Когда массивная заря исчерпывает запасы ядерного топлива, ее ядро сжимается до размеров небольшого города, а внешние слои разлетаются в мощном взрыве сверхновой. Остается нейтронная звезда — объект с невероятной плотностью, иногда начинающий излучать узкие лучи электромагнитного излучения с магнитных полюсов. Если ось вращения не совпадает с магнитной осью, эти лучи подметают космос как луч настоящего маяка. Земля время от времени попадает в этот луч – и астрономы регистрируют четкие, регулярные импульсы. Именно такие объекты называют пульсарами.
Краткий ответ на вопрос: пульсар — это быстровращающаяся нейтронная звезда, имеющая сильное магнитное поле, формирующее узконаправленные лучи излучения. Мы видим пульсар только тогда, когда луч периодически поворачивается в нашу сторону. Не каждая нейтронная звезда является пульсаром – нужна именно такая геометрия лучей и достаточная мощность излучения.
Pulsars to the extreme: Spinning dead stars found blasting radio signals from the 'edge of their magnetic reach' | Space
История открытия: от «маленьких зеленых человечков» до Нобелевской премии
В августе 1967 года аспирантка Кембриджского университета Джоселин Белл Бернелл анализировала записи из нового радиотелескопа. На ленте самописца появились странные регулярные всплески – примерно раз в секунду. Сначала они были списаны на земные помехи или даже на сигналы от внеземных цивилизаций. В шутку объект назвали LGM-1 – Little Green Men.
28 ноября 1967 года Белл зафиксировала четкую периодичность 1,337 секунды. 21 декабря она обнаружила еще один подобный сигнал на другом месте неба. Это окончательно опровергло версию об искусственном происхождении. В 1968 году в прессе появилось слово «пульсар» – сокращение от pulsating source of radio emission.
Энтони Гьюиш, научный руководитель Белл, получил Нобелевскую премию по физике 1974 вместе с Мартином Райлом. Сама Белл, собственноручно обнаружившая первый сигнал, в премию не вошла — факт, до сих пор вызывающий дискуссии в научном мире.
Модель, объясняющая явление, быстро предложил Томас Голд: это вращающиеся нейтронные звезды с наклонным магнитным полем. Идея оказалась правильной.
Как рождается пульсар
Пульсары возникают из звезд начальной массой более 8-10 масс Солнца. Когда в ядре заканчивается водород, а затем гелий и более тяжелые элементы, давление излучения больше не может противостоять гравитации. Ядро коллапсирует за доли секунды. Протоны и электроны «сливаются» в нейтроны, выделяя нейтрино. Наружные слои звезды получают ударную волну и разлетаются — это и есть взрыв сверхновой.
Остаток — нейтронная звезда массой около 1,4 масс Солнца (иногда до 2,3–2,5) и радиусом всего 10–15 километров. Плотность в центре достигает ядерной — чайная ложка такого вещества весит сотни миллионов тонн. Угловой момент сохраняется, поэтому звезда, которая раньше вращалась раз в несколько суток, теперь совершает сотни оборотов в секунду. Магнитное поле, «вмороженное» в проводящую плазму, сжимается и усиливается до 10¹²–10¹⁵гаус.
Сначала пульсар «яркий» — теряет вращательную энергию из-за магнитодипольного излучения и ускорения частиц в магнитосфере. Через 10–100 миллионов лет радиоизлучение слабеет, и объект «угасает» как пульсар, хотя нейтронная звезда продолжает существовать.
Механизм «маяка»: почему появляются импульсы
Магнитная ось обычно наклонена к оси вращения на угол от нескольких до 90 градусов. Из полюсов магнитного поля выходят узкие конусы излучения – в основном радиоволны, иногда оптическое, рентгеновское и гамма-излучение.
Заряженные частицы ускоряются вдоль искривленных силовых линий магнитного поля и излучают в направлении своего движения (кривизна излучения, синхронное излучение). Когда луч возвращается к Земле – фиксируем импульс. Период между импульсами равен периоду вращения звезды.
Некоторые пульсары показывают «глитчи» — внезапные скачки периода на доли микросекунды. Скорее всего, это звездные землетрясения или перестройка сверхтекучей жидкости в глубине нейтронной звезды.
Различные лица пульсаров
Не все пульсары одинаковы. Их классифицируют по источнику энергии и диапазону излучения.
Ротационно-мощные (rotation-powered) – классические радиопульсары. Энергия берется из вращения. Молодые примеры в остатках сверхновых.
Акреционные – преимущественно рентгеновские пульсары в двойных системах. Нейтронная звезда «засасывает» вещество из компаньона, и гравитационная энергия преобразуется в рентгеновское излучение. Периоды часто длиннее.
Милисекундные пульсары – «переработанные» старые нейтронные звезды в тесных двойных системах. Акреция вещества из компаньона раскручивает их до сотен оборотов в секунду и очищает магнитное поле. Они чрезвычайно стабильны — точнее атомных часов на Земле.
