4. Сверхновые звёзды и космические лучи.

Мы видели, что в туманностях, образующихся при вспышках сверхновых, находится большое число релятивистских электронов. По мере расширения туманностей релятивистские электроны попадают в межзвёздную среду и начинают диффундировать в ней. Одновременно с ними в межзвёздной среде появляются и тяжёлые частицы с высокими энергиями (в частности, протоны). Число тяжёлых частиц должно быть даже больше числа релятивистских электронов, так как последние вследствие потерь на излучение имеют меньшую продолжительность жизни, чем первые.

С другой стороны, о наличии частиц с высокой энергией в межзвёздном пространстве мы можем судить на основании явления космических лучей. В состав космических лучей, как известно, входят протоны, α-частицы и небольшое число (порядка 1%) ядер более тяжёлых атомов. Возникает поэтому вопрос, не могут ли вспышки сверхновых быть причиной образования космических лучей.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны, прежде всего, оценить среднюю плотность энергии космических лучей в Галактике. По величине потока космических лучей, падающих на земную атмосферу, для плотности их энергии получается значение порядка 10⁻¹² эрг/см³. Следует отметить, что это значение сравнительно велико: по порядку величины оно совпадает со средней плотностью лучистой энергии в межзвёздном пространстве.

Посмотрим теперь, к каким плотностям энергии космических лучей могут приводить вспышки сверхновых. Можно считать, что вспышки сверхновых в Галактике случаются примерно раз в 100 лет и при каждой вспышке образуются космические лучи с энергией порядка 10⁴⁷ эрг. Частицы высоких энергий существуют в Галактике очень долго — в течение времени порядка 10⁸ лет (оно определяется вероятностью столкновений с ядрами межзвёздных атомов). Поэтому полная энергия находящихся в Галактике космических лучей, возникших при вспышках сверхновых, должна быть порядка 10⁵³ эрг. Разделив эту энергию на объём Галактики, составляющий примерно 10⁶⁶ см³, мы для плотности энергии получаем значение порядка 10⁻¹³ эрг/см³. Поскольку это значение не сильно отличается от плотности энергии космических лучей, находимой по их наблюдаемому потоку на Земле, то гипотеза о возникновении космических лучей при вспышках сверхновых кажется весьма вероятной.

Надо ещё отметить очень характерное свойство космических лучей — их изотропность. Если бы космические лучи приходили к нам непосредственно от их источников, то следовало бы считать, что источники распределены на небе равномерно. Однако в таком требовании нет необходимости, так как изотропность космических лучей появляется, по-видимому, в результате диффузии составляющих их частиц в галактических магнитных полях.

В качестве возможных источников космических лучей указывались и другие объекты (звёзды различных типов, метагалактические источники). Были также предложены некоторые механизмы ускорения частиц до очень больших энергий при движении их в Галактике (подробнее см. [12]).

5. Пульсары.

Как уже говорилось, при вспышке сверхновой 1054 г. возникла Крабовидная туманность. Теперь остатком сверхновой является очень слабая звезда с видимой величиной 17^𝑚. Недавно выяснилось, что эта звезда принадлежит к одному из наиболее удивительных типов небесных тел — пульсарам.

Первые пульсары были открыты группой Хьюиша в 1967 г. на Кембриджской радиоастрономической станции. Эти объекты характеризуются тем, что они испускают энергию в радиочастотах в виде отдельных импульсов с правильной периодичностью. Периоды пульсаров — от нескольких сотых секунды до нескольких секунд, а продолжительность импульсов — в десятки раз меньше.

К настоящему времени известно более 300 пульсаров. Их исследования, выполненные на различных обсерваториях, привели к весьма интересным результатам. Оказывается, что периоды пульсаров не постоянны, а очень медленно возрастают, удваиваясь за тысячи и миллионы лет. Вместе с тем наблюдаются и внезапные изменения периода (обычно в сторону уменьшения). Форма же импульсов меняется очень сильно от одного импульса к другому, причём иногда импульс исчезает вовсе. Из наблюдений также следует, что радиоизлучение пульсаров в значительной мере поляризовано. Зависимость интенсивности этого излучения от частоты оказывается довольно сложной. В разных участках спектра её можно представить степенным законом (31.1) с различными показателями 𝑛.

