Реферат
На тему: Пульсары
Подготовил: ученик 9-М класса
2019 год
Введение
На протяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономов видимый свет. Наблюдая, они использовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразия электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. Астрономия преобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики и техники предоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных. Фактически все крупнейшие открытия последних лет – результат современного развития новейших областей астрономии. Одни из таких открытий стали нейтронные звезды – пульсары.
Открытие
В 1967 году астрономы Энтони Хьюиш и Джоселин Белл Бернелл работавшие в Кембриджской обсерватории занимались обычной для астрономов работой – изучением звезд, как вдруг их вниманию попался очень странный космический объект. На первый взгляд это была обычная звезда, но к, удивлению ученых от нее исходили быстрые радиоимпульсы будто что-то или кто-то в космосе пыталось отправить человечеству послание. Первые результаты исследования этого объекта держали в особой секретности, а саму звезду назвали lgm-1. Название было сокращением от английского Little Green Men – Маленькие Зеленые Человечки. Это был не первый случай, когда человек фиксировал радиоисточники в космосе, но объект излучающий настолько быстрые и настолько стабильные импульсы (с частотой в 1,34 секунды) попался ему впервые. Было очень похоже, что создали его искусственно. Чуть позже команда Белл и Хьюиша засекла еще 3 таких объекта, а спустя год в 1968 году журнал “nature” придал этой находке всемирную огласку, опубликовав статью, в которой говорилось об открытии быстрых, переменных, внеземных радиоисточников неизвестной природы. Это сообщение сразу вызвало сенсацию в кругу ученых и уже до конца 1968 года разные астрономы зарегистрировали еще 58 пульсаров. Пульсарами назвали эти объекты благодаря их быстрым импульсам. Пульсары по размеру очень малы и столь компактными, сжатыми до такой высокой степени могут быть лишь нейтронные звезды: их плотность действительно близка к ядерной. Этот вывод подтверждается всей пятнадцатилетней историей изучения пульсаров. Но каково происхождение быстрого вращения нейтронных звезд-пульсаров? Оно несомненно вызвано сильным сжатием звезды при ее превращении из «обычной» звезды в нейтронную. Звезды всегда обладают вращением с той или иной скоростью или периодом: Солнце, например, вращается вокруг своей оси с периодом около месяца. Когда звезда сжимается, ее вращение ускоряется. Можно провести аналогию с танцоркой на льду – когда он прижимает руки она ускоряет свое вращение.
Образование Пульсара
Каждая звезда в нашей вселенной рано или поздно полностью израсходует свои запасы топлива, что, непременно, приведет ее к гибели. Зачастую смерть звезды особо крупных светил сопровождается вспышкой сверхновой. Этот феномен характерен тем что звезда начинает резко увеличивать свою светимость. За очень короткий период ее звездная величина может вырасти на 8 порядков, после чего последует страшной силы взрыв. В ходе взрыва сверхновой верхняя оболочка звезды выбрасывается в космос, в то время как внутренняя начинает сжиматься под собственным весом, стягивая остатки вещества внутрь. Умирающая звезда начинает вращаться быстрее и быстрее, гравитация уплотняет электроны и протоны до такой степени, что в итоге образуется быстро вращающийся шар, состоящий в основном из очень плотно упакованных нейтронов внутри железной оболочки. Чрезвычайные силы тяжести делают ее гладкой и блестящей, в результате получается небольшой объект размером с город, около 30 км в диаметре, который, при этом, весит больше солнца. Материя внутри такого шара упакована настолько плотно, что его частичка размером с сахарный кубик будет весить более 100 миллионов тонн. Это и была та, неизвестная звезда которую обнаружили астрономы Хьюиш и Белл в 1967. У таких звезд всегда очень мощное магнитное поле, которое в триллионы раз сильнее поля Земли.
Источник энергии
Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. И все же для многих пульсаров удалось зарегистрировать и регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения и происходят они крайне медленно, так что регулярность следования импульсов нарушается лишь очень слабо. Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет; это означает, что только за миллион лет можно ожидать заметного - скажем, вдвое - изменения периода.
