Содержание
Почему светят звёзды?
Павел Амнуэль
«Наука и жизнь» № 1, 2020
Читая о загадочных природных явлениях, часто встречаю фразу: «Наука не в состоянии этого объяснить». Так и вижу учёного, качающего головой и печально разводящего руками. Наука, действительно, многого не объясняет. Но любители таинственного, удивительного и не объяснимого наукой обычно «забывают» вставлять в свои откровения коротенькое слово «пока». Наука пока не может объяснить, из чего состоит, например, тёмное вещество и что представляет собой загадочная тёмная энергия, разгоняющая нашу Вселенную. Подавляющую же часть того, что современная наука знает сегодня, когда-то — сто, двести, а может, всего десять лет назад — учёные объяснить не могли. Очень долго, например, никто не мог ответить на простой, казалось бы, вопрос: почему светят звёзды? А ведь не будь Солнца — ближайшей к нам звезды, жизнь на Земле была бы невозможна.
К счастью, Солнце и звёзды существуют. Они представляют собой раскалённые плазменные шары самых разных масс, размеров и цветов.
Сейчас это всем известный и никем не подвергаемый сомнению научный факт. Но ещё двести лет назад никто, и великие физики в том числе, не мог сказать, что представляют собой эти точечки на ночном небе и почему они такие разные? Почему одни звёзды яркие (Сириус, Вега), а другие едва видны в телескоп? Почему одни жёлтые, другие белые, а есть ещё оранжевые, красные и даже зелёные? И главное: почему звёзды светят? Любой обыватель мог сказать: «Наука бессильна!». Он не добавлял слово «пока», будучи уверен, что звёзды — это все знают! — фонарики, пришпиленные к твёрдому небесному своду, а светят потому, что Бог вложил в них такое свойство!
Понадобились столетия, пока учёные, пользуясь научными методами, не только нашли ответы на эти вопросы, но и задали новые вопросы, а потом ответили и на них. Любой научный ответ приводит к новому вопросу и никогда не становится ответом окончательным. Так развивается наука.
К XIX веку ответ на вопрос, что же такое звёзды и почему они светят, ещё не был найден.
Но огромная разница с предшествовавшими временами заключалась в том, что уже сформировалась наука, которая, встретившись с загадкой природы, разгадывала её научными методами. Наука в исследовании звёзд началась, когда звёзды «отлепили» от небесного свода, а сам свод «растворился» и стал необозримо огромным внеземным пространством. Помните у М. В. Ломоносова: «Открылась бездна звезд полна; Звездам числа нет, бездне дна»? Это XVIII век. А ведь веком раньше замечательный астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) всё ещё считал небо твердью, а звёзды — светящимися линзочками.
Научный метод требовал, прежде всего, наблюдательных знаний: чтобы ответить на вопрос «почему?», нужно было сначала выяснить, сколько энергии звёзды излучают? Ведь если энергии требуется немного, то ответ один, а если много, то другой. А чтобы ответить на этот вопрос, нужно было определить расстояние до звёзд.
В 1838 году немецкий математик и астроном Фридрих Бессель (1784–1846) первым достоверно определил расстояние до довольно слабой звёздочки 61 Лебедя, которая описывала за год на небе довольно большую окружность.
Бессель предположил, что на самом деле звезда не движется, а наблюдаемая окружность — отражение движения Земли по её орбите вокруг Солнца. Чем ближе звезда, тем больше окружность, которую она описывает на небе. Измерив угловой размер окружности, описываемой 61 Лебедя, и зная диаметр земной орбиты, Бессель рассчитал расстояние до звезды. Оказалось, 61 Лебедя находится от нас на огромном расстоянии — 10,3 светового года (современное значение 11,4 с. г.). Свету нужно более 10 лет, чтобы пройти этот путь! Так в астрономию пришёл ставший широко известным метод определения звёздных расстояний по параллаксу.
В те же годы британский астроном Томас Хендерсон (1798–1844) методом параллакса определил расстояние до самой яркой звезды на южном небе — Альфы Центавра. Оно оказалось равным 3,25 светового года (современное значение 4,36 с. г.). Значит, звёзды подобны Солнцу — такие же огромные раскалённые тела, а точками они выглядят только потому, что находятся от нас во много раз дальше Солнца.
Затем удалось измерить и сколько энергии излучают Солнце и звёзды. Энергия эта оказалась настолько огромной, что долгое время загадка звёздного излучения представлялась неразрешимой. Естественно, учёные предлагали разные гипотезы. Начали с самой простой идеи: звёзды нагреты до очень высоких температур. От температуры видимой поверхности (её называют фотосферой) зависит цвет звезды. Фотосфера Солнца нагрета до 5800 К (чтобы перевести температуру из Кельвинов в привычные нам градусы Цельсия, надо вычесть 273, таким образом, температура Солнца около 5500°С) и потому оно жёлтое. Есть звёзды более горячие, есть более холодные. Голубые звёзды (например, Вега) имеют температуру фотосферы порядка 10 000 К и даже больше. Фотосфера красных гигантов (например, Бетельгейзе и Антареса), наоборот, нагрета до температуры примерно 3500 К. Фотосфера самых холодных из известных «обычных» звёзд (красные карлики Gliese 105C и Gliese 752В) нагрета примерно до 2600 К. Ещё меньше, до 600 К и ниже, температура коричневых карликов.
Правда, их нельзя считать полноценными звёздами, поскольку из-за малой массы их «топка» не способна заработать в полную силу. Поэтому их называют субзвёздными объектами.
Почему у звёзд такие разные температуры? Потому что изначально все они горячие, но, излучая энергию, неодновременно остывают. Когда звезда остывает совсем, она перестаёт быть видимой.
Но, если звезда — раскалённый шар, почему внутреннее давление газа не разрывает её, разбрасывая в пространстве? И на этот вопрос наука ответить смогла: благодаря гравитации. Сила тяжести противостоит давлению раскалённого газа, и обычная звезда находится в равновесии: она имеет такой размер, при котором газовое давление уравновешивается силой тяжести.
Излучая энергию, звезда остывает, давление газа уменьшается, и сила тяжести сжимает звезду. Сила взаимного притяжения вещества звезды увеличивается, энергия переходит в тепло, звезда нагревается и продолжает светить. Значит, решили учёные, ответ на загадку найден: звёзды светят потому, что в тепло переходит энергия гравитации.
Но этот ответ (как и многие другие — ведь гипотез было много!) оказался неправильным: энергии тяготения недоставало, чтобы звёзды светили достаточно долго.
В ХХ веке физики открыли, что лёгкие атомы могут соединяться и образовывать атомы более тяжёлых химических элементов. Эксперименты показали, что если соединяются два атомных ядра, то масса возникшего более тяжёлого ядра — меньше, чем сумма масс первоначальных ядер! Куда девается лишняя масса? Ответ следовал из закона о взаимосвязи массы и энергии Е = mc2, выведенного великим Альбертом Эйнштейном (1879–1955). Лишняя масса — это лишняя энергия, энергия излучения. Когда ядра атомов водорода, соединяясь, образуют ядро атома гелия, выделяется огромная энергия. Частично эту энергию уносят возникающие в реакции элементарные частицы, но очень большая её доля выделяется в виде электромагнитного излучения — света.
На основании этого английский астрофизик сэр Артур Эддингтон (1882–1944) предложил идею, которая, казалось, могла ответить наконец, почему излучают звёзды.
В глубине звёзд очень высокие температуры и давления. Такие высокие, что начинают идти реакции соединения атомов водорода и превращения их в атомы гелия. Выделяется огромная энергия — она-то и идёт на излучение!
Идея была великолепная, но противники её оспорили. По расчётам, в недрах звёзд температуры и давления оказались слишком малы, чтобы атомы водорода, столкнувшись, смогли взаимодействовать таким образом. Ведь положительно заряженные ядра атома водорода (протоны) должны сильнейшим образом отталкивать друг друга! В принципе, реакция превращения водорода в гелий может объяснить свечение звёзд. Но ядра атомов водорода должны сильно сблизиться, чтобы началась реакция синтеза. А они этого сделать не могут — мешает электрическая сила отталкивания!
Эддингтон эмоционально парировал выпады противников: «Так поищите звезду погорячее!». Иными словами, он предложил им найти условие, при котором в недрах звёзд температура «на самом деле» будет гораздо больше, чем показывают расчёты.
Но горячее не было! Согласно расчётам, звёзды, в ядрах которых температура достигала бы требуемых миллиардов градусов, существовать не могут. Значит, и реакции синтеза тоже не годятся для объяснения звёздного излучения?
Но учёные не сдались. Как раз тогда — в двадцатых годах ХХ века — возникла новая физическая дисциплина: квантовая механика. Мир элементарных частиц оказался совсем не таким, каким его представляли, исходя из законов классической физики. Кроме электромагнитных и гравитационных взаимодействий в микромире существуют ещё и ядерные силы — мощнейшие силы притяжения, действующие на очень коротких расстояниях, сравнимых с размерами атомных ядер. Они способны уравновесить электрические силы отталкивания и удержать в ядрах тяжёлых элементов многочисленные протоны, которые иначе никогда не смогли бы собраться в единое целое.
Стало ясно, что именно ядерные силы связывают ядра водорода при образовании ядра атома гелия с выделением огромной энергии. Но эти силы оказались слишком короткодействующими для спасения ситуации, ведь для их появления протонам надо приблизиться друг к другу на расстояние, сравнимое с их собственными размерами.
Однако энергетический барьер, создаваемый электрическими силами отталкивания, не позволяет такому произойти! Кажется, сама природа восстала против идеи Эддингтона. Но если наука чего-то не знает, то только «пока». И решение проблемы нашлось.
Да, существует энергетический барьер, который не позволяет двум протонам сблизиться. Но аналогичный барьер мешает протону, находящемуся в ядре атома, покинуть его и вылететь наружу. Между тем, когда Эддингтон предложил идею ядерного синтеза в звёздах, физикам уже было знакомо противоположное явление — ядерный распад, получивший название радиоактивности. Как показывали эксперименты, ядро радия время от времени выбрасывало ядро атома гелия — два протона и два нейтрона, альфа-частицу. Эти протоны покидали ядро радия, несмотря на то, что на их пути стоял тот самый энергетический барьер! Только перескочить через него ядро гелия должно было изнутри наружу.
Классическая физика объяснить преодоление энергетического барьера не смогла, однако с этой проблемой справилась физика квантовая, принципиально отличавшаяся от классической.
Если в классической физике вероятность, что протону удастся перескочить через барьер, была строго равна нулю, то в физике квантовой она оказалась отличной от нуля. Благодаря этому протон иногда мог оказаться по другую сторону барьера, словно пройдя сквозь него, как через туннель. Красивую идею «туннельного эффекта» предложил советский и американский физик Георгий Антонович Гамов (1904–1968).
Вероятность туннельного эффекта, вычисленная Гамовым, была очень мала. Один атом радия испускал альфа-частицу раз в тысячу лет. Но уже в одном грамме радия количество атомов так велико, что каждую секунду можно наблюдать множество «вспышек». Сейчас известно много радиоактивных элементов, распадающихся за разное время. Одни распадаются за доли секунды, другим для этого нужны миллионы лет.
Существование туннельного эффекта объяснило радиоактивный распад, но как это явление может быть связано с излучением звёзд? Радиоактивным распадом свечение звёзд не объяснишь, ведь в ядре Солнца нет тяжёлых элементов, способных при распаде выделять огромную энергию.
В ядре Солнца преобладает водород, поэтому Эддингтон и говорил о реакциях синтеза, а не распада. Но если альфа-частицы туннелируют сквозь энергетический барьер изнутри наружу, то возможно туннелирование и в обратную сторону — снаружи внутрь атомов! Именно такая идея легла в основу статьи физиков Роберта Аткинсона и Георга Хоутерманса, опубликованной в 1929 году. «Классическая физика утверждает, — писали они, — что протоны могут соединяться и образовывать ядро атома гелия лишь при температурах в миллиарды градусов. В ядрах звёзд таких температур нет. Но ведь существует туннельный эффект, открытый Гамовым, и, значит, есть не равная нулю вероятность, что и снаружи сквозь энергетическую стену могут проникать протоны, а там уж внутри распоряжаются огромные ядерные силы, которые заставляют проникшие сквозь барьер протоны сцепляться с протонами атомов водорода, — и происходит реакция синтеза».
Итак, мы выяснили, что за барьером соединиться и образовать ядро атома гелия протонам помогают ядерные силы, которые на расстояниях, сравнимых с размерами ядра, становятся гораздо больше сил электромагнитных, так что электрическое отталкивание протонов перестаёт играть какую-либо роль.
А температура для синтеза при этом нужна вовсе не в миллиарды градусов — достаточно десятка миллионов, и это как раз такая температура, которая, согласно тем же расчётам, существует в недрах звёзд!
У одиночного протона есть вероятность лишь раз в тысячу лет проникнуть через потенциальный барьер. А если протонов тысячи? Миллионы? Сотни триллионов? Да, не каждый протон «просачивается» сквозь энергетическую стену, но и тех, что «просочились», достаточно для реакции синтеза с выделением нужного количества энергии.
В реальности всё, конечно, сложнее, и получить гелий из водорода не так просто даже после того, как протоны проникнут сквозь энергетический барьер. Но это уже частности — главное, что нужные для реакции протоны добрались до места назначения. Сложность же состоит в том, что в ядре атома гелия есть не только два протона, но и два нейтрона. И потому реакция синтеза далеко не простая. На самом деле происходит несколько реакций. Сначала два протона, соединившись, образуют дейтрон — ядро атома дейтерия.
При этом один протон превращается в нейтрон, а в пространство вылетают позитрон и электронное нейтрино. Потом ещё один проникший сквозь барьер протон соединяется с дейтроном, и образуется ядро гелия-3 (3Не). И тогда тоже излучается немало энергии. Но и это не конец процесса: два ядра гелия-3 соединяются и образуют, наконец, ядро обычного гелия с двумя протонами и двумя нейтронами (4Не). Но в двух ядрах гелия-3 четыре протона, поэтому «лишние» протоны вылетают, унося с собой ещё и огромную энергию.
Так наука ответила наконец на вопрос, почему светят звёзды. Если вы услышите или прочитаете, что «наука чего-то объяснить не может», не забывайте добавлять: «пока не может».
Первый прямой снимок планеты у полноценной звезды
Астрономам впервые удалось сфотографировать планету у другой звезды. Звезда не сильно отличается от Солнца, а вот планета совсем не похожа на членов нашей Солнечной системы.
Первая планета, обращающаяся вокруг далёкой звезды, была открыта лишь в 1995 году.
С тех пор астрономы нашли уже более 300 внесолнечных планет, обращающихся вокруг примерно сотни звёзд. Однако все они за редкими исключениями совсем не похожи на нашу родную Солнечную систему. Планеты с массой гиганта Юпитера могут кружиться вокруг своих звёзд в десятки раз ближе, чем Меркурий вокруг Солнца, и двигаться по сильно вытянутым орбитам, так отличающимся от почти круговых траекторий больших тел Солнечной системы.
Причины того, что другие системы так не похожи на Солнечную, — «предвзятость» астрономов, а точнее, их методологии. Похожие на Солнечную систему планетные семейства разглядеть современными методами просто очень сложно.
Абсолютное большинство внесолнечных планет открыты по их влиянию на движение или свет звёзд, вокруг которых они обращаются. Влияние тем сильнее, чем планета ближе находится к своей звезде.
Методы обнаружения внесолнечных планет
Астрономам известны пять основных методов обнаружения внесолнечных планет.
Ясно, что такими средствами объективные представления о планетных системах сформировать сложно.
Чтобы увидеть более полную картину, канадские астрономы под руководством Давида Лафреньера из Университета Торонто несколько лет назад организовали программу поиска планет, находящихся, наоборот, как можно дальше от своих звёзд. Они шаг за шагом осматривают окрестности расположенных недалеко от Земли звёзд (увидеть свет планет, находящихся далеко, надежд мало) в поисках дополнительных источников света и подробно изучают те из них, что находят.
При этом астрономы решили искать планеты не по отражённому ими свету звёзд, которого на удалённые тела приходит совсем немного, а на свет, который излучают сами планеты в юности.
Звёзды и планеты формируются из одного и того же газопылевого облака, которое постепенно сжимается под действием собственной гравитации. При этом сжатии выделяется довольно много энергии, благодаря которому вещество нагревается и ярко светит. Светятся и протозвёзды, и протопланеты, хотя первые гораздо ярче благодаря своим существенно большим размерам.
В дальнейшем эволюционные пути звёзд и планет расходятся: условия в центрах звёзд позволяют им зажечь ядерные реакции превращения водорода в гелий, планетам же, лишённым такого источника энергии, суждено медленно остывать.
Тем не менее в юности планеты светятся очень ярко. Например, Юпитер на заре своего существования светился в тысячи раз ярче, чем сейчас. Искать свет горячих своим собственным жаром, а не нагретых звёздами планет и решили Лафреньер и его коллеги.
Для этого они сосредоточились на нескольких группах молодых звёзд — так называемых звёздных ассоциациях, расположенных недалеко от Земли. В случае со звёздной ассоциацией, центр которой расположен примерно в 500 световых годах от Земли в направлении на созвездие Скорпиона, к астрономам наконец пришёл успех.
Разглядывая звёздочку 1RXS J160929.1-210524, расположенную недалеко от «верхней клешни» этого созвездия, с помощью инфракрасной аппаратуры одного из телескопов-близнецов Gemini, расположенного на Гавайях, Лафреньер и его коллеги заметили в двух угловых секундах к северо-востоку от неё в несколько тысяч раз более слабый объект.
Учёные заинтересовались светилом и получили его спектр, который подтвердил их догадки. По предварительным данным,
это первая планета возле далёкой звезды, изображение которой удалось получить напрямую.
Работа учёных должна появиться в одном из ближайших выпусков Astrophysical Journal Letters.
Сама 1RXS J160929.1-210524 — это молодая звезда спектрального класса K7, возраст которой астрономы оценивают примерно в 5 миллионов лет; столько же и другим звездам ее ассоциации в северной части созвездия Скорпиона. Она примерно на 15% легче Солнца (впрочем, со сравнимой погрешностью), примерно настолько же меньше нашей звезды и существенно холоднее её — температура поверхности составляет примерно 3600-4100 градусов по Цельсию против 5500 градусов по шкале шведского астронома у Солнца.
close
100%
Её напарник — куда более интересный объект. Его температуру учёные оценивают в 1400–1700 градусов по Цельсию, а массу — примерно в 8 масс Юпитера. При этом речь идёт об очень молодом объекте: сила тяжести там, где формируется основная часть излучения (её можно оценить по соотношению плотности и температуры, отражающемуся на виде спектра), очень невелика, а значит, скорее всего, объект всё ещё находится в стадии сжатия.
Впрочем, неточность определения массы заключает её в интервал от примерно 7 до 12 масс Юпитера (от 0,7% до 1,2% масс Солнца).
В любом случае этот объект можно назвать планетой: даже значение в 12 юпитерианских масс ниже предела, отделяющего планеты от так называемых бурых карликов.
Эти объекты, как и планеты, слишком легки, чтобы зажечь реакции превращения водорода в гелий, но их массы всё-таки хватает, чтобы на стадии сжатия в них некоторое время продолжались ядерные реакции превращения дейтерия (тяжёлого изотопа водорода) в гелий. Всю оставшуюся после этого недолгого периода славы жизнь бурые карлики, так и не став настоящими звёздами, светятся, как и планеты, медленно остывая.
Расположена планета, пока не получившая не то что имени, но даже собственного обозначения, как минимум в 300 астрономических единицах (1 а. е. — это среднее расстояния от Земли до Солнца), или примерно в 45 миллиардах километрах, от 1RXS J160929.1-210524. Это вдесятеро больше, чем расстояние от Солнца до самой далёкой планеты Солнечной системы — Нептуна, что, по мнению Лафреньера и его коллег, плохо вяжется с современными теориями образования планетных систем.
Плотность протопланетного диска на таких расстояниях должна быть ничтожна, и там вряд ли может появиться что-то крупное. Возможно, объекты, подобные тому, что кружит вокруг 1RXS J160929.1-210524, образуются совсем не так, как члены нашей планетной семьи и всех внесолнечных систем, известных астрономам.
Расстояние, впрочем, может быть даже большим, если соединяющий их отрезок мы видим под углом к лучу зрения, отличающимся от прямого.
Да и сама планета, возможно, лишь случайно проецируется на окрестности J160929.1-210524.
Лафреньер оценивает шансы такого совпадения хотя бы у одной из 82 осмотренных астрономами членов ассоциации как 1:3000. Тем не менее его оценка спорна, поскольку основана на предположении, что подобных напарнику J160929.1-210524 объектов в ассоциации столько же, сколько звёзд массой больше 10% массы Солнца, которые все каталогизированы. Предположение, надо признать, сомнительное, так как мелких объектов в астрономии обычно оказывается куда больше, чем крупных.
Доказать, что напарник J160929.1-210524 действительно гравитационно связан с этой звездой, могут наблюдения движения двух объектов. Проследить обращение одного вокруг другого вряд ли получится — оборот по такой орбите должен продолжаться минимум несколько тысяч лет. Но, если астрономы увидят, что они движутся в одну сторону, это резко снизит вероятность того, что близость их расположения случайна. В любом случае J160929.1-210524 и её напарник расположены так далеко, что потребуется несколько лет, чтобы замерить их перемещение по небу.
Лафреньеру и его коллегам, конечно, очень хотелось бы, чтобы близость двух тел была не случайной. Иначе ни о каком первенстве они говорить не смогут.
Ведь другим астрономам уже удавалось и зафиксировать свет, отражённый от внесолнечной планеты, и составить очень грубую «карту» другой далёкой планеты по вариациям потока отражённого ею звёздного света. Удавалось непосредственно разглядеть и бурый карлик на орбите вокруг другой звезды, и планету массой около 8 масс Юпитера на орбите вокруг другого бурого карлика.
Канадские астрономы надеются, что они первые, кто увидел пару из настоящей планеты и настоящей звезды. Пускай и очень молодых и странных.
Почему мы не получаем свет от всех звезд во Вселенной?
Почему мы не получаем свет от всех звезд во Вселенной?
Что находится в космосе? |
Наверху находится около 6000 звезд, которые хорошо видны невооруженным глазом.
Земля. Однако мы знаем, что во Вселенной миллионы звезд. Так как все
звезды испускают свет и другие виды электромагнитного излучения и
поскольку свет может путешествовать на огромные расстояния в космосе, почему мы не можем видеть все
звезды?
Все звезды, как и наше Солнце, испускают огромное количество электромагнитного излучения,
включая свет. Однако этот свет распространяется с расстоянием, что делает его таким
до нас доходит лишь малая часть. Кроме того, в зависимости от температуры
звезды меняется основной цвет света, излучаемого звездой.
Более крутые звезды
излучают более красный свет, более горячие звезды излучают синий или белый свет. Как правило, цвета
как белый или синий, более сильные цвета (более короткая длина волны, более высокая частота)
и их легче увидеть на дальних расстояниях, чем красные, оранжевые или желтые.
Кроме того, некоторые звезды просто больше других и излучают больше света.
Звездное поле, как видно из телескопа Хаббл, показывает звезды разного цвета.
Звезда в кружке — это белый карлик, который излучает небольшое количество
сильный свет . Изображение Научного института космического телескопа http://oposite.stsci.edu/pubinfo/SubjectT.html
Помимо всех звезд в космосе есть много другой материи, называемой
темная материя между нами и звездами, которая может блокировать звездный свет. Эта темная материя
могут включать туманности, которые представляют собой облака газа, межзвездной пыли или планет.
Вид туманности Ориона, сделанный телескопом Субару.
. Звезды позади
его видно смутно, если вообще видно. Из астрономического снимка дня НАСА
Архив. http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap990202.html
Наконец-то свет может быть отброшен гравитацией. Черные дыры, которые массивны
гравитационные центры обладают настолько сильной гравитацией, что притягивают сам свет
и поймать его там, не давая ему добраться до нас.
Что
находится в космосе помимо планет и звезд?
Что
гравитация?
Что
это энергия?
Что такое частота?
Что
длина волны?
Что
из чего состоят планеты?
Что
из чего состоят звезды?
Что такое межзвездная пыль?
Что
электромагнитное излучение?
Как
связаны частота и длина волны?
Как
мы знаем, что находится в космосе?
Почему
влияют ли масса и расстояние на гравитацию?
Откуда берется энергия
прийти и уйти?
Что делает электромагнитное излучение?
Что такое пульсары? Они выглядят как мигающие звезды, но это не
На этом многоволновом портрете можно увидеть пульсар (розовый) в центре галактики Мессье 82.
Пульсар был обнаружен аппаратом NuSTAR НАСА, который зафиксировал рентгеновское излучение пульсара.
(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)
Пульсары — это сферические компактные объекты размером с большой город, но имеющие большую массу, чем Солнце. Ученые используют пульсары для изучения экстремальных состояний материи, поиска планет за пределами Солнечной системы Земли и измерения космических расстояний. Пульсары также могут помочь ученым найти гравитационные волны, которые могут указать путь к энергетическим космическим событиям, таким как столкновения между сверхмассивными черными дырами. Пульсары, открытые в 1967 году, являются удивительными членами космического сообщества.
Что такое пульсар?
С Земли пульсары часто выглядят как мерцающие звезды. Вспыхивая и выключаясь, они, кажется, мигают в регулярном ритме. Но свет пульсаров на самом деле не мерцает и не пульсирует, и эти объекты на самом деле не звезды.
Пульсары излучают два устойчивых узких луча света в противоположных направлениях.
Хотя свет от луча устойчив, кажется, что пульсары мерцают, потому что они также вращаются. По той же причине моргает маяк, когда его видит моряк в океане: когда пульсар вращается, луч света может пронестись по Земле, затем исчезнуть из поля зрения, а затем снова вернуться. Для наземного астронома свет появляется и исчезает из поля зрения, создавая впечатление, что пульсар то мигает, то выключается. Причина, по которой луч света пульсара вращается, как луч маяка, заключается в том, что луч света пульсара обычно не совпадает с осью вращения пульсара.
