Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Особняком стоит пульсар в Крабовидной туманности. Наряду с радиоизлучением, средняя мощность которого

10³¹ эрг/с (на короткое время она иногда увеличивается в сотню раз), этот пульсар излучает также в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Мощность его оптического излучения, которое отличается удивительной стабильностью, достигает

10³⁴ эрг/с, что в 2,5 раза превосходит мощность излучения Солнца. Но основная мощность излучается этим пульсаром в рентгеновском и гамма-диапазонах. Излучаемая мощность в «жестких» квантах этого диапазона достигает значения

3

10³⁷

эрг/с, что в десять тысяч раз превосходит мощность излучения Солнца на оптических частотах и близка к мощности излучения звезд-гигантов на частотах оптического, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.

Представляет интерес оценить для пульсаров мощность излучения единицы объема в излучающей области. Учитывая геометрию пульсаров, можно сделать вывод, что протяженность излучающей области «в глубину» не может превосходить радиуса светового цилиндра. С другой стороны, из длительности импульсов следует, что проекция этой области на поверхность нейтронной звезды должна иметь линейные размеры порядка нескольких десятых ее радиуса. Отсюда, в частности, следует, что у пульсара в Крабовидной туманности объем излучающей области не превосходит 10²³ см³. Поэтому излучаемая единицей объема мощность в рентгеновском и гамма-диапазонах у этого пульсара превосходит

10¹⁴ эрг/см³

с. Это фантастически большая величина, в миллиарды раз превосходящая мощность генерации термоядерной энергии в единице объема звездных недр.

Важной характеристикой интенсивности излучения является яркостная температура (см. § 4). Если для оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности яркостная температура близка к десяти миллиардам кельвинов, а в рентгеновском диапазоне она равна «всего лишь» сотне тысяч кельвинов, то в радиодиапазоне она достигает огромной величины

10²⁸ кельвинов!

Непомерно мощное радиоизлучение пульсара в Крабовидной туманности (а также всех других пульсаров) совершенно исключает возможность его объяснения суммой независимо излучающих заряженных частиц, как это имеет место в случае синхротронного или теплового излучения. С аналогичной ситуацией астрономы встретились еще в сороковых годах, когда радиоастрономические наблюдения обнаружили гигантские всплески солнечного радиоизлучения. Изучение этого интересного явления заставило сделать вывод, что оно возникает при упорядоченных «когерентных» движениях электронов в сравнительно больших объемах плазмы. При таких упорядоченных движениях элементарных зарядов складываются амплитуды излучаемых ими элементарных электромагнитных волн. Следовательно, интенсивность результирующей электромагнитной волны от всей системы излучающих зарядов (пропорциональная квадрату результирующей амплитуды) будет в огромное число раз больше суммы интенсивностей элементарных волн, излучаемых отдельными зарядами. В лабораторных условиях хорошим примером радиоизлучения упорядоченно (когерентно) движущихся электрических зарядов являются обычные передающие антенны. Например, передающая антенна с эффективной поверхностью в десять тысяч квадратных метров может излучать мощность в несколько мегаватт. Если бы вся поверхность, окружающая магнитосферу пульсара в Крабовидной туманности, была покрыта такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы всего лишь

10⁹ МВт, т. е. в десять миллиардов раз меньше мощности радиоизлучения этого пульсара. Даже если бы весь объем его магнитосферы был плотно заполнен такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы в сотню тысяч раз меньше наблюдаемой! Этот пример демонстрирует всю ничтожность творения рук и мозга людей по сравнению с естественными процессами в природе.

Исключительно высокая яркостная температура может быть реализована также и в том случае, когда механизм радиоизлучения представляет собой некоторую разновидность процесса мазерного усиления. В § 4 мы уже познакомились с естественными космическими мазерами, которые так неожиданно оказались связанными с процессом звездообразования. В этом случае мазерное усиление имеет место только для узкого интервала частот, соответствующего радиолиниям молекул OH и H₂O. Однако процесс мазерного усиления при некоторых условиях может происходить и в очень широком спектральном интервале, совершенно не связанном с той или иной радиолинией.

Следует еще раз подчеркнуть необычность условий, в которых имеет место генерация и распространение радиоволн. Например, напряженность электрического поля в пульсарном излучении в области генерации доходит до нескольких миллиардов вольт/метр. Отсюда непосредственно следует вывод, что это «собственное» электрическое поле «само по себе» ускоряет «породившие» его электроны до релятивистских энергий. В этой сложной ситуации такие элементарные понятия как показатель преломления, суперпозиция волн и др. уже теряют обычный смысл.