Во всех известных случаях радиопульсары увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, их вращение замедляется со временем. Что-то тормозит вращение нейтронной звезды, на что-то тратится ее энергия вращения. Так не служит ли вращение источником, питающим излучение пульсара?
Чтобы это проверить, нужно сделать прежде всего энергетическую оценку. Если пульсар действительно излучает за счет вращения, то кинетическая энергия вращения должна обеспечивать наблюдаемую мощность излучения, его светимость.
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 созвездии Центавра — открыты в 1972 г. 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.
Радиопульсары
Распределение радиопульсаров на небесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат нашей Галактике: они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей, экватором галактической координатной сетки. Объекты, которые никак не связаны с галактикой, никогда не показали бы никакой, преимущественной ориентации такого рода. Распределение по направлениям говорит в этом случае о реальном пространственном расположении источников: такая картина может возникнуть лишь тогда, когда источники находятся в диске Галактики. Некоторые из них лежат заметно выше или ниже экватора; но они тоже расположены в диске, около плоскости Галактики, только ближе к нам, чем большинство остальных пульсаров. Ведь вместе с Солнцем мы находимся почти точно в галактической плоскости, и потому направление от нас на близкие объекты внутри хотя бы и узкого слоя может быть, вообще говоря, любым. Близких пульсаров сравнительно мало, и они не затемняют общую картину. Если радиопульсары располагаются вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать, что и сами они являются молодыми. Об одном из них, пульсаре Крабовидной туманности, определенно известно, что он существует всего около тысячи лет - это остаток вспышки сверхновой 1054 года; его возраст значительно меньше времени жизни ярких звезд-гигантов, - 10 миллионов лет, не говоря уже о звездах-карликах, средний возраст которых еще в 1000 раз больше. Строгая периодичность следования импульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость - все это сближает радиопульсары с рентгеновскими пульсарами. Но во многих других отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары - это одиночные, а не двойные звезды. Известно всего три радиопульсара, имеющих звезду-компаньона. У всех остальных, а их более трехсот пятидесяти, никаких признаков двойственности не замечается. Отсюда немедленно следует, что физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии. Другой важнейший факт: спектр излучения радиопульсаров очень далек от какого-либо подобия универсальному чернотельному спектру, который характерен для излучения нагретых тел. Это означает, что излучение радиопульсаров никак не связано с нагревом нейтронной звезды, с температурой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Излучение электромагнитных волн, не связанное с нагревом тела, называют нетепловым. Такое излучение не редкость в астрофизике, физике и технике. Вот простой пример. Антенна радиостанции или телецентра - это проводник определенного размера и формы. В нем имеются свободные электроны, которые под действием специального генератора совершают согласованные движения вдоль проводника туда и обратно с заданной частотой. Так как электроны колеблются в унисон, то и излучают они согласованно: все излучаемые в пространство электромагнитные волны имеют одинаковую частоту - частоту колебаний электронов. Так что спектр излучения антенны содержит только одну частоту или длину волны. Сведения о спектре излучения радиопульсаров удалось получить прежде всего благодаря наблюдениям самого яркого из них - пульсара Крабовидной туманности. Замечательно, что его излучение регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн - от радиоволн до гамма-лучей.
Пульсары и космические лучи
Еще в 1934г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали на возможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическими лучами - частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космического пространства.
Космические лучи были открыты более 60 лет назад и с тех пор служат предметом тщательного изучения. Интерес к ним связан, прежде всего, с возможностью использовать их для исследования взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях, недостижимых в лабораторных ускорительных устройствах. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космических лучах; тогда как на лучших, современных ускорителях достигаются энергии на 8 порядков меньше. тогда как на лучших современных ускорителях достигаются энергии на 8 порядков меньше. Частицы высоких энергии, приходящие к Земле из межпланетного и межзвездного пространства, порождают в земной атмосфере новые, вторичные частицы, тоже обладающие немалыми энергиями. Но более всего интересны, очевидно, исходные, первичные частицы. Они представляют собою главным образом протоны; среди них имеются в небольшом числе и атомные ядра таких элементов, как гелий, литий, бериллий, углерод, кислород и т. д., вплоть до урана.