Нейтронні зірки та пульсари. Спалахи наднових

Описанный в предыдущем параграфе эволюционный путь, конечной стадией которого является белый кар­лик, постепенно остывающий и превращающийся в чер­ный (т. е. неизлучающий) карлик, справедлив для звезд относительно небольшой массы, не более 1,2 Мс. В то же время через стадию главной последовательности с превращением в красных гигантов проходят звезды лю­бой массы, в том числе и превосходящей солнечную в 10—20 раз и более. Но после стадии красного гиганта они эволюционируют иначе, чем маломассивные звезды. Конец их эволюции исключительно интересен, в том числе и с точки зрения освобождения энергии и интен­сивности ее излучения.

Надежные теоретические данные показывают, что если звезда имеет остаточную массу 1,2—2,5 Мс и в ее недрах после исчерпания ядерного горючего прекрати­лось энерговыделение за счет ядерных реакций, то та­кая звезда будет катастрофически сжиматься до совер­шенно ничтожных размеров (порядка 10—20 км). Плот­ность вещества при этом на несколько порядков превысит плотность белых карликов и достигнет вблизи центра чудовищных значений — 10¹⁴—10¹⁵ г/см³.

В самых поверхностных слоях таких образований плотность составляет 10⁴—10⁶ г/см³, т. е. она там та­кая же, как у белых карликов. Вещество состоит из ядер и электронного газа. Среди ядер весьма много ядер же­леза, так как они являются конечным продуктом реак­ций синтеза с выделением энергии, происходивших в звезде на предыдущих этапах ее жизни. С глубиной давление и плотность быстро растут. При плотностях 10¹¹ г/см³ (а эта плотность достигается уже на глубине порядка 100 м) электроны вдавливаются внутрь ядер, а там они объединяются с протонами, превращая их в нейтроны. Меняется состав ядерного компонента ве­щества: преобладают ядра с большой массой, но отно­сительно малым зарядом, т. с. номером в периодической системе, другими словами, такие ядра, где много ней­тронов и сравнительно мало протонов (например, цир­коний и т. п.).

При еще больших плотностях, превосходящих 4,3•10¹¹ г/см³, ядра разрушаются. Они как бы раздавли­ваются и образуют нейтронный газ. Если в обычных, условиях свободный нейтрон неустойчив и довольно бы­стро распадается на протон и электрон, то здесь, при громадных плотностях, такие распады не происходят — им препятствуют большие плотность и давление. Впро­чем, небольшая примесь протонов и электронов в нед­рах такого образования имеется, по тех и других, по-видимому, не более чем по 4% общего числа частиц.

Таким образом, если масса проэволюционировавшей звезды достаточно велика, то после истощения ядерного горючего звезда сжимается в чрезвычайно компактную конфигурацию радиусом около 10 км, в которой основ­ная часть вещества находится в виде нейтронного газа.

Существование таких нейтронных звезд было пред­сказано теоретически Л. Д. Ландау еще в 30-е годы. Наблюдательное открытие их было исключительно эф­фектным и совершенно неожиданным, оно было сде­лано при выполнении совсем других работ. Читатель, безусловно, знает о пульсарах, первый из которых был обнаружен в 1967 г. аспиранткой Кавендишской лабо­ратории Кембриджского университета Дж. Белл. Не останавливаясь на истории открытия и замечательных свойствах пульсаров (эти источники неоднократно они же неизбежные потери момента количества движения при коллапсе, конечно, увеличат этот расчетный период. Однако имеется приличный «запас прочности», тем бо­лее что многие звезды, как показывают наблюдения, вращаются значительно быстрее Солнца.

6. Аналогично сохранению момента количества дви­жения должен сохраняться магнитный поток. Следова­тельно, напряженность магнитного поля на поверхности звезды должна меняться обратно пропорционально квад­рату ее радиуса. Напряженность в несколько эрстед на поверхности обычных звезд (а наблюдаются «магнит­ные» звезды с полями, доходящими до нескольких ты­сяч эрстед) при коллапсе может возрасти до 10¹² Э.

7. Естественно считать, что каким бы ни был ме­ханизм электромагнитного излучения пульсара (ней­тронной звезды), он будет связан с ее магнитным полем, которое может иметь исключительно большую напря­женность. Предложено несколько конкретных механиз­мов генерации излучения, но ни один из них не стал общепринятым. Ряд механизмов предполагает генера­цию излучения вблизи магнитных полюсов и распрост­ранение его в направлении силовых линий. Это естест­венно объясняет существование диаграммы направлен­ности, несовпадение же магнитной оси с осью вращения столь же естественно объясняет периодическое повторе­ние импульсов.

