения, приблизительно параллельные лучу зрения (как у пульсара в Геркулесе), чтобы обычная звезда могла периодически закрывать от нас нейтронную звезду. Только в 1982 г., т. е. через 7 лет после открытия барстеров, один пример затменного барстера был, наконец, обнаружен.) Длительные наблюдения позволили установить еще один - третий - период рентгеновского пульсара в Геркулесе: этот период составляет 35 дней, из которых 11 дней источник светит, а 24 дня нет. Причина этого явления остается пока неизвестной. Пульсар в созвездии Центавра имеет период пульсаций 4,8 с. Период орбитального движения составляет 2,087 дня - он тоже найден по рентгеновским затмениям. Долгопериодических изменений, подобных 35-дневному периоду пульсара в созвездии Геркулеса у этого пульсара не находят. Компаньоном нейтронной звезды в двойной системе этого пульсара является яркая видимая звезда-гигант с массой 10-20 Солнц. В большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских пульсарах является яркая голубая звезда-гигант. Этим они отличаются от барстеров, которые содержат слабые звезды-карлики. Но как и в барстерах, в этих системах возможно перетекание вещества от обычной звезды к нейтронной звезде, и их излучение тоже возникает благодаря нагреву поверхности нейтронной звезды потоком аккрецируемого вещества.

Это тот же физический механизм излучения, что и в случае фонового (не вспышечного) излучения барстера. У некоторых из рентгеновских пульсаров вещество перетекает к нейтронной звезде в виде струи (как в барстерах). В большинстве же случаев звезда-гигант теряет вещество в виде звездного ветра - исходящего от ее поверхности во все стороны потока плазмы, ионизированного газа. (Явление такого рода наблюдается и у Солнца, хотя солнечный ветер и слабее - Солнце не гигант, а карлик.) Часть плазмы звездного ветра попадает в окрестности нейтронной звезды, в зону преобладания ее тяготения, где и захватывается ею.

Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные частицы плазмы начинают испытывать воздействие еще одного силового поля магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно перестроить аккреционный поток, сделать его несферически-симметричным, а направленным. Как мы сейчас увидим, из-за этого и возникает эффект пульсаций излучения, эффект маяка. Есть все основания полагать, что нейтронные звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значений магнитной индукции 10 8 – 10 9 Тл, что в 10 11 – 10 12 Тл раз больше среднего магнитного поля Солнца. Но такие поля естественно получаются в результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную. Согласно общим соотношениям электродинамики магнитная индукция В поля, силовые линии. которого пронизывают данную массу вещества, усиливается при уменьшении геометрических размеров R этой массы.

Это соотношение следует из закона сохранения магнитного потока. Стоит обратить внимание на то, что магнитная индукция нарастает при сжатии тела точно так же, как и его частота вращения. При уменьшении радиуса звезды от значения, равного, например, радиусу Солнца 10 9 м, до радиуса нейтронной звезды, 10 4 м магнитное поле усиливается на 10 порядков. Магнитное поле с индукцией B=10 -4 Тл сравнимое с полем Солнца, считается более или менее типичным для обычных звезд; у некоторых «магнитных» звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можно ожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезд действительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такому заключению пришел советский астрофизик Н. С. Кардашев еще в 1964 г.

По своей структуре, т. е. по геометрии силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным.

Вещество, аккрецируемое нейтронной звездой, - это звездный ветер, оно ионизовано, и поэтому взаимодействует при своем движении с ее магнитным полем. Известно, что движение заряженных частиц поперек силовых линий поля затруднено, а движение вдоль силовых линий происходит беспрепятственно. По этой причине аккрецируемое вещество движется вблизи нейтронной звезды практически по силовым линиям ее магнитного поля. Магнитное поле нейтронной звезды как бы создает воронки у ее магнитных полюсов, и в них направляется аккреционный поток. На такую возможность указали еще в 1970 г. советские астрофизики Г. С. Бисноватый-Коганта. А. М. Фридман. Благодаря этому нагрев поверхности нейтронной звезды оказывается неравномерным: у полюсов температура значительно выше, чем на всей остальной поверхности. Горячие пятна у полюсов имеют, согласно расчетам, площадь около одного квадратного километра; они и создают главным образом излучение звезды - ведь светимость очень чувствительна к температуре - она пропорциональна температуре в четвертой степени.

