Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Перейдем теперь к анализу самых общих характеристик этого радиоизлучения. Речь пойдет о природе «окна» излучения, синтетического профиля импульсов, а также о тех характерных вариациях поляризации излучения, которые были описаны в § 21. Что касается природы «окна», то она в основном объясняется «эффектом маяка» (см. рис. 20.1). Это сравнение очень точно. Пучок излучения от некоторого яркого «пятна», жестко связанного с вращающейся нейтронной звездой, описывает в пространстве гигантский конус. Когда пучок проходит через наблюдателя, последний фиксирует импульс радиоизлучения. Геометрической характеристикой пучка является его диаграмма направленности. В предельных случаях последняя может быть «карандашной» или «веерной» (рис. 22.4). В первом случае угловые размеры пучка по всем направлениям приблизительно одинаковы. Во втором случае угловые размеры пучка по одной координате сравнительно невелики, между тем как по другой координате, перпендикулярной к первой, они могут быть равны 360°. С точки зрения механизмов излучения, могут реализовываться как «карандашные», так и «веерные» диаграммы.

Рис. 22.4: Схема «карандашной» (слева) и «веерной» диаграмм направленности излучения.

Из наблюдения профиля импульсов следует, что ширина «окна» около 9° (см. § 21). Однако, как правило, эти профили имеют довольно богатую структуру, в частности, они состоят из значительно более узких субимпульсов. Возникает вопрос: чем объясняются эти субимпульсы? В принципе имеются две возможности объяснения этого эффекта: а) излучение исходит из одной очень маленькой области, жестко связанной с вращающейся нейтронной звездой. В этом случае субимпульсы следует объяснить сложным, как бы «изрезанным» характером диаграммы излучения; б) излучение каждого субимпульса исходит из определенного «пятна» на вращающейся нейтронной звезде и имеет простую (т. е. не «изрезанную») диаграмму. Наличие нескольких субимпульсов означает, что излучающие «пятна» разбросаны по довольно значительной области вращающейся нейтронной звезды. Тот факт, что субимпульсы имеют тенденцию сохранять свою «индивидуальность» в течение нескольких периодов вращения и, кроме того, имеют определенную поляризацию, говорит в пользу второй возможности. Таким образом, характерным «элементом» радиоизлучения пульсара является субимпульс, диаграмма излучения которого проста, а состояние поляризации определенно. Наблюдаемый профиль пульсара определяется последовательностью таких субимпульсов, проходящих через пульсарное «окно».

Рис. 22.5: Изменения вектора поляризации оптического излучения пульсара NP0531.

При такой интерпретации относительная длительность импульсов определяется протяженностью области, где находятся излучающие «пятна». Что касается «интеримпульсов», наблюдаемых у некоторых пульсаров, то они объясняются «пятнами», находящимися совсем в другой (почти диаметрально противоположной) области вращающейся нейтронной звезды. Наблюдаемое у пульсара в Крабовидной туманности (а также у некоторых других пульсаров) сравнительно слабое излучение между импульсами следует объяснить распределением излучающих областей по большому объему в окрестностях нейтронной звезды.

Какая же причина «держит» излучающие пятна в строго определенных областях вокруг вращающейся нейтронной звезды? Очевидно, что такой причиной может быть только очень сильное магнитное поле. Естественно также связать наблюдаемую поляризацию и ее изменения по мере прохождения субимпульсов через пульсарное «окно» с изменением ориентации магнитного поля по отношению к наблюдателю из-за вращения нейтронной звезды.

Очень большие и характерные изменения направления вектора поляризации оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности (рис. 22.5) и радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 (рис. 22.6) проще всего объяснить «карандашной» диаграммой. В обоих этих случаях через пульсарное «окно» проходит, по существу один субимпульс; следовательно, излучение исходит от сравнительно небольших излучающих пятен. Вероятнее всего, что эти «пятна» связаны с магнитными полюсами соответствующих нейтронных звезд. Расчеты, которые мы здесь приводить не будем, показывают, что вращение вектора магнитной оси полностью объясняет наблюдаемые быстрые вариации направления поляризации. Применительно к пульсару в Крабовидной туманности эта теория дает интересную дополнительную информацию. Из скорости изменения направления линейной поляризации оптического излучения этого пульсара следует, что его магнитная ось почти перпендикулярна к оси вращения, причем наименьший угол, образуемый магнитной осью с лучом зрения, равен всего лишь 2°. Любопытно отметить, что радиоизлучение от пульсара в Крабовидной туманности не показывает таких закономерных изменений направления поляризации, как оптическое излучение.

Рис. 22.6: Изменения вектора поляризации радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 за время наблюдения одного импульса.

Как же образуются пучки направленного излучения, которые вращаются в пространстве, будучи «привязаны» к вращающейся нейтронной звезде? Как это ни странно, на этот четкий вопрос однозначного ответа пока нет. Разные группы исследователей придерживаются разных мнений.