Сейчас известно более 340 пульсаров. Большинство из них излучает только в радиодиапазоне, причем мак­симальная мощность сосредоточена на частотах между 100 и 500 МГц. Средняя мощность излучения для боль­шинства пульсаров характеризуется величинами 10²⁵— 10²⁸ эрг/с. Это не очень много и соответствует радиосве­тимости спокойного Солнца. Интересно другое — ука­занные потоки излучаются с очень небольших площа­дей, ведь радиусы пульсаров (нейтронных звезд) состав­ляют немногие десятки километров. Даже если считать, что источник излучения лежит над поверхностью ней­тронной звезды, где-нибудь в магнитосфере и имеет диаметр 300 км, или одну световую миллисекунду (т. е. величину, соизмеримую с периодом наиболее быстрых. пульсаров и временем нарастания интенсивности им­пульсов у наиболее медленных пульсаров), то и в этом случае получаются исключительно большие интенсивно­сти — 10⁴—10⁷ эрг•(с•см²•Гц•ср)^-1.

Для сравнения укажем, что интенсивность излучения центра солнечного диска вблизи максимума распреде­ления энергии в его спектре (длина волны около 750 нм) равна 5,5•10^-5 эрг•(с•см²•Гц•ср)^-1, а на частоте 300 МГц, т. е. вблизи максимума излучения пульсаров, интенсивность солнечного излучения всего 3•10^-14 эрг•(с•см²•ср)^-1. Упомянем, что полная светимость пульсара в «Крабе» много больше вышеприведенных значений, доходя до ~10³⁸ эрг/с, но этот пульсар — исключение.

Все пульсары постепенно увеличивают свой период. Скорости увеличения различаются в очень широких пре­делах, и обычно их выражают в 10^-15 с за 1 с. В этих единицах пульсар в Крабовидной туманности увеличи­вает свой период со скоростью 422 (или 0,0133 мс в год) — это самое быстрое изменение периода среди всех известных пульсаров. У пульсаров, наиболее медленно меняющих свой период, соответствующие скорости со­ставляют 0,001—0,01 с за 1 с.

Замедление вращения пульсаров, по-видимому, явля­ется основным источником энергии их излучения. Одна­ко каков механизм превращения кинетической энергии в электромагнитные волны, еще не выяснено.

Считается также, что пульсары могут ускорять за­ряженные частицы (в частности, электроны) до весьма высоких энергий. Один из обсуждаемых в литературе механизмов их ускорения называется «эффект пращи» (рис. 8). Он представляет собой ускорение заряженных частиц вращающимся вместе с пульсаром магнитным полем. Часть силовых линий этого поля, проходящих вблизи магнитных полюсов, не замкнута, они уходят в бесконечность. Двигаясь вдоль таких линий (а поперек при большой напряженности поля они двигаться не мо­гут), электроны и получают большую скорость из-за вращения пульсара и поля.

Схема пульсара

Особое внимание астрономов привлекает Крабовид­ная туманность и находящийся в ней пульсар. Туман­ность исследована в огромном спектральном диапазо­не — от радиоволн до гамма-лучей (13 порядков или 43 октавы). Ее светимость составляет 10′⁸ эрг/с, из ко­торых примерно 12% приходится на радиодиапазон. До­казано (и здесь огромный научный вклад внес И. С. Шкловский), что свечение этой туманности в непрерыв­ном спектре представляет собой магнитно-тормозное излучение релятивистских электронов в магнитном поле, благодаря так называемому синхротронному механизму.

Как выяснилось в последние десятилетия, этот ме­ханизм генерации излучения весьма широко распростра­нен во Вселенной, поэтому следует рассмотреть его здесь несколько подробнее.

Если электрический заряд движется с ускорением, то он излучает электромагнитные волны. Это в полной мере относится и к электронам как носителям заряда. Далее, в магнитном поле электрон может свободно дви­гаться только вдоль силовых линий, при движении по­перек его траектория искривляется. Допустим теперь, что электрон влетает в магнитное поле перпендикулярно силовым линиям. Поле будет действовать на него с так называемой силой Лоренца, которая направлена пер­пендикулярно движению электрона и вместе с тем пер­пендикулярно полю (рис. 9). Под действием этой силы прямолинейная вне поля траектория электрона превра­щается в окружность, радиус которой пропорционален скорости электрона и обратно пропорционален напря­женности поля. В общем случае, когда электрон имеет составляющую скорость вдоль поля, его траектория бу­дет представлять винтовую линию, как бы навиваю­щуюся на направление поля.