Как и у Земли, магнитная ось нейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает эффект маяка: яркое пятно то видно, то не видно наблюдателю. Излучение быстро вращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым, пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. На самом деле излучение горячего пятна происходит, конечно, непрерывно, но оно не равномерно по направлениям, не изотропно, и рентгеновские лучи от него не направлены все время на нас, их пучок вращается в пространстве вокруг оси вращения нейтронной звезды, пробегая по Земле один раз за период.

От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярных пульсаций. Почему же барстеры не пульсируют, а пульсары не вспыхивают? Все дело, вероятно, в том, что магнитное поле нейтронных звезд в барстерах заметно слабее, чем в пульсарах, и потому оно не влияет сколько-нибудь заметно на динамику аккреции, допуская более или менее равномерный прогрев всей поверхности нейтронной звезды. Ее вращение, которое может быть столь же быстрым, как и у пульсаров, не сказывается на рентгеновском потоке так как этот поток изотропен. С другой стороны, предполагают, что поле магнитной индукцией B=10 -8 Тл способно как то - хотя, правда, и не вполне ясно пока, как именно, - подавлять термоядерные взрывы в приполярных зонах нейтронных звезд. Различие в магнитном поле связано, вероятно, с различием возраста барстеров и пульсаров. О возрасте двойной системы можно судить по обычной звезде-компаньону.

Нейтронные звезды в рентгеновских пульсарах имеют компаньонами яркие звезды-гиганты; в барстерах же компаньонами нейтронных звезд являются слабые по блеску звезды малых масс. Возраст ярких гигантов не превышает нескольких десятков миллионов лет, тогда как возраст слабых звезд-карликов может насчитывать миллиарды лет: первые гораздо быстрее расходуют свое ядерное топливо, чем вторые. Отсюда следует, что барстеры - это старые системы, в которых магнитное поле успело со временем в какой-то степени ослабнуть, а пульсары - это относительно молодые системы и потому магнитные поля в них. сильнее. Может быть, барстеры когда-то в прошлом пульсировали, а, пульсарам еще предстоит вспыхивать в будущем.

Известно, что самые молодые и яркие звезды Галактики находятся в ее диске, вблизи галактической плоскости. Естественно поэтому ожидать, что и рентгеновские пульсары с их яркими звездами-гигантами располагаются преимущественно у галактической плоскости. Их общее распределение по небесной сфере должно отличаться от распределения барстеров, старых объектов, которые - как и все старые звезды Галактики - концентрируются не к ее плоскости, а к галактическому центру. Наблюдения подтверждают эти соображения: рентгеновские пульсары действительно находятся в диске Галактики, в сравнительно узком слое по обе стороны галактической плоскости. Такое же распределение на небе обнаруживают и пульсары, излучающие радиоимпульсы, - радиопульсары.

- источники переменного периодического рентг. излучения, представляющие собой вращающиеся с сильным магн. полем, излучающие за счет (падения вещества на их поверхность). Магн. поля на поверхности Р.п. ~ 10 11 -10 14 Гс. большинства Р.п. от 10 35 -10 39 эрг/с. Периоды следования импульсов P от 0,7 с до неск. тысяч с. Р.п. входят в тесные двойные звездные системы, вторым компонентом к-рых явл. нормальная (невырожденная) звезда, поставляющая вещество, необходимое для аккреции и норм. функционирования Р.п. Если второй компонент находится на стадии эволюции, когда скорость потери массы (этим компонентом) мала (см. ), нейтронная звезда не проявляет себя как Р.п. Рентг. пульсары встречаются как в массивных молодых двойных звездых системах, относящихся к населению I Галактики и лежащих в ее плоскости, так и в маломассивных двойных системах, относящихся к населению II и принадлежащих к сферич. составляющей Галактики. Р.п. открыты также в . Всего открыто ок. 20 Р.п.

На начальном этапе исследований открываемым рентг. объектам присваивались наименования по созвездиям, в к-рых они находятся. Напр., Геркулес X-1 означает первый по рентг. яркости объект в созвездии Геркулеса, Кентавр Х-3 - третий по яркости в созвездии Кентавра. Р.п. в Малом Магеллановом Облаке обозначается как SMC X-1, в Большом Магеллановом Облаке - LMC X-4. Обнаружение со спутников большого числа рентг. источников потребовало др. системы обозначений. Напр., 4U 1900-40 соответствует обозначению Р.п. Паруса Х-1 в четывертом каталоге "Ухуру". Первые четыре цифры обозначают прямое восхождение (19 ч 00 мин), а вторые две вместе со знаком дают склонение объекта. Аналогичный смысл имеют цифры в обозначении источников, открытых спутником "Ариэль" (Великобритания), напр. A 0535+26. Обозначения типа GX 1+4 относятся к источникам в центральной области Галактики. Цифры соответствуют галактич. координатам (см. ) l и b (в данном случае l =1 o , b =+4 o). Употребляются и др. обозначения. Так, открытый с борта советских АМС "Венера-11, -12" в эксперименте "Конус" вспыхивающий Р.п. с периодом 8 с (см. ) получил наименование FXP 0520-66.