Магнетары — нейтронные звезды с сильнейшими магнитными полями (до 10? гаус). Энергия излучения происходит от распада магнитного поля. Они проявляются в качестве источников мягкого гамма-излучения (SGR) или аномальных рентгеновских пульсаров (AXP) и способны на гигантские вспышки.
Существуют также редкие пульсарообразные белые карлики - три подтвержденных случая по состоянию на 2025-2026 год.
Chandra :: Photo Album :: Crab Nebula :: March 14, 2018
Известные пульсары, которые следует знать
PSR B1919+21 – первый открытый пульсар. Период 1,337 секунды. Именно с него началась вся история.
Пульсар в Крабовидной туманности (PSR B0531+21) родился во время сверхновой 1054 года, которую наблюдали китайские и арабские астрономы. Период 33 миллисекунды. Видны даже в оптическом диапазоне. Питает всю туманность своей энергией.
Пульсар в Парусах (Vela, PSR J0835-4510) – самый яркий радиопульсар. Частые глитчи, мощный pulsar wind nebula.
PSR B1913+16 (Hulse-Taylor) – первый двойной пульсар. Орбита сжимается точно так, как предполагает общая теория относительности из-за излучения гравитационных волн. Нобелевская премия в 1993 году.
PSR J1748-2446ad – один из самых быстрых: 716 оборотов в секунду.
PSR J0437-4715 – самый яркий миллисекундный пульсар, период известный с точностью до 10⁻¹⁷ секунды.
PSR B1257+12 – первый пульсар, у которого обнаружили планеты (1992 год).
Почему пульсары важны для науки
Милисекундные пульсары – лучшие природные часы во Вселенной. Международные проекты Pulsar Timing Array (NANOGrav, EPTA, PPTA, InPTA, IPTA) используют массивы таких пульсаров, как детекторы гравитационных волн наногерцового диапазона. В 2023 году коллаборации объявили об обнаружении стохастического фона гравитационных волн – вероятнее всего, от слияний сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
Пульсары тестируют всеобщую теорию относительности в сильнейших гравитационных полях. Позволяют изучать уравнение состояния сверхплотной материи — есть ли в центре нейтронных звезд кварковая материя или экзотические фазы.
Есть даже проекты рентгеновской навигации (XNAV): пульсары могут служить космическими маяками для космических аппаратов далеко за пределами Солнечной системы – точность до нескольких километров.
Интересные факты о пульсарах
Интересные факты о пульсарах
- Самый быстрый оборот: некоторые пульсары делают более 700 оборотов в секунду – это быстрее, чем лопасти современного блендера на максимальной скорости. Нейтронная материя держится благодаря сильному взаимодействию.
- Плотность: одна чайная ложка вещества с поверхности нейтронной звезды весит примерно столько же, сколько гора Эверест. В центре плотность может достигать 10⁷–10¹⁸ кг/м³.
- «Спящие» пульсары: некоторые объекты внезапно прекращают излучать на месяцы или годы (например, PSR J1841-0500 «молчал» 580 дней), а затем снова «просыпаются».
- Планеты у пульсаров: первые экзопланеты открыли именно у пульсара PSR B1257+12 в 1992 году - за три года до открытия 51 Pegasi b.
- Гигантские вспышки магнетарей: одна вспышка магнетара может высвободить за доли секунды столько энергии, сколько Солнце излучает за 100 000 лет.
- Точность: лучшие миллисекундные пульсары соперничают с атомными часами на Земле по стабильности периода.
- Ближайшие: ближайший известный радиопульсар расположен примерно в 280 световых годах от Солнца.
- Двойные системы: существует двойной пульсар PSR J0737-3039, где оба компонента – пульсары. Это идеальная лаборатория для проверки теории гравитации.
- 2026 год: астрономы из Columbia University и Breakthrough Listen обнаружили кандидата на миллисекундный пульсар всего в нескольких световых годах от сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в центре нашей Галактики.
Современные исследования и будущее
Телескоп FAST в Китае, MeerKAT в Южной Африке и будущий Square Kilometre Array (SKA) ежегодно открывают десятки новых пульсаров, в частности, в шаровых скоплениях и возле галактического центра. В 2024–2026 годах найдены новые миллисекундные пульсары в Terzan 5 и других скоплениях, а также экзотические системы с «черными вдовами» — пульсарами, испаряющими своих компаньонов.
Исследования NICER на МКС уточняют радиусы нейтронных звезд, а рентгеновские обсерватории фиксируют горячие пятна на поверхности. Теория излучения пульсаров до сих пор не завершена – многие детали механизма ускорения частиц в магнитосфере остаются открытыми.
Пульсары – это не просто интересные объекты. Они дают нам уникальное окно в экстремальную физику, которую невозможно воспроизвести в земных лабораториях: сверхплотную материю, сильнейшие магнитные поля, сильную гравитацию и гравитационные волны. Каждый новый импульс, приходящий из глубин космоса, — это еще одна строчка в большой книге, которую человечество только начинает читать.