Схема синхротронного механизма излучения

Движение по окружности или по винтовой линии означает, что у электрона есть ускорение. Следователь­но, он должен излучать. Теория, согласующаяся с опы­том, показывает, что излучение будет иметь непрерыв­ный спектр, при этом частота излучения максимальной интенсивности будет пропорциональна напряженности поля и квадрату энергии электрона. В Крабовидной туманности наименее энергичные электроны, с энергия­ми 10⁷—10⁹ эВ, порождают радиоволны, электроны с энергиями 10¹¹—10¹² эВ ответственны за видимый свет, а электроны, обладающие еще большими энергиями, при торможении дают рентгеновские и гамма-кванты.

Считая, что масса пульсара в «Крабе» равна солнеч­ной, и, зная период, можно оценить кинетическую энер­гию вращения. Она составляет 5•10⁴⁸ эрг/с. Изменение периода в 0,0133 мс в год соответствует потере энергии в 10³⁸ эрг/с — как раз светимости Крабовидной туман­ности. Пульсар подпитывает энергией туманность.

Целая система наблюдательных данных и теоретиче­ских соображений говорит о том, что превращение проэволюционировавшей звезды в нейтронную связано с ги­гантскими, совершенно ни с чем не сравнимыми взры­вами, которые изредка наблюдаются как вспышки Сверхновых. Эти взрывы грандиозны даже по астроно­мическим масштабам, при которых, как читатель уже убедился, постоянно приходится иметь дело с огромны­ми числами.

Взрывы Сверхновых — довольно редкие явления. Но иногда они происходят и в нашей Галактике, в летопи­сях разных народов сохранились свидетельства о них. «Звезды-гостьи», как их называли, имели такой боль­шой блеск, что их порой можно было видеть днем. Но эти явления происходили в дотелескопическую эпоху. Последнюю вспышку Сверхновой в нашей Галактике наблюдал И. Кеплер в 1604 г. Все современные наблю­дения выполнены над Сверхновыми, вспыхивающими в других галактиках.

При этом в максимуме блеска мощность излучения Сверхновой оказывается сравнимой с суммарной мощ­ностью миллиардов звезд той галактики, где она вспых­нула. Так, Сверхновая 1885а была лишь на 1,9^т сла­бее гигантской галактики М 31 в Андромеде, к кото­рой она принадлежала. А галактика М 31 относится к числу особо крупных, она превосходит по светимости и массе нашу Галактику, хотя и наша является гигант­ской. Сверхновая же 1972с превосходила на 4^т блеск своей галактики NGC 5253.

В последние десятилетия выяснилось, что на месте взрыва остается туманность (или группа туманностей), обладающая совершенно необычными для большинства туманностей особенностями. Эти туманности получили название остатков Сверхновых и первой, относительно которой было выяснено ее взрывное происхождение, бы­ла Крабовидная туманность. Она находится в том ме­сте, где в 1054 г. вспыхнула необычайно яркая «звез­да-гостья». Расстояние до Крабовидной туманности из­вестно — оно составляет около 1700 пк. Следовательно, с учетом межзвездного поглощения света абсолютная величина Сверхновой была около —18.

За последние два-три десятилетия в Галактике най­дено и исследовано несколько десятков остатков Сверх­новых. Кроме «Краба», это системы тонковолокнистых туманностей в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Близне­цов, Парусов, Кормы и др. Наиболее интересные осо­бенности, отличающие эти туманности от обычных газо­пылевых облаков, следующие.

1. Расширение с большой скоростью. В «Крабе» ско­рость расширения равна 1200 км/с, у некоторых других остатков Сверхновых она доходит до 5000 и даже до 5500 км/с.

2. Наличие мощного радиоизлучения в широком диа­пазоне частот. Спектр его имеет весьма характерный вид, показывающий, что радиоизлучение имеет синхро­тронную природу (излучение релятивистских электронов в магнитном поле).

3. Во многих случаях остатки Сверхновых являются источниками рентгеновского излучения. В «Крабе» и не­скольких других (близких) остатках Сверхновых выяв­лен тепловой компонент рентгеновских лучей. (Выявле­ние осуществляется по наблюдаемому распределению энергии в спектре.) Это свидетельствует о существова­нии гигантского облака горячей плазмы, локализован­ного вокруг места взрыва. Температура плазмы у раз­ных облаков составляет от 2 млн. К до 60 млн. К.

4. На фотографиях выявляется характерная струк­тура — отдельные волокна или их системы, а радиона­блюдения с высоким разрешением, как правило, пока­зывают расширяющуюся с высокой скоростью оболочку.

5. В нескольких остатках Сверхновых («Краб», Па­руса X и др.) обнаружены пульсары. Учитывая, что пульсар можно видеть только при благоприятной ори­ентации его оси, вследствие чего не все существующие пульсары могут быть наблюдаемы, обнаружение пуль­саров в некоторых остатках Сверхновых является серь­езным свидетельством генетической связи нейтронных звезд и звезд, вспыхнувших как Сверхновые. Для пуль­сара в «Крабе» эта связь устанавливается более непо­средственно: его возраст, находимый по периоду и ско­рости роста периода, а также возраст самой Крабовидной туманности, определяемый по ее видимому расши­рению и теперешним размерам (оба оказываются око­ло 900 лет), равны времени, прошедшему после вспыш­ки 1054 г.).

Сверхновые, образно выражаясь, несут «большую на­грузку» в современной астрофизике и даже в других далеких от нее разделах естествознания. В частности, это касается следующих моментов.

1. Взрыв Сверхновой порождает мощную ударную волну в межзвездной среде. Распространяясь на десят­ки и сотни парсек, она «нагребает» перед собой вещест­во, в результате чего увеличивается его плотность. Вступая в пределы газопылевого комплекса, такая волна может ускорить процесс звездообразования.

2. Со Сверхновыми связывается образование ядер тяжелее железа. Детали процесса не разработаны, глав­ную роль, по-видимому, играют высокие температуры и давление в момент взрыва.

3. Происхождение по крайней мере части космиче­ских лучей (протонов, ядер различных элементов и элек­тронов, движущихся в галактическом пространстве с огромными кинетическими энергиями) также обуслов­лено вспышками Сверхновых.

4. Наконец, Сверхновые «небезразличны» и для жиз­ни на Земле. Близкая вспышка (на расстоянии порядка 10 пк) вызвала бы заметное увеличение (в несколько раз) естественного радиационного фона. А это может привести к серьезным генетическим последствиям для некоторых видов животных. В 1957 г. И. С. Шкловский и В. И. Красовский высказали гипотезу, что вымирание динозавров и других крупных рептилий в конце мело­вого периода как раз и было вызвано близкой вспышкой Сверхновой.

В силу изложенного Сверхновые привлекают при­стальное внимание астрономов, этим явлениям, как и остаткам взрывов, посвящена обширная литература.

Вернемся опять к взрыву Сверхновой и его энерге­тическому аспекту. За все время вспышки (длитель­ностью около года) в виде света и на других диапазонах электромагнитного излучения испускается порядка

10⁵⁰ эрг. Солнце испускает такое количество энергии лишь за ~ 1 млрд. лет своей жизни. Наблюдения пока­зывают, что значительные массы газа (от 0,3 до 1,0 Мс) выбрасываются во время взрыва в разные стороны с ги­гантскими скоростями. Скорости выброса составляют от 7000 до 15000 км/с. Этот газ, пополняясь за счет меж­звездной среды и постепенно затормаживаясь ею, и по­рождает наблюдаемые остатки Сверхновых. Кинетиче­ская энергия выбрасываемых масс — порядка 10⁵⁰—10⁵¹ эрг.

Значительной энергией, порядка 10⁴⁸ эрг, обладают релятивистские электроны, обеспечивающие свечение ту­манности на всем протяжении ее спектра.

С учетом всего этого полная энергия взрыва Сверх­новой оценивается в 10⁵² эрг. Отметим, что Сверхновые бывают двух типов. К типу I относятся взрывы мало массивных звезд массой не более 1,1 — 1,2 Мс. Эволюция таких звезд идет медленно — это абсолютно очень ста­рые звезды. К типу II относятся взрывы массивных звезд массой 10—15 Мс. Их эволюция шла быстро, по­этому их можно назвать относительно старыми (т. е. уже сильно проэволюционировавшими), но абсолютно молодыми, имеющими возраст 10⁷—10⁸ лет. Важно, что оба типа Сверхновых прошли большой эволюционный путь.

По мнению многих ученых, вполне возможно, что энергетика взрыва Сверхновой или по крайней мере большая ее часть определяется гравитационной энер­гией, выделяющейся при сжатии звезды до размеров нейтронной. Вспомним для приближенной оценки фор­мулу, приведенную в сноске 2. Если R мало, то энерго­выделение огромно. Пусть, например, масса, равная солнечной, сожмется в шар радиусом 10 км. Это даст (б,67•10^-8Х4•10⁶⁶)/10⁶~2•10⁵³ эрг, а такой энергии хва­тит с избытком.

Сам взрыв Сверхновой схематически представляется таким. В центральной зоне звезды прекращаются все ядерные реакции — образуется железная сердцевина. Давление внешних слоев сжимает ее, внешние слои па­дают к центру — выделяется гравитационная энергия, которая переходит в тепло (температура, давление и плотность растут). Наконец, внутренняя сердцевина до­стигает размеров и плотности нейтронной звезды. Сжа­тие прекращается, остановленное силами упругости ней­тронного газа. Но образуется сильная ударная волна, которая срывает внешние слои, что и наблюдается на­ми как вспышка Сверхновой.

• ← Декілька слів про міжзоряне середовище та зіркову еволюцію
• Висновки →