Переменность излучения Р.п.

Короткопериодическая переменность рентг. излучения Р.п. иллюстрирует рис. 1, на к-ром приведена запись излучения одного из первых открытых Р.п. - Кентавр Х-3 (май 1971 г., спутник "Ухуру", США). Период следования импульсов P=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 (нижний график). Тщательные исследования показали также, P зависит от фазы двухдневного периода T=2,087 сут по гармонич. закону (верхний график): , где - изменение P, P 0 - невозмущенное значение P , A - амплитуда относит. изменения P , t 0 соответствует одному из моментов, когда отклонение периода максимально. Эти два факта интерпретируются однозначно: Р.п. входит в двойную систему с орбитальным периодом, равным T. "Исчезновения" объясняются затмениями Р.п. вторым компонентом двойной системы. По продолжительности затмения можно сдеалть вывод о том, что второй (затмевающий) компонент заполняет свою критическую . Периодич изменения P обусловлены при орбитальном движении Р.п. вокруг центра массдвойной системы. Амплитуда изменения периода , где i - угол наклонения орбиты двойной системы (в этой системе близок к 90 o), 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 P - в большинстве двойных систем с Р.п.

После открытия Р.п. в его окрестности обычно быстро находят переменную оптич. звезду (второй компонент двойной системы)Ю блеск к-рой меняется с периодм, равным орбитальному или в два раза меньшим (см. ниже). Кроме того, спектр. линии оптич. компонента испытывают доплеровский сдвиг, периодически изменяющийся с орбитальным периодом вдойной системы. Оптич. переменность двойных систем с Р.п. обусловлена двумя эффектами. Первй эффект (эффект отражения) наблюдается в системах, в к-рых светимость оптич. звезды меньше светимости Р.п. Сторона звезды, обращенная 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 наиболее отчетливо проявляется в системе, включающей Р.п. Геркулес Х-1 и звезду HZ Геркулеса. На ед. поверхности этой звезды, обращенной к рентг. источнику, падает в тридцать раз больше энегрии в виде рентг. излучения, чем поступает из недр звезды. В результате амплитуда оптич. переменности превышает 2 m в фильтре B. Часть рентг. излучения отражается атмосферой звезды, но осн. доля поглощается ею и перерабатывается в оптич. излучение. Это излучение слабо пульсирует с периодом P. Часть энергии уходит на эффективное нагревание вещества на поверхности, сопровождающееся формированием т.н. индуцированного звездного ветра.

Второй эффект, называемый эффектом эллипсоидальности, связан с тем, что форма звезды, заполняющей критич. полость Роша, заметно отличается от сферической. В результате два раза за орбитальный период к наблюдателю обращена большая часть поверхности и два раза меньшая. Такая переменность с периодом, вдвое меньшим орбитального периода двойной системы, 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 звездных системах возможны два осн. типа аккреции: дисковая и сферически-симметричная. Если перетекание вещества идет преимущественно через внутр. точку Лагранжа, то перетекающее вещество обладает значит. уд. моментом количества движения и вокруг нейтронной звезды образуется . Если норм. звезда теряет вещество посредством звездного ветра, то возможно формирование ударной волны и близкая к сферически-симметричной аккреции за ней.

Рис. 3. Упрощенная 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 изображено на рис. а (, M - угловая скорость вращения и магнитный момент нейтронной звезды). Условия вмораживания плазмы в магнитосферу благоприятны не на всей ее поверхности. Вмороженная плазма течет вдоль линий к магнитным полюсам (стрелки). Вблизи полюсов аккреционный канал представляет собой незамкнутый венец (б).