Так, например, первый астроном, понявший природу пульсаров, Голд, образование пучка излучения связывает с магнитосферой нейтронной звезды, жестко с нею соединенной и вместе с ней вращающейся. Гипотеза Голда ясна из схемы, изображенной на рис. 20.1. Ионизованный газ (плазма) находится в магнитосфере пульсара и вращается вместе с последней с той же угловой скоростью, что и нейтронная звезда. По мере приближения (изнутри) к поверхности «светового цилиндра» скорость вращения приближается к скорости света. При этом в силу эффекта специальной теории относительности, вращающиеся вокруг оси нейтронной звезды электроны плазмы будут излучать частоты, близкие к частоте

(E/mc²)², где E =

mc² = mc²

 — энергия электронов, вращающихся со скоростью 3, достаточно близкой к c. Релятивистские заряженные частицы всегда излучают внутри некоторого конуса, ось которого совпадает с вектором их мгновенной скорости, а угловой «раскрыв»

= mc²/E. Всегда можно представить, что около поверхности светового цилиндра плазма распределена не равномерно, а концентрируется в отдельных облаках. Последнее обстоятельство и объясняет наличие пучков излучения.

В какой-то мере сходную «кинематическую» картину радиоизлучения пульсаров развивали и другие авторы, особенно В. В. Железняков и Г. Смит. Согласно этой картине в магнитосфере пульсара вблизи светового цилиндра имеется область, заполненная плазмой, являющейся источником неравновесного, почти изотропного радиоизлучения. При твердотельном вращении магнитосферы вместе с находящимся в ней облаком из-за эффекта Доплера будет резко увеличиваться частота излучения, когда последнее направлено к наблюдателю. При этом очень сильно будет меняться интенсивность излучения. Таким образом, с точки зрения внешнего наблюдателя такое излучение будет остронаправленным.

Несомненным достоинством «кинематических» теорий радиоизлучения пульсара является возможность непринужденного объяснения одинаковости диаграммы излучения для разных частот. Особенно это относится к пульсару в Крабовидной туманности, импульсы рентгеновского излучения которого практически одновременны с импульсами радиоизлучения. Однако объяснить поляризацию излучения пульсаров и характерные изменения ее со временем очень трудно в рамках только одного «кинематического» механизма.

Совершенно другую геометрию излучения предложили Радхакришнан и Кук. В развитой ими картине излучение вовсе не обязательно связывать с поверхностью светового цилиндра. Излучающим агентом также являются релятивистские электроны, но они релятивистские «сами по себе», а не потому, что движутся (вращаются) с почти световой скоростью, находясь около поверхности светового цилиндра (как в модели Голда). Релятивистские электроны в картине Радхакришнана — Кука движутся в области магнитных полюсов нейтронной звезды и излучают благодаря некоторой модификации синхротронного механизма. В отличие от обычного синхротронного механизма, где релятивистские электроны движутся по спирали вокруг магнитных силовых линий, причем угол между векторами скорости и поля достаточно велик, здесь электроны движутся практически точно по силовым линиям, а излучают только благодаря кривизне последних. В этом смысле рассмотренный выше механизм Голда также, конечно, является синхротронным.

Хотя применение «обобщенного» (так называемого изгибного) синхротронного механизма к радиоизлучению пульсаров представляет несомненный интерес, так как довольно непринужденно объясняет важнейшее его свойство, а именно — направленность, при более детальном рассмотрении обнаруживаются серьезные трудности. Дело в том, что ширина пучков, определяющая длительность субимпульсов, должна хотя и слабо, но все же зависеть от частоты излучения. Ничего подобного, однако, не наблюдается. На всех частотах длительность субимпульсов одинакова. Имеются также серьезные расхождения между наблюдаемыми свойствами поляризации пульсарного радиоизлучения и ожидаемыми согласно той или иной модификации синхротронного механизма.

Резюмируя, следует сказать, что общепринятой теории радиоизлучения пульсаров пока еще нет, хотя отдельные ее элементы, по-видимому, имеются. Вся сложная картина радиоизлучения пульсаров должна определяться совокупным влиянием большого числа факторов: сильного магнитного поля, коллективным взаимодействием заряженных частиц и полей и, конечно, движением плазмы с релятивистской скоростью около внутренней границы светового цилиндра.

До сих пор мы в основном обсуждали вопрос о «геометрии» излучения. Теперь следует остановиться на тех физических процессах, которые могут быть его причиной. Прежде всего рассмотрим вопрос о мощности излучения пульсаров. Последнюю можно найти, измеряя поток излучения во всем радиодиапазоне в течение импульса, зная отношение длительности импульса и период у пульсара и задаваясь видом диаграммы излучения (карандашная, веерная). Полученная таким образом мощность для разных импульсов меняется в очень широких пределах — от 10²⁷ до 10³¹ эрг/с или, соответственно, от 10¹⁴ до 10¹⁸ МВт. Эту мощность любопытно сравнить с совокупной мощностью всех земных радио- и телепередатчиков, работающих в том же диапазоне частот, которые при условии, что они работают одновременно, излучали бы несколько тысяч мегаватт. Как видим, естественные космические радиопередатчики неизмеримо мощнее искусственных земных.