Надо ещё отметить очень характерное свойство космических лучей — их изотропность. Если бы космические лучи приходили к нам непосредственно от их источников, то следовало бы считать, что источники распределены на небе равномерно. Однако в таком требовании нет необходимости, так как изотропность космических лучей появляется, по-видимому, в результате диффузии составляющих их частиц в галактических магнитных полях.
В качестве возможных источников космических лучей указывались и другие объекты (звёзды различных типов, метагалактические источники). Были также предложены некоторые механизмы ускорения частиц до очень больших энергий при движении их в Галактике (подробнее см. [12]).
5. Пульсары.
Как уже говорилось, при вспышке сверхновой 1054 г. возникла Крабовидная туманность. Теперь остатком сверхновой является очень слабая звезда с видимой величиной 17𝑚. Недавно выяснилось, что эта звезда принадлежит к одному из наиболее удивительных типов небесных тел — пульсарам.
Первые пульсары были открыты группой Хьюиша в 1967 г. на Кембриджской радиоастрономической станции. Эти объекты характеризуются тем, что они испускают энергию в радиочастотах в виде отдельных импульсов с правильной периодичностью. Периоды пульсаров — от нескольких сотых секунды до нескольких секунд, а продолжительность импульсов — в десятки раз меньше.
К настоящему времени известно более 300 пульсаров. Их исследования, выполненные на различных обсерваториях, привели к весьма интересным результатам. Оказывается, что периоды пульсаров не постоянны, а очень медленно возрастают, удваиваясь за тысячи и миллионы лет. Вместе с тем наблюдаются и внезапные изменения периода (обычно в сторону уменьшения). Форма же импульсов меняется очень сильно от одного импульса к другому, причём иногда импульс исчезает вовсе. Из наблюдений также следует, что радиоизлучение пульсаров в значительной мере поляризовано. Зависимость интенсивности этого излучения от частоты оказывается довольно сложной. В разных участках спектра её можно представить степенным законом (31.1) с различными показателями 𝑛.
Особенно интересен пульсар в Крабовидной туманности. Среди известных пульсаров он обладает одним из наименьших периодов (всего 0,033 с) и очень небольшим возрастом (930 лет). Этот пульсар испускает энергию импульсами не только в радиочастотах, но и в других областях спектра — оптической и рентгеновской. Основная часть энергии излучается пульсаром в рентгеновской области. Его светимость в рентгеновских лучах (с длинами волн от 1,2 до 8 Å) порядка 10³⁵ эрг/с. Эта величина примерно в сто раз больше визуальной светимости пульсара и в десять тысяч раз больше его светимости в радиодиапазоне.
По-видимому, пульсар в Крабовидной туманности является её «центром активности». Такой взгляд подтверждается наблюдаемым движением вещества от центра туманности к периферии. Можно думать, что пульсар поставляет в туманность релятивистские электроны, которые необходимы для её свечения в непрерывном спектре.
Поскольку считается, что пульсар в Крабовидной туманности возник при вспышке сверхновой 1054 г., то были сделаны попытки найти пульсары в других туманностях, появившихся при вспышках сверхновых. В некоторых случаях такие попытки привели к успеху. Однако в иных случаях пульсары обнаружить не удалось, хотя центры активности и наблюдаются.
Для понимания природы пульсаров важное значение имеет вывод о том, что размеры этих объектов должны быть очень малыми. Это следует из наблюдаемой кратковременности импульсов излучения, идущего от пульсаров. Если Δ𝑡 — продолжительность импульса и 𝑐 — скорость света, то линейный размер излучающей области должен удовлетворять неравенству 𝑅≲𝑐Δ𝑡 (так как излучение от более удалённой части области запаздывает по сравнению с излучением от ближайшей части на время 𝑅/𝑐). Принимая Δ𝑡≈0,01 с, получаем, что размер излучающей области не превосходит 1000 км. Такой же вывод может быть сделан и на основании малости периодов пульсаров. В качестве механизма, вызывающего пульсацию блеска, можно рассматривать колебания тела или его вращение. В обоих случаях при массе тела, близкой к массе Солнца, и при периоде около 0,1 с для радиуса тела получаются значения порядка 100 км.
Заключение о чрезвычайно малых размерах пульсаров привело к гипотезе о том, что они являются нейтронными звёздами. Возможность существования таких звёзд была предсказана Л. Д. Ландау ещё в 1932 г. Эти звёзды, в которых давление вырожденного нуклонного газа уравновешивает силу тяготения, должны иметь радиусы порядка 10 км.
Разумеется, модель пульсара в виде нейтронной звезды с тепловым излучением не может объяснить наблюдаемых характеристик пульсаров. В настоящее время наиболее приемлемой считается модель пульсара, предложенная Голдом. Пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с сильным магнитным полем, причём магнитная ось образует некоторый угол с осью вращения. Поскольку период пульсара принимается равным периоду вращения звезды, то скорость вращения на её экваторе должна быть порядка 10⁸ см/с. Звезда может выдержать такое вращение не разрываясь. Вероятная напряжённость магнитного поля на поверхности звезды достигает значений порядка 10¹² эрстед.
Столь сильное магнитное поле жёстко связывает звезду с окружающей её плазмой, которая вращается вместе с звездой. Это совместное вращение прекращается на границе, где скорость вращения становится порядка скорости света. При пересечении плазмой этой границы возникает магнитно-тормозное излучение, направленное по касательной к границе. Чтобы объяснить импульсный характер излучения, надо допустить неустойчивость плазмы в определённом месте. Когда эта плазма пересекает упомянутую границу, то светится некоторая небольшая область. Вследствие вращения этой области и направленности излучения мы имеем подобие маяка.
Согласно описанной модели, свечение пульсара происходит за счёт энергии вращения. Следовательно, с течением времени скорость вращения звезды должна убывать. Зная энергию, излучаемую пульсаром, а также массу и скорость вращения звезды, можно легко определить увеличение периода за единицу времени. Вычисленные значения этой величины находятся в согласии с наблюдательными данными, указанными выше. Для объяснения внезапных изменений периода было высказано предположение, что они вызываются перестройкой твёрдой коры нейтронной звезды.
Результаты исследования пульсаров подробно изложены в книгах [14], [15], [16] и др.
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ VI
Соболев В. В. Движущиеся оболочки звёзд. — Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1947.
Горбацкий В. Г.,Минин И. Н. Нестационарные звёзды. — М.: Физ-матгиз, 1963.
Воронцов-Вельяминов Б. А. Газовые туманности и новые звёзды. —М.: Изд-во АН СССР, 1948.
Амбарцумян В. А. Научные труды, т. II. — Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1960.
Вспыхивающие звёзды. — Ереван.: Изд-во АН АрмССР, 1977.
Мирзоян Л. В. Нестационарность и эволюция звёзд. — Ереван.: Изд-во АН АрмССР, 1981.
Гурзадян Г. А. Вспыхивающие звёзды.— М.: Наука, 1973.
Гершберг Р. Е. Вспыхивающие звёзды малых масс. — М.: Наука, 1978.