Свободное падание (при сферически-симметричной аккреции) возможно лишь на больших расстояниях от звезды. Вблизи радиуса R M ~ 100-1000 км (радиус магнитосферы) давление магн. поля нейтронной звезды сравнивается с давлением аккрецирующего потока вещества и останавливает его. В зоне 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 счет . Благодаря 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 ее в область магн. полюсов (рис. 3, б). Зона, на к-рую выпадает вещество, по-видимому, не превышает по площади 1 км 2 . На поверхности нейтронной звезды гравитац. энергия связи на ед. массы , поток выпадающего вещества, необходимый для поддержания светимости L X ~ 10 35 -10 39 эрг/с Р.п. равен в год. На 1 см 2 поверхности выпадает более тонны вещества в секунду. Скорость свободного падения составляет 0,4 c, при этом кинетич. энергия падающего протона вблизи поверхности нейтронной звезды достигает 140 МэВ.

В Р.п. со светимостью L X

В Р.п. со светимостью, близкой к эрг/с, колоссальное энерговыделение в зоне магн. полюсов приводит к тому, что сила на падающие электроны способна остановить поток аккрецирующего вещества. Вблизи поверхности нейтронной звезды (на высоте 1 м) может сформироваться радиационно-доминированная 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 элестростатич. силами протоны, несущие основную кинетич. энергию. Эта энергия расходуется на увеличение энергии фотонов, вследствие их многократных рассеяний на высокоскоростных электронах (комптонизации). Часть "жестких" фотонов уходит к наблюдателю, а часть попадает в плотные слои атмосферы (нейтронной звезды), нагревая ее. В этих слоях вследствие рождаются многочисленные "мягкие" фотоны, к-рые (испытывая томсоновское рассеяние на падающих электронах) и тормозят падающее вещество.

Если светимость Р.п. превышает 10 37 эрг/с, то над поверхностью нейтронной звезды в районе магн. полюсов формируется аккреционная колонка. Радиационно-димонированная ударная волна возникает на большой высоте над поверхностью нейтронной звезды (сотни метров и даже километры). 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 радиационно-димонированной колонке. Аккреционная колонка может обеспечить светимость, намного превышающую , т.к. с боков колонка удерживается магн. полем, а не силами гравитации. Более того, если магн. поле нейтронной звезды превышает 10 13 Гс, то в основании колонки темп-ра плазмы достигает 10 10 К. При таких темп-рах происходят процессы рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Нейтрино, образующиеся в реакциях , уносят осн. долю светимости. Рентг. светимость (превышающая критическую) составляет малую долю нейтринной светимости . Отметим в связи с этим существование Р.п. SMC X-1 и LMC X-4, имеющих рентг. светимости ~ 10 39 эрг/с, т.е. намного превышающие критическую. Эти объекты имеют, по-видимому, и значительную нейтринную светимость. Излучаемые нейтрино прогревают недра нейтронной звезды и, поглощаясь в недрах норм. компонента двойной системы, дают малый вклад в его оптич. светимость. Поток аккрецирующего вещества в таких объектах может достигать в год. В этом случае возможна ситуация, когда за 10 6 -10 5 лет работы Р.п. на нейтронную звезду выпадет ок. вещества, будет превышен предел устойчивости для нейтронных звезд, произойдет , сопровождающийся взрывом сверхновой редко встречающегося типа и образованием черной дыры. Это может произойти лиль при дисковой аккреции, когда давление излучения не препятствует аккреции на больших расстояниях от тяготеющего центра. Формирование профилей импульсов и спектры излучения Р.п.
Выделение энергии в ограниченной зоне вблизи полюсов нейтронной звезды в совокупности с ее вращением приводит к феномену пульсара: наблюдатель видит излучающую зону под разными углами и принимает переменный во времени поток рентг. излучения. Период P равен периоду вращения нейтронной звезды. Наличие сильного магн. поля может приводить к направленности излучения. В зависимости от соотношения между энергией фотонов, напряженностью магн. поля и темп-рой плазмы могут формироваться как карандашная, так и ножевая диаграммы направленности. Важнейшим параметром явл. гирочастота (циклотронная частота) электрона . Степень направленности явл. функцией отношений и . Диаграмма направленности определят форму профиля импульсов Р.п. Профили импульсов ряда Р.п. приведены на рис. 4. Вид профилей многих Рп. изменяется

Оказалось, что у источников мягких повторяющихся гамма‑всплесков есть родственники. Новый класс одиночных нейтронных звезд был выделен в середине 1990‑х годов сразу несколькими группами ученых, которые изучали так называемые рентгеновские пульсары. Рентгеновских пульсары все тогда представляли исключительно так: это двойные системы, где есть нейтронная звезда и обычная звезда. Вещество с обычной звезды течет на нейтронную, сразу падая на ее поверхность или предварительно закручиваясь в диск. Падающая плазма разогревается до очень высоких температур, и в результате генерируется поток рентгеновского излучения. Напомним, что нейтронная звезда, обладая магнитным полем, каналирует вещество на полярные шапки (примерно как на Земле магнитосфера направляет заряженные частицы в полярные области, и именно там происходят полярное сияния – на севере и на юге нашей планеты). Компактный объект вращается вокруг своей оси, и мы периодически видим то одну полярную шапку, то другую, и таким образом возникает феномен рентгеновского пульсара.

