ПУЛЬСАРЫ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Борис Ихлов

Реферат

Ось вращения пульсара сильно прецессирует, звезда то поворачивается к Земле своим полюсом, то отворачивается. Излучение то достигает телескопа, то исчезает, оттого и поименование «пульсар».

Период вращения пульсаров – несколько миллисекунд, при этом они испускают узконаправленные потоки радиоизлучения.

Опишем некоторые узловые моменты, связанные с пульсарами, и выдвинем несколько гипотез.

Изменения ритма пульсаций

У 5%-6% радиопульсаров наблюдаются сбои или глитчи — резкое тысячекратное увеличение частоты вращения, а затем постепенное уменьшение частоты до значений, близких к первоначальному.

Внутренние слои этих нейтронных звезд состоят из сверхпроводящих протонов и сверхтекучих нейтронов. Все эти слои заключены во внешнюю твердую оболочку из электронов и ионов (кора).

Ранее предполагают, что нейтронная звезда имеет твердую кору и сверхтекучее внешнее ядро, которое вращается практически без замедления, в отличие от коры, и гораздо быстрее. При этом могут возникать микроскопические сверхтекучие вихри, позволяющие передать угловой момент от ядра к коре и ускорить ее. Глитч влияет на геометрию магнитного поля пульсара, что может объяснить наблюдаемые изменения в импульсах.

В дальнейшем пришли к выводу, что глитчи появляются из-за взаимодействия между микроскопическими вихрями в нейтронной сверхтекучей жидкости и магнитными «трубками» — параллельными линиям сильного магнитного поля, которые расположены в слое сверхпроводящих протонов. Такие «трубки» представляют собой похожую на трубку (в форме цилиндра) область пространства, содержащую магнитное поле, которое замедляет вихри, порождающие глитчи.

Вращающийся слой сверхпроводящих протонов генерирует однородное магнитное поле, которое изменяет распределение поля внутри «трубок». В результате возникает притяжение между микроскопическими вихрями в нейтронной сверхтекучей жидкости и магнитными «трубками». При сильном внешнем магнитном поле «трубки» крепятся на коре, в то время как микроскопические вихри покидают нейтронную сверхтекучею жидкость, что приводит к изменению углового момента коры — резкому ее раскручиванию, то есть к увеличению частоты вращения пульсара. 

Кроме глитчей в пульсарах происходят «звездотрясения», разломы коры. При замедлении вращения пульсара в его твёрдой корке создаются напряжения. После того как они достигнут определённой величины, корка начинает раскалываться. Структура магнитного поля становится неустойчивой, и происходит перестройка в новое устойчивое состояние с более низкой энергией. Мощные сейсмические волны, распространяющиеся в коре звезды, смещают «основания» магнитного поля. Во время звездотрясения скорость вращения пульсара увеличивается но через некоторое время его вращение опять замедляется до первоначального значения

Помимо этого наблюдаются нерегулярные всплески радиоизлучения в космосе, известные как быстрые радиоимпульсы, длятся лишь несколько миллисекунд, но при этом выделяется примерно в 1 млн раз больше энергии, чем производится за такой же промежуток времени Солнцем.

Обнаружено, что у некоторых пульсаров иногда наблюдаются резкие снижения интенсивности излучения в радиодиапазоне и мощные одиночные импульсы частотой порядка 1 МГц, интенсивность которых в 40 раз превосходит средние показатели при той же ширине всплеска [1].

Были также открыты несколько пульсаров, которые нарушают расписание своих вспышек или иногда вырабатывают необычно сильные импульсы радиоизлучения – так называемые гигантские радиоимпульсы (GRP). Например, радиопульсар PSR B0531+21, расположенный в центре Крабовидной туманности.

Во время самых мощных радиовспышек в рентгеновском диапазоне звезда становилась на 3%-4% ярче, это означает, что их реальная мощность в сотни раз превышает теоретические оценки.

Одновременно с гигантскими радиоимпульсами яркость звезды в оптическом диапазоне несколько увеличивалась. Возможно, что PSR B0531+21 может вырабатывать не только мощные импульсы видимого света и радиоволн, но и пучки рентгеновского и других видов излучения.

Астрономы ФИАН открыли в нашей Галактике больше 40 новых пульсаров, относящихся к классу вращающихся радиотранзиентов, которые большую часть времени «молчат», но иногда испускают сверхмощные импульсы.

В марте 2016 г. группа астрономов сообщила о радиоимпульсах, зарегистрированных обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико. Импульс повторялся 11 раз на протяжении 16 дней.

Были обнаружены также радиосигналы с ритмом, напоминающим сердцебиение. В сравнении с другими быстрыми радиовсплесками (FRBs), длящимися несколько миллисекунд, эти сигналы длились примерно в 1000 раз дольше, несколько секунд, и имели четкую периодическую структуру.

Некоторые FRB являются " одноразовыми", в то время как другие повторяются либо случайным образом, либо по прогнозируемой схеме. В новом сигнале FRB 20191221A радиоволны повторялись каждые 0,2 секунды, что никогда не наблюдалось ни в одном FRB. 

Вспышка FRB 20191221A была в миллион раз интенсивнее, чем любое излучение, когда-либо наблюдавшееся от пульсара или магнетара в пределах Млечного Пути. Исследователи предполагают, что источником подобных импульсов мог стать пульсар или магнетар, который обычно намного тусклее, но так уж случилось, что он выпустил вспышку в сторону Земли. 