На этой диаграмме пульсара показан желтый световой конус, видимый земными астрономами. Конус не выровнен с осью вращения, поэтому луч скользит по небу, а не указывает только в одном направлении. (Изображение предоставлено НАСА)
Поскольку «мигание» пульсара вызвано его вращением, частота импульсов также показывает скорость вращения пульсара. Всего обнаружено более 2000 пульсаров. Большинство из них вращаются со скоростью порядка одного раза в секунду (их иногда называют «медленными пульсарами»), в то время как было обнаружено более 200 пульсаров, которые вращаются сотни раз в секунду (называемых «миллисекундными пульсарами»).
Самые быстрые из известных миллисекундных пульсаров могут вращаться более 700 раз в секунду.
Пульсары на самом деле не звезды — или, по крайней мере, не «живые» звезды. Пульсары принадлежат к семейству объектов, называемых нейтронными звездами, которые образуются, когда у звезды более массивной, чем Солнце, заканчивается топливо в ее ядре, и она коллапсирует сама в себя. Эта звездная смерть обычно приводит к мощному взрыву, называемому сверхновой. Нейтронная звезда — это плотный комок материала, оставшийся после этой взрывной смерти.
Нейтронные звезды обычно имеют диаметр от 12,4 до 14,9 миль (от 20 до 24 километров), но они могут содержать в два раза больше массы Солнца, что составляет около 864,938 миль (1,392 миллиона км) в диаметре. Кусочек материала нейтронной звезды размером с кубик сахара будет весить около 1 миллиарда тонн (0,9 метрических тонны) — «примерно столько же, сколько гора Эверест», по данным НАСА. Гравитационное притяжение на поверхности нейтронной звезды будет примерно в 1 миллиард раз сильнее, чем гравитационное притяжение на поверхности Земли.
Единственный объект с более высокой плотностью, чем у нейтронной звезды, — это черная дыра, которая также образуется при коллапсе умирающей звезды. Самая массивная нейтронная звезда, когда-либо измеренная, имеет массу в 2,04 раза больше массы Солнца. Ученые не знают точно, насколько массивными могут стать нейтронные звезды, прежде чем они станут черными дырами, говорит Ферьял Озель, профессор астрономии и астрофизики в Университете штата Аризона, который специализируется на компактных объектах и экстремальных состояниях материи во Вселенной.
Пульсары — это нейтронные звезды, также обладающие сильным магнитным полем. В то время как у Земли есть магнитное поле, достаточно сильное, чтобы мягко тянуть стрелку компаса, пульсары имеют магнитные поля, которые в диапазоне от 100 миллионов раз до 1 квадриллиона (миллиона миллиардов) раз сильнее, чем у Земли.
«Чтобы нейтронная звезда излучала как пульсар, она должна иметь правильную комбинацию силы магнитного поля и частоты вращения», — сказал Озел Space.
com в электронном письме. Некоторые нейтронные звезды, возможно, когда-то излучали как пульсары, но больше не излучают (подробнее читайте ниже). Озел также отметил, что пучок радиоволн, излучаемый пульсаром, может не проходить через поле зрения наземного телескопа, что мешает астрономам его увидеть.
Почему пульсары вращаются?
Самые медленные из когда-либо обнаруженных пульсаров вращаются со скоростью порядка одного раза в секунду, и их обычно называют медленными пульсарами. Самые быстрые из известных пульсаров могут вращаться сотни раз в секунду и известны как быстрые пульсары или миллисекундные пульсары (поскольку период их вращения измеряется в миллисекундах).
Пульсары вращаются, потому что звезды, из которых они образовались, также вращаются, и коллапс звездного вещества естественным образом увеличивает скорость вращения пульсара. (Приближение массы к центру вращающегося объекта увеличивает скорость его вращения, поэтому фигуристы могут вращаться быстрее, подтягивая руки к туловищу.
)
Пульсары размером с небольшой город, поэтому разогнать их до такой высокой скорости — немалый подвиг. Фактически, миллисекундные пульсары требуют дополнительного источника энергии, чтобы достичь такой высокой скорости вращения.
Ученые считают, что миллисекундные пульсары должны были образоваться путем кражи энергии у компаньона. Пульсар выкачивает материю и импульс из своего компаньона, постепенно увеличивая скорость вращения пульсара. Это плохие новости для звезды-компаньона, которая может быть полностью поглощена пульсаром. Это могло бы объяснить, почему были обнаружены миллисекундные пульсары без видимого компаньона поблизости. Системы, в которых ученые видят пульсар, высасывающий жизнь из звезды, называются звездами черной вдовы или звездами с красной спиной, названными в честь двух типов опасных (высасывающих жизнь) пауков.
Художественное представление пульсара, высасывающего вещество из звезды-компаньона, что приводит к образованию миллисекундного пульсара.
(Изображение предоставлено авторскими правами NASA/CXC/M.Weiss)
Что заставляет пульсар излучать?
Пульсары могут излучать свет на нескольких длинах волн, от радиоволн до гамма-лучей, самой энергичной формы света во Вселенной.
Как пульсары излучают свет? По словам Элис Хардинг, астрофизика из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, у ученых пока нет подробного ответа на этот вопрос, который специализируется на пульсарах. Более того, ученые обнаружили, что различные механизмы, вероятно, ответственны за получение различных длин волн света из области над поверхностью пульсара, сказал Хардинг. Подобные маяку лучи света, которые ученые впервые заметили в 1960-е состоят из радиоволн. Эти лучи света примечательны тем, что они чрезвычайно яркие и узкие, и имеют свойства, подобные свойствам лазерного луча. Лазерный свет является «когерентным», в отличие от некогерентного света, излучаемого, например, лампочкой. В луче когерентного света частицы света, по существу, движутся в ногу, создавая однородный сфокусированный луч.
Когда частицы света работают вместе таким образом, они могут создавать луч света, который экспоненциально ярче, чем рассеянный источник света, использующий такое же количество энергии.
Что действительно кажется ученым ясным, так это то, что излучение пульсара питается вращением пульсара и его магнитным полем, по словам Роджера Романи, профессора физики Стэнфордского университета, изучающего пульсары и другие компактные объекты. По словам Романи, самые быстро вращающиеся пульсары имеют более слабые магнитные поля, чем более медленно вращающиеся пульсары, но увеличения скорости вращения все же достаточно, чтобы эти быстрые пульсары излучали такие же яркие лучи, как и более медленные пульсары.
Художественное представление линий магнитного поля, огибающих пульсар. Фиолетовое свечение представляет собой гамма-излучение. Ось вращения пульсара не показана и не совпадает с осью магнитного поля. (Изображение предоставлено НАСА)
Впечатление художника выше дает представление о том, как линии магнитного поля от пульсара будут зацикливаться вокруг него и соединяться на двух полюсах.
Однако на самом деле, когда пульсар вращается, он крутит вокруг себя магнитное поле, создавая гораздо более запутанную картину.
Вращающееся магнитное поле генерирует электрическое поле, которое, в свою очередь, может приводить в движение заряженные частицы (создавая электрический ток). Область над поверхностью пульсара, в которой преобладает магнитное поле, называется магнитосферой. В этой области заряженные частицы, такие как электроны и протоны, или заряженные атомы, ускоряются до чрезвычайно высоких скоростей очень сильным электрическим полем. Каждый раз, когда заряженные частицы ускоряются (то есть увеличивают свою скорость или меняют направление), они излучают свет. На Земле инструменты, называемые синхротронами, разгоняют частицы до очень высоких скоростей и используют излучаемый ими свет для научных исследований. В магнитосфере пульсара этот основной процесс может генерировать свет в оптическом и рентгеновском диапазонах.
А как же гамма-лучи, испускаемые пульсаром? Наблюдения показывают, что гамма-лучи испускаются из другого места в пространстве, окружающем пульсар, чем лучи радиоволн, и на другой высоте над поверхностью, сказал Хардинг. И гамма-лучи излучаются не узким, похожим на карандаш пучком, а веерообразно. Но, как и в случае с излучением радиоволн, ученые все еще спорят о точном механизме, ответственном за генерацию гамма-лучей пульсара.
Поиск пульсаров
Ученые открыли пульсары с помощью радиотелескопов, и радио продолжает оставаться основным средством поиска этих объектов.
Поскольку пульсары маленькие и слабые по сравнению со многими другими небесными объектами, ученые находят их, используя обзоры всего неба: телескоп сканирует все небо, и со временем ученые могут искать объекты, которые то появляются, то исчезают из поля зрения. Радиотелескоп Parkes в Австралии обнаружил большинство известных пульсаров. Другими телескопами, которые внесли большой вклад в поиски пульсаров, являются радиотелескоп Аресибо в Пуэрто-Рико, телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, телескоп Молонгло в Австралии и телескоп Джодрелл-Бэнк в Англии.
По словам Скотта Рэнсома, штатного астронома Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния, тысячи новых пульсаров могут быть обнаружены двумя радиотелескопами, которые должны начать сбор данных в ближайшие пять лет. Это китайский сферический телескоп с пятисотметровой апертурой (сокращенно FAST), базовое строительство которого может быть завершено уже в сентябре 2016 года, и массив квадратных километров (SKA), финансируемый консорциумом стран. Строительство SKA должно начаться в 2018 году в Южной Африке и Австралии. На веб-сайте организации говорится, что ранние научные наблюдения могут начаться в 2020 году, но полноценная научная деятельность массива (оба объекта) не начнется до 2030 года.
Космический гамма-телескоп Ферми, запущенный в июне 2008 года, обнаружил 2050 пульсаров, излучающих гамма-излучение, в том числе 93 миллисекундных гамма-пульсара. Ферми был особенно полезен, потому что он сканирует все небо, в то время как большинство радиообзоров обычно сканируют только участки неба вдоль плоскости галактики Млечный Путь.
Карта неба, показывающая гамма-пульсары, обнаруженные с помощью прибора LAT гамма-телескопа Ферми. Выше показаны гамма-пульсары, обнаруженные с помощью LAT: CGRO PSR (плюс), молодые радиовыделенные (круг), молодые гамма-выделенные (квадрат) и MSP (ромб).
(Изображение предоставлено Fermi-LAT/GSFC)
Обнаружение различных длин волн света от пульсара может быть затруднено. Луч радиоволн пульсара может быть очень мощным, но если он не пройдет через Землю (и не попадет в поле зрения телескопа), астрономы могут его не увидеть. Гамма-излучение пульсара может охватывать большую часть неба, но оно также может быть тусклее и его труднее обнаружить.
По состоянию на 22 марта 2016 года ученым известно около 2300 пульсаров, у которых обнаружены только радиоволны, и около 160 пульсаров, излучающих гамма-лучи. Ученые теперь знают о 240 миллисекундных пульсарах, 60 из которых излучают гамма-лучи, сказал Рэнсом. Эти числа часто меняются по мере открытия новых пульсаров.
Использование пульсаров
Пульсары — фантастические космические инструменты, с помощью которых ученые могут изучать широкий спектр явлений.
Свет, излучаемый пульсаром, несет информацию об этих объектах и о том, что происходит внутри них. Это означает, что пульсары дают ученым информацию о физике нейтронных звезд, которые являются самым плотным материалом во Вселенной (за исключением того, что происходит с материей внутри черной дыры).
Под таким невероятным давлением материя ведет себя невиданным ранее ни в какой другой среде во Вселенной. Странное состояние вещества внутри нейтронных звезд — это то, что ученые называют «ядерной пастой»: иногда атомы выстраиваются в плоские листы, как лазанья, или спирали, как фузилли, или маленькие самородки, как клецки.
Некоторые пульсары также оказываются чрезвычайно полезными из-за точности их импульсов. Есть много известных пульсаров, которые мигают с такой точной регулярностью; они считаются самыми точными природными часами во Вселенной. В результате ученые могут наблюдать за изменениями в мерцании пульсара, которые могут указывать на то, что что-то происходит в соседнем пространстве.
Именно с помощью этого метода ученые стали выявлять наличие чужих планет, вращающихся вокруг этих плотных объектов. Фактически, первая планета за пределами Солнечной системы Земли, когда-либо найденная, вращалась вокруг пульсара.
Поскольку пульсары движутся в пространстве, а также мигают регулярное количество раз в секунду, ученые могут использовать множество пульсаров для расчета космических расстояний.
Изменение положения пульсара означает, что излучаемому им свету требуется больше или меньше времени, чтобы достичь Земли. Благодаря точной синхронизации импульсов ученые провели одни из самых точных измерений расстояний до космических объектов.
Пульсары использовались для проверки аспектов общей теории относительности Альберта Эйнштейна, таких как универсальная сила гравитации.
Регулярная синхронизация пульсаров также может быть нарушена гравитационными волнами — рябью в пространстве-времени, предсказанной Эйнштейном и впервые обнаруженной непосредственно в феврале 2016 года. В настоящее время проводится несколько экспериментов по поиску гравитационных волн с помощью этого пульсарного метода.
Использование пульсаров для этих типов приложений зависит от того, насколько стабильно они вращаются (таким образом обеспечивая очень регулярные вспышки), сказал Рэнсом. Все пульсары постепенно замедляются по мере своего вращения; но те, которые используются для точных измерений, замедляются невероятно медленно, поэтому ученые все еще могут использовать их в качестве стабильных устройств для измерения времени.
На этих изображениях Крабовидного пульсара , сделанных рентгеновской обсерваторией Чандра в течение нескольких месяцев, виден яркий белый пульсар в центре и извергающиеся струи вещества. (Изображение предоставлено NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.)
Кладбища пульсаров
Все пульсары постепенно замедляются с возрастом. Излучение, испускаемое пульсаром, питается его магнитным полем и его вращением. В результате пульсар, который замедляется, также теряет мощность и постепенно перестает излучать излучение (или, по крайней мере, он перестает излучать достаточное количество излучения для обнаружения телескопами), сказал Хардинг. Наблюдения до сих пор показывают, что пульсары опускаются ниже порога обнаружения с гамма-лучами раньше, чем с радиоволнами. Когда пульсары достигают этой стадии жизни, они попадают на так называемое кладбище пульсаров. (Пульсары, которые перестали излучать, могут считаться астрономами обычными нейтронными звездами).
Когда из обломков сверхновой образуется пульсар, он быстро вращается и излучает много энергии, сказал Рэнсом.
Примером такого молодого пульсара является хорошо изученный Крабовый пульсар. Эта фаза может длиться несколько сотен тысяч лет, после чего пульсар начинает замедляться и излучать только радиоволны. Он добавил, что эти пульсары «среднего возраста», вероятно, составляют большую часть популяции пульсаров, идентифицированных как излучающие только радиоволны. Эти пульсары живут десятки миллионов лет, прежде чем в конечном итоге замедляются настолько, что «умирают» и попадают на кладбище пульсаров.
Но если пульсар находится рядом со звездой-компаньоном, он может быть «переработан», то есть выкачивает материал и энергию из своего соседа, увеличивая свое вращение до сотен раз в секунду, таким образом создавая миллисекундный пульсар и давая некогда мертвый пульсар новая жизнь. Это изменение может произойти в любой момент жизни пульсара, а это означает, что скорость вращения «умирающего» пульсара может увеличиваться в течение сотен и миллионов лет. Пульсар начинает излучать рентгеновские лучи, и пара объектов известна как «рентгеновская двойная система с малой массой», — сказал Рэнсом.
(Эти пульсары-каннибалы были названы пульсарами «черная вдова» или «красноспинными» пульсарами в связи с двумя видами пауков, которые, как известно, убивают своих товарищей). Миллисекундные пульсары являются старейшими из известных пульсаров. Некоторым из них миллиарды лет, и они будут продолжать вращаться с такой высокой скоростью в течение миллиардов лет.
Подписывайтесь на Каллу Кофилд @callacofield. Следуйте за нами @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Калла Кофилд присоединилась к команде Space.com в октябре 2014 года. Ей нравится писать о черных дырах, взрывающихся звездах, ряби в пространстве-времени, науке в комиксах и обо всех тайнах космоса. До прихода в Space.com Калла работала писателем-фрилансером, ее работы публиковались в APS News, журнале Symmetry, Scientific American, Nature News, Physics World и других изданиях.