Но исследования показали, что есть странная группа рентгеновских пульсаров, которая отличается от всех остальных. И, немножко забегая вперед, можно сказать, что они оказались магнитарами. Эти странные рентгеновские пульсары имели примерно одинаковые периоды в районе 5–10 секунд (хотя в целом периоды рентгеновских пульсаров заключены в очень широком диапазоне – от миллисекунд до часов). Светимость у них была раз в сто меньше, чем у собратьев. Период вращения все время только увеличивался (в то время как у большинства рентгеновских пульсаров он то уменьшается, то растет). И не наблюдалось никаких свидетельств присутствия второй звезды в системе: не было видно ни самой звезды, ни модуляций излучения, связанных с орбитальным движением. Оказалось, что это в самом деле одиночные нейтронные звезды. Никакого перетекания вещества или, как говорят, аккреции там нет. Просто сама нейтронная звезда имеет очень горячие полярные шапки. Оставалось объяснить почему.

И здесь на помощь как раз приходят сильные магнитные поля. То самое выделение энергии тока, которое происходит не из‑за короткого замыкания, а потихоньку, как в чайнике или электронагревателе, или еще каком‑нибудь электроприборе. Температура выше там, где находится нагревательный элемент, – где течет ток. А потом с помощью теплопроводности, тепло распространяется по всему объему. Поверхность нейтронной звезды действительно можно греть не равномерно, а сильнее прогревать, например, полюса (это происходит из‑за того, что тепло в коре переносят электроны, а им проще двигаться вдоль линий магнитного поля, которые как раз на полюсах направлены к поверхности). Тогда мы тоже будем видеть рентгеновский пульсар.

Какое‑то время обсуждалась гипотеза, что аномальные рентгеновские пульсары могут светить благодаря аккреции. Тогда у них должен быть довольно мощный аккреционный диск. Вещество могло накопиться сразу после взрыва сверхновой. Это могло бы объяснить светимость и периоды источников. Но не объясняет некоторые особенности их всплесков, а главное – вспышки. Оказалось, что некоторые аномальные рентгеновские пульсары могут давать так называемые слабые вспышки, подобные наблюдаемым у источников мягких повторяющихся гамма‑всплесков.

Источники мягких повторяющихся гамма‑всплесков, кстати, между вспышками могут выглядеть как аномальные рентгеновские пульсары. Часть ученых заподозрила, что это «родственники» и роднит их сильное магнитное поле.

Сильные поля

Почему в случае аномальных рентгеновских пульсаров и источников мягких повторяющихся гамма‑всплесков говорят именно о сильных магнитных полях? Разумеется, строго говоря, даже слабые магнитные поля могут приводить к тому, что какие‑то части поверхности нейтронной звезды будут более горячими. И короткое замыкание в принципе можно устроить без очень сильных магнитных полей. Но, конечно, если поля большие, значит, и токи текут большие. Энергии выделяется больше, и объекты просто заметнее. Это первая причина.

Вторую причину мы не будем детально рассматривать, но вкратце она сводится к тому, что сильные токи быстрее и заметнее эволюционируют. То есть для них темп диссипации энергии действительно выше. Однако детальное обсуждение этого вопроса требует детального обсуждения физики процесса с соответствующими выкладками.

Третья причина связана собственно с измерениями магнитных полей. К сожалению, измерить напрямую магнитные поля столь далеких объектов довольно трудно. Массово их измеряют лишь косвенно. Чем сильнее магнитное поле, тем быстрее нейтронная звезда (не взаимодействующая с веществом вокруг) замедляет свое вращение. И по вот этому торможению вращения нейтронных звезд можно оценивать поля. Для радиопульсаров, например, это достаточно хорошо работает. Если такую же методику применить для источников мягких повторяющихся гамма‑всплесков или для аномальных рентгеновских пульсаров, окажется, что поля у них в сотни раз больше, чем у обычных радиопульсаров. То есть при тех же периодах они замедляются в десятки тысяч раз эффективнее: произведение периода вращения на его производную (т. е. на темп замедления) пропорционально квадрату дипольного магнитного поля на поверхности нейтронной звезды.

Есть и другие причины думать, что магнитные поля магнитаров велики. Можно оценить запас энергии, необходимой для поддержания вспышечной активности в течение десятков тысяч лет. Необходимая величина соответствует запасам энергии магнитного поля, если оно велико. Для возникновения пульсирующего хвоста после гигантской вспышки нужно удерживать вещество от разлета – это может сделать сильное магнитное поле. Наконец, спектры магнитаров тоже свидетельствуют в пользу сильных полей.

Красивый результат был получен на рентгеновском спутнике ИНТЕГРАЛ, вначале Сергеем Мольковым с соавторами, а затем и другими группами наблюдателей. До этих наблюдений никто не мог получить спектры магнитаров на энергиях существенно больших 10 кэВ, т. е. за стандартным рентгеновским диапазоном. Экстраполяция спектров (и, соответственно, теоретических моделей) в область энергий жесткого рентгеновского диапазона предсказывала, что источники будут слабыми – спектры спадают в области жесткого рентгена. Оказалось, что это не так. Несколько аномальных рентгеновских пульсаров и источников мягких повторяющихся гамма‑всплесков продемонстрировали мощное излучение в жестком рентгеновском диапазоне. Появились разные модели, объясняющие эти данные. Но самые успешные из них требуют присутствия сильного магнитного поля.

Таким образом, сформировалась первая концепция современных магнитаров: это нейтронные звезды с большими (и в смысле величины, и в смысле пространственной протяженности) магнитными полями. Они довольно редкие – известных магнитаров примерно в сто раз меньше, чем радиопульсаров. Но, дело в том, что они просто очень недолго живут – стадия активного магнитара длится в десятки раз меньше стадии радиопульсара. Они очень быстро замедляются, теряют свою энергию и перестают быть хорошо видимыми объектами. Полагали, что несколько процентов (может быть, до 10 %) всех нейтронных звезд в молодости могут быть вот такими магнитарами.

Уже в тот момент, когда появилась первая магнитарная концепция, встал вопрос, откуда берутся эти сильные магнитные поля. Поскольку если все‑таки нормой являются обычные радиопульсары, то нужно придумать механизм, как усилить поля еще на два порядка. Такой сценарий был предложен уже в первых работах Томсона, Дункана и их соавторов. Он основан на работе динамо‑механизма.

Наглядно идея выглядит так. Мы все представляем себе магнитные поля как силовые линии, как некие «шнуры», торчащие из магнита. Любой шнур можно перекрутить и сложить. Тогда в нашей области шнур будет упакован плотнее. То же самое с магнитным полем – оно станет в два раза сильнее, если вы проделаете такую штуку с силовыми линиями. Для этого нужно, чтобы поле было хорошо связано с веществом, а вещество совершало трехмерное движение. В случае магнитаров это возможно, когда нейтронная звезда, во‑первых, очень быстро вращается, а во‑вторых, она еще жидкая, и в ней возможна конвекция. Тогда конвекция и вращение в протонейтронной звезде могут приводить к тому, что магнитные поля будут усиливаться динамо‑механизмом. Это хорошая идея, но она сталкивается с очень большой проблемой – трудно объяснить, почему же нейтронные звезды столь быстро вращаются вначале. Необходимо вращение в десятки раз быстрее, чем в среднем бывает при рождении у обычных пульсаров. Что же может заставить новорожденную нейтронную звезду так быстро вращаться?

Ее вращение, конечно же, связано с тем, как вращалась звезда‑прародитель. И есть способ дополнительно раскрутить обычную звезду. Это возможно, если она входит в двойную систему. Тогда взаимодействие со звездой‑соседкой может привести к тому, что звезда‑прародитель магнитара будет вращаться в несколько раз быстрее, чем ей положено, и потом может возникнуть быстровращающаяся нейтронная звезда, которая сможет усилить свое магнитное поле и превратиться в магнитар. Пока, к сожалению, непонятно, работает этот механизм, или нет, но по крайней мере есть хорошая такая логическая цепочка, которая приводит к образованию нейтронных звезд с очень сильными магнитными полями как раз примерно в 10 % случаев. И есть наблюдения, которые говорят, что по крайней мере в некоторых случаях магнитары родились из звезд, которые на одной из стадий своей эволюции дополнительно раскрутились в двойных системах.