Эффект Джанибекова

Согласно одной из гипотез источник энергии для быстрых радиоимпульсов - не вращение нейтронной звезды, а ее магнитное поле, которое может быть в 10¹⁵ раз мощнее земного. Нейтронные звезды, обладающие исключительно сильным магнитным полем, магнетары, могут излучать быстрые радиоимпульсы за счет процесса, сходного с тем, в результате которого возникают вспышки на Солнце. По мере вращения магнетара магнитные поля в его короне - тонком внешнем слое атмосферы - меняют конфигурацию и теряют стабильность. В какой-то момент линии этих полей ведут себя как при щелчке кнутом. Высвобождается поток энергии, ускоряющий заряженные частицы, которые и излучают радиоимпульсы.

Ряд исследователей высказывает предположение, что быстрые радиоимпульсы возникают в результате столкновений пульсаров с астероидами. Не исключено, что верными являются сразу несколько гипотез, и каждая из них объясняет какой-то определенный случай возникновения быстрых радиоимпульсов.

Однако возможен и другой механизм возникновения радиоимпульсов нового типа. Дело в том, что нейтронная звезда может превратиться в асимметричный волчок.

Скорость вращения нейтронных звезд может увеличиваться («ускорением вращения»). Иногда нейтронные звезды поглощают вещество, вращающееся вокруг них, от звезд-компаньонов, что увеличивает скорость вращения и превращает нейтронную звезду в сплюснутый сфероид. Это приводит к увеличению скорости вращения нейтронной звезды более чем в сто раз в секунду в случае миллисекундных пульсаров.

Если угловые скорости вращения вокруг двух других главных осей малы, но не равны нулю, то из уравнений Эйлера можно получить экспоненциальное нарастание скорости вращения вокруг главной оси, что приведет в росту скорости вращения вокруг другой оси и к переворачиванию объекта.

Эффект не нарушает закон сохранения момента импульса.

Подробно эффект и условия его возникновения изучены в [2, 3].

Поскольку речь идет о неустойчивости движения, о малом возмущении, которое нарастает и ломает начальное движение, трудно рассчитать частоту переворотов в эффекте Джанибекова. Таким образом, есть три возможности: 1) либо эффект объясняет все данные. 2) либо он объясняет часть данных, 3) либо существуют еще феномены в пульсарах, связанные с эффектом. Не исключено также, что переворачиваться могут и черные дыры с метрикой Керра.

Сверхновые и сверхбыстрые

Взрыв сверхновой звезды происходит на последних стадиях эволюции массивной звезды или когда в звезде меньшего размера (белом карлике) запускается процесс термоядерного синтеза.

Когда лёгкое ядерное топливо оболочки выгорает, и энергия термоядерных реакций не может противодействовать сдавливающей в центр звезды силе гравитации, происходит сильное сжатие — коллапс ядра.   Гравитационное сжатие настолько сильное, что электроны вдавливаются в протоны, и образуется сверхплотное разогретое нейтронное вещество.

На определённом этапе оно перестаёт сжиматься, возникает обратная ударная волна со скоростью до 40 тыс. км/с, увлекая за собой вещество в открытый космос. Разлёт разогретого газа сопровождается мощной световой вспышкой

В результате взрыва в центре бывшей звезды остаётся нейтронная звезда с массой, сравнимой с массой Солнца. Вокруг образуется облако межзвёздного вещества, которое может простираться за пределы родной галактики звезды.

Во всех моделях рассматривается конечный этап звёздной эволюции — белые карлики, когда их масса превышает предел Чандрасекара, после которого белый карлик становится нейтронной звездой.

При этом термоядерный взрыв возможен только в кратных звёздных системах, скорее всего, в двойных звездах. В таких системах взрыв может произойти до достижения предела Чандрасекара.

Возможен иной механизм взрыва, когда внешние слои звезды падают в ее центр, что разогревает недра звезды и запускает термоядерные реакции.

Остаток взрыва эволюционирует путем свободного разлёта, адиабатического расширения и стадии интенсивного высвечивания. Это процессы со сферической симметрией.

В ходе взрыва сверхновой выделяется гравитационная энергия порядка 10⁵³–10⁵⁴ эрг. 99% выделившейся энергии уносят нейтрино, одна сотая этого остатка (т. е. одна десятитысячная полного выхода энергии) переходит в энергию фотонов, улетающих в космическое пространство,  остаток приходится на долю кинетической энергии барионной материи

Классические новые звезды вспыхивают в результате падения со скоростью порядка 10³ км/сек на поверхность белого карлика вещества аккреционного диска. Поскольку при термоядерных реакциях интенсивно выделяется энергия, на поверхности белого карлика возникают ударные волны, которые взрывают его внешний слой и выбрасывают сверхгорячую плазму в окружающий космос. Данный процесс не является сферически симметричным.

Вероятно, именно сверхновые являются причиной гиперскоростных звезд.

Их скорость - порядка 10³ км/сек (4-я космическая – 550 км/сек).

По одной из версий гиперскорость возникает во вращающихся с высокой скоростью вокруг центра масс  двойных звездных системах, когда одна из звезд взрывается, а вторая продолжает движение.

По другой гипотезе виновны черные дыры.

- Вращающаяся двойная система может оказаться рядом с черной дырой, одну звезду черная дыра поглощает, а вторая продолжает движение от черной дыры.

- Карлик S4716 вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути и на некоторых участках орбиты достигает скорости 8000 км/сек. Он остается связан с черной дