Источник энергии пульсара



Источник энергии пульсараПериодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. И все же для многих пульсаров удалось зарегистрировать и регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения и происходят они крайне медленно, так что регулярность следования импульсов нарушается лишь очень слабо. Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет; это означает, что только за миллион лет можно ожидать заметного — скажем, вдвое — изменения периода.

Во всех известных случаях радиопульсары увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, их вращение замедляется со временем. Что-то тормозит вращение нейтронной звезды, на что-то тратится ее энергия вращения. Так не служит ли вращение источником, питающим излучение пульсара?

Чтобы это проверить, нужно сделать прежде всего энергетическую оценку. Если пульсар действительно излучает за счет вращения, то кинетическая энергия вращения должна обеспечивать наблюдаемую мощность излучения, его светимость. Ориентировочную оценку кинетической энергии вращения звезды можно получить по простой формуле E=½Mν2, где M — масса звезды, ν — характерная скорость вращения, в качестве которой можно взять линейную скорость вращения на экваторе звезды: ν=2πR/P. При типичном периоде Р=1 с и радиусе нейтронной звезды R=104 м, находим E=½Mν2 = ½M (2πR/P) 2 ≈ 3 × 1039 Дж. Таков запас энергии вращения. Оценим теперь темп ее использования.

Если период пульсара увеличивается вдвое за время т, то за то же время кинетическая энергия вращения нейтронной звезды уменьшается в 4 раза (так как Е ∞ ν2 ∞ Р−2). Значит, за время τ теряется ¾ начального запаса энергии вращения. Средняя потеря энергии в единицу времени W = E — ¼E/τ ≈ E/τ ≈ 1026 Вт.

Мы приняли здесь в качестве т характерное время, равное одному миллиону лет (3 × 1013 с), и воспользовались предыдущей оценкой энергии вращения Е. Величина W — средняя мощность, связанная с расходованием энергии вращения, что для типичного пульсара на несколько порядков выше его радиосветимости (~1019 — 1022 Вт).

Для пульсара Крабовидной туманности, период которого составляет одну тридцатую секунды, оценку нужно сделать отдельно. У него и характерное время увеличения периода не миллион лет; как показывают наблюдения, оно сравнимо с его возрастом, т. е. близко к тысяче лет. В этом случае мощность W окажется в миллион раз больше, чем по соотношению (3.5); она превышает на несколько порядков полную светимость этого пульсара во всех диапазонах волн.

Можно, таким образом, сказать, что предположение о вращении как источнике энергии пульсара выдерживает первую проверку: кинетическая энергия вращения нейтронной звезды достаточно велика и она способна служить резервуаром, из которого излучение черпает свою энергию. При этом на излучение тратится только небольшая доля общего расхода энергии.

Каким же образом энергия вращения превращается в энергию электромагнитных волн? Согласно идее, выдвинутой итальянским астрофизиком Ф. Пачини и английским теоретиком Т. Голдом, решающая роль в этом должна принадлежать магнитному полю нейтронной звезды. Как мы уже говорили, нейтронная звезда может обладать очень значительным магнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды, как и у рентгеновского пульсара.



Система силовых линий магнитного поля вращается с той угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная звезда. Соответствующая линейная скорость вращения возрастает пропорционально увеличению расстояния от оси вращения. Но на достаточном удалении от оси линейная скорость приближается к скорости света. Линейная скорость вращения силовых линий поля будет равна скорости света на расстоянии от оси, равном RC = (½π) × cP.

(Р — период вращения нейтронной звезды.) Величину RC называют радиусом светового цилиндра. При типичном периоде Р=1 с, RC=5 × 107 м. Для пульсара Крабовидной туманности RC=2 × 106 м. Для самого быстрого «миллисекундного» пульсара RC=7 × 104 м, что всего в несколько раз превышает радиус нейтронной звезды.

Вне светового цилиндра магнитное поле вращающегося наклонного диполя уже не может оставаться тем же, что и внутри его. На световом цилиндре происходит превращение дипольного магнитного поля в электромагнитные волны, которые распространяются вовне, унося с собой определенную энергию. Эта энергия черпается из энергии вращения нейтронной звезды.

Такого рода магнитно-дипольное излучение давно изучено в электродинамике. Известно, что частота излученных волн равна частоте вращения магнитного диполя, длина волны равна радиусу светового цилиндра. Излучение волн тем интенсивнее, чем больше угол φ между осью вращения и магнитной осью; при φ=0, т. е. при параллельности этих осей, излучение отсутствует. Энергия, уносимая волнами в единицу времени, или мощность магнитно-дипольного излучения, дается соотношением WB =(2π/3c2) × Ω4 × (B20) × R6 sin2 φ.

Здесь с — скорость света в вакууме, μ0=1,26 × 10−6 Гн/м — магнитная постоянная, Ω, R — угловая частота и радиус нейтронной звезды, В — магнитная индукция у ее полюсов.

Каково должно быть магнитное поле нейтронной звезды, чтобы мощность магнитно-дипольного излучения WB соответствовала потере энергии вращения при торможении W? Эти величины совпадают, если (при Р=1 с, R=104 м, sin φ~1) магнитная индукция B ≈ 3 × 108 Тл. Такие поля действительно могут возникать из-за сильного сжатия вещества в ходе формирования нейтронной звезды.

Итак, вращающаяся нейтронная звезда с наклонным магнитным полем способна излучать электромагнитные волны. При этом энергия ее вращения преобразуется в энергию излучения.

Но магнитно-дипольные волны — это отнюдь не то излучение, которое наблюдают у пульсаров: его частота слишком мала, а длина волны слишком велика — десятки и сотни километров. Магнитно-дипольные волны должны претерпеть какие-то очень существенные превращения, прежде чем возникнет наблюдаемое излучение пульсаров. Эти превращения происходят, по-видимому, в магнитосфере пульсара — в окружающем нейтронную звезду вращающемся облаке заряженных частиц.

Связанные записи

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , ,

Оставить комментарий