Резюмируя, следует сказать, что радиоизлучение пульсаров представляет собой некоторый когерентный процесс, возникающий в весьма необычных условиях. Для того чтобы такое излучение как-то возникло, необходимо, чтобы в магнитосфере пульсаров было достаточное количество свободных электронов. Необходимость существования свободных

электронов в магнитосфере пульсаров следует из основных законов электродинамики (см. выше). Кроме того, имеется довольно мощный поток плазмы, вытекающий с поверхности нейтронной звезды. Это явление мы назвали «пульсарным ветром». Концентрация частиц в таком потоке может быть довольно значительной. Подробнее об этом мы уже говорили применительно к пульсару, находящемуся в Крабовидной туманности. К сожалению, при современном уровне теории неясно, в какой области магнитосферы пульсаров происходит генерация радиоволн. Это может быть слой около магнитных полюсов, непосредственно примыкающий к поверхности нейтронной звезды, или же далекая периферия магнитосферы около внутренней поверхности светового цилиндра. Предстоит еще очень большая работа как наблюдателей, так и теоретиков, чтобы природа радиоизлучения пульсаров, связанная с «активностью» нейтронных звезд, была понята.

Важной особенностью плазмы магнитосферы пульсаров является то, что она состоит не из электронов и положительных ионов (как обычная плазма), а из электронов и позитронов. Само образование такой плазмы можно себе представить следующим образом. Вблизи твердой поверхности сильно намагниченной быстровращающейся нейтронной звезды возникает электрическое поле с составляющей вдоль магнитного поля, отличной от нуля. Это поле вырывает из поверхностных слоев нейтронной звезды первичные заряженные частицы и ускоряет их до огромных значений энергии

10⁷—10⁸mc². Двигаясь вдоль искривленных магнитных силовых линий, эти частицы генерируют кванты гамма-излучения. В сильном магнитном поле нейтронной звезды каждый такой квант распадается на электрон и позитрон, которые, в свою очередь, порождают гамма-кванты «изгибного» излучения. Таким образом, в магнитосфере пульсара непрерывно образуются электронно-позитронные лавины, «питающие» находящуюся там плазму. Потоки этой специфической плазмы все время движутся с релятивистскими скоростями от поверхности нейтронной звезды наружу. Когерентно излучающие сгустки такой плазмы и являются «материальным носителем» радиоизлучения пульсаров.

Рис. 22.7: Спектр источника с синхротронной реабсорбцией.

Несомненно, что природа высокочастотного излучения пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности, радикально отличается от природы его радиоизлучения. Это ясно видно хотя бы из общего спектра электромагнитного излучения этого пульсара, приведенного на рис. 20.6. Радио- и высокочастотный спектры никак не «сшиваются», т. е. высокочастотное излучение (в котором, кстати сказать, заключена подавляюще большая часть энергии) никоим образом не является «продолжением» радиоизлучения этого пульсара. Кроме того, между ними имеется еще одно фундаментальное различие: высокочастотное излучение весьма постоянно, т. е. профиль импульсов не меняется со временем, радиоизлучение же переменно и по-другому поляризовано. Все факты говорят о том, что в то время как радиоизлучение NP 0531, так же, как и радиоизлучение других пульсаров, обусловлено неким, пока неизвестным «когерентным» механизмом, высокочастотное излучение есть сумма излучений отдельных релятивистских электронов, движущихся в магнитосфере пульсара, т. е. является синхротронным. Эго значительно упрощает задачу теоретического истолкования наблюдаемых свойств оптического и рентгеновского излучения NP 0531.

В основу теории высокочастотного излучения пульсара в Крабовидной туманности, по нашему мнению, следует положить знаменательный факт «завала» его спектра в ближней инфракрасной области. Какова причина этого явления? Автор настоящей книги еще в 1970 г. привел аргументы в пользу того, что этот «завал» следует объяснить явлением «синхротронной реабсорбции», в то время как само высокочастотное излучение пульсара NP 0531 объясняется обычным «синхротронным» механизмом, являющимся причиной основной части излучения Крабовидной туманности во всем диапазоне электромагнитных волн (см. § 17). Само явление синхротронной реабсорбции состоит в том, что при очень большой плотности релятивистских частиц космический объект перестает быть прозрачным для «собственного» синхротронного излучения. Эта непрозрачность начинается на некоторой частоте и прогрессивно растет в сторону низких частот. По этой причине интенсивность на низких частотах как бы «срезается» и синхротронный спектр источника приобретает вид, изображенный на рис. 22.7. На этом же рисунке для сравнения прерывистой линией изображен спектр того же источника при условии его прозрачности, т. е. при отсутствии синхротронной реабсорбции. Мы видим, что характер высокочастотного спектра пульсара в Крабовидной туманности (см. рис. 20.6) такой же, как у источника, где существенна синхротронная реабсорбция.

Значение частоты

_m, начиная с которой эффект синхротронной реабсорбции становится существенным, тем выше, чем «компактнее» источник, т. е. прежде всего чем больше плотность находящихся там релятивистских электронов.

Угловые размеры источника синхротронного излучения, в спектре которого наблюдается синхротронная реабсорбция, определяются формулой

(22.8)