Пульсари: Ліхтаряна модель обертової нейтронної зірки

А нейтронна зірка розміром із місто, що неперервно обертається

Пульсар – це швидко обертаюча нейтронна зірка — спалахом залишки від злиття маси приблизно як Сонця, стиснутого в сферу близько 20 км у діаметрі, достатньо щільну, щоб чайна ложка важила мільярди тонн. Збереження кутового моменту під час цього колапсу пояснює, чому пульсари обертаються настільки швидко: ядро зірки, яке тримало тижні для обертання до колапсу, може обертатися десятками або сотнями разів на секунду після стиснення до зоряної щільності, з тієї ж причини фігурист швидше обертається, коли він затягує руки.

Модель маяка

Магнітне поле пульсара зазвичай не орієнтоване паралельно його осі обертання — так само, як і зміщення, яке має Земля між її магнітним та географічним полювами, але набагато сильніше. Зарядові частинки, прискорені вздовж магнітних ліній поблизу магнітних полюсів, випромінюють вузький, щільно спрямований конус радіовипроміння (та часто рентгенівських або гамма-випромінь) вздовж кожного магнітного полю. Коли зірка обертається, цей промінь переміщується навколо як маяк, і лише якщо Земля потрапляє в поле цього променя, ми виявляємо імпульс один раз (або двічі, для обох полюсів) на оберт. Це називається моделлю маяка, яка вперше була запропонована протягом кількох місяців після відкриття пульсарів Джосілін Белл Бернелл та Антоні Хьюішем у 1967 році, і пояснює, чому більшість нейтронних зірок у галактиці ніколи не спостерігаються як пульсари з Землі — їхні промені просто ніколи не перетинають нас.

Чому імпульси так точно регулярні

Період пульсара визначається його моментом інерції та кутовою швидкістю обертання, обидва з яких надзвичайно великі та змінюються вкрай повільно — пульсари, серед природних годинників, є найстабільнішими після атомних годинників, деякі мілісекундні пульсари підтримують час з точністю до 10⁻¹⁵ за роки. Ця регулярність дозволила використовувати пульсари для непрямого підтвердження існування гравітаційних хвиль (орбітальний спад бінарного пульсара Хулз-Тейлор відповідав передбаченням загальної теорії відносності з високою точністю, що принесло 1993 рік Нобелівську премію) і зараз сучасні обчислювальні масиви на основі пульсарів використовують для пошуку стохастичного гравітаційного фону від бінарних супермасивних чорних дір у всьому Всесвіті.

Обертання та уповільнення: пульсари поступово втрачають обертальний момент

Навіть якщо період здається надзвичайно стабільним на людських часових масштабах, кожен пульсар поступово сповільнюється, коли випромінює енергію через електромагнітні хвилі та частинний вітер. Швидкість уповільнення описується індексом гальмування n:

dΩ/dt = -k · Ω^n n = 3 для гальмування за чистого магнітного диполя (ідеалізований) спостережуваний n зазвичай 2.0-2.9 для реальних пульсарів (частинний вітер + суміш з диполем)

Порівнюючи поточний період із швидкістю його уповільнення, можна отримати приблизну характеристичну тривалість життя пульсара. Для молодих пульсарів, таких як пульсар у туманності Краб, ця оцінка дуже добре збігається з історичними записами про вибухи супернових – вибух пульсара в туманності Краб був спостережено та зафіксовано астрономами в 1054 році н.е., а вік уповільнення обертання цього пульсара відповідає приблизно тисячі років.

dΩ/dt = -k · Ω^n
n = 3   for pure magnetic dipole braking (idealised)
observed n typically 2.0-2.9 for real pulsars (particle wind + dipole mix)

Мілісекульні пульсари: відновлені обертання завдяки супутнику

Залишені наодинці, обертання пульсара поступово сповільнюється, що призводить до збільшення періоду та ослаблення механізму променя. Однак деякі старі, повільні пульсари в бінарних системах піддаються рециркуляції: матеріал, що акумулюється від супутньої зірки, передає обертальний момент нейтронній зірці, повертаючи її до обертання з мілісекундних періодів — найшвидший відомий пульсар, PSR J1748-2446ad, здійснює повний оберт менше ніж за 1,4 мілісекунди, що означає, що його поверхня на екваторі рухається значною часткою швидкості світла. Ці мілісекульні пульсари старі (часто мільярди років), але обертаються швидше, ніж будь-який молодий пульсар, саме тому їхня швидкість була позичена від супутника, а не успадкована свіжою після колапсу нещодавньої надзвезді.

Чому ми іноді бачимо імпульси, а не стабільне сяйво

Ліга́тний геометрія також пояснює, чому пульсари, попри безперервне випромінювання з магнітних полюсів, виявляються лише як ряд імпульсів, а не постільним сигналом — точно так само, як промінь ліхтаря невидимий з більшості позицій на березі та спалахує в поле зору лише один раз за обертання для спостерігача, що стоїть у його прохідному шляху. Ширина спостережуваного імпульсу (зазвичай кілька відсотків повного періоду) відображає кутову ширину випромінюючої конуса та геометрію того, як саме промінь перетинає лінію зору спостерігача, що також пояснює, чому форми імпульсів можуть незначно змінюватися протягом років у міру коливання геометрії променя.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Pulsar і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.