Особенно интересен пульсар в Крабовидной туманности. Среди известных пульсаров он обладает одним из наименьших периодов (всего 0,033 с) и очень небольшим возрастом (930 лет). Этот пульсар испускает энергию импульсами не только в радиочастотах, но и в других областях спектра — оптической и рентгеновской. Основная часть энергии излучается пульсаром в рентгеновской области. Его светимость в рентгеновских лучах (с длинами волн от 1,2 до 8 Å) порядка 10³⁵ эрг/с. Эта величина примерно в сто раз больше визуальной светимости пульсара и в десять тысяч раз больше его светимости в радиодиапазоне.

По-видимому, пульсар в Крабовидной туманности является её «центром активности». Такой взгляд подтверждается наблюдаемым движением вещества от центра туманности к периферии. Можно думать, что пульсар поставляет в туманность релятивистские электроны, которые необходимы для её свечения в непрерывном спектре.

Поскольку считается, что пульсар в Крабовидной туманности возник при вспышке сверхновой 1054 г., то были сделаны попытки найти пульсары в других туманностях, появившихся при вспышках сверхновых. В некоторых случаях такие попытки привели к успеху. Однако в иных случаях пульсары обнаружить не удалось, хотя центры активности и наблюдаются.

Для понимания природы пульсаров важное значение имеет вывод о том, что размеры этих объектов должны быть очень малыми. Это следует из наблюдаемой кратковременности импульсов излучения, идущего от пульсаров. Если Δ𝑡 — продолжительность импульса и 𝑐 — скорость света, то линейный размер излучающей области должен удовлетворять неравенству 𝑅≲𝑐Δ𝑡 (так как излучение от более удалённой части области запаздывает по сравнению с излучением от ближайшей части на время 𝑅/𝑐). Принимая Δ𝑡≈0,01 с, получаем, что размер излучающей области не превосходит 1000 км. Такой же вывод может быть сделан и на основании малости периодов пульсаров. В качестве механизма, вызывающего пульсацию блеска, можно рассматривать колебания тела или его вращение. В обоих случаях при массе тела, близкой к массе Солнца, и при периоде около 0,1 с для радиуса тела получаются значения порядка 100 км.

Заключение о чрезвычайно малых размерах пульсаров привело к гипотезе о том, что они являются нейтронными звёздами. Возможность существования таких звёзд была предсказана Л. Д. Ландау ещё в 1932 г. Эти звёзды, в которых давление вырожденного нуклонного газа уравновешивает силу тяготения, должны иметь радиусы порядка 10 км.

Разумеется, модель пульсара в виде нейтронной звезды с тепловым излучением не может объяснить наблюдаемых характеристик пульсаров. В настоящее время наиболее приемлемой считается модель пульсара, предложенная Голдом. Пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с сильным магнитным полем, причём магнитная ось образует некоторый угол с осью вращения. Поскольку период пульсара принимается равным периоду вращения звезды, то скорость вращения на её экваторе должна быть порядка 10⁸ см/с. Звезда может выдержать такое вращение не разрываясь. Вероятная напряжённость магнитного поля на поверхности звезды достигает значений порядка 10¹² эрстед.

Столь сильное магнитное поле жёстко связывает звезду с окружающей её плазмой, которая вращается вместе с звездой. Это совместное вращение прекращается на границе, где скорость вращения становится порядка скорости света. При пересечении плазмой этой границы возникает магнитно-тормозное излучение, направленное по касательной к границе. Чтобы объяснить импульсный характер излучения, надо допустить неустойчивость плазмы в определённом месте. Когда эта плазма пересекает упомянутую границу, то светится некоторая небольшая область. Вследствие вращения этой области и направленности излучения мы имеем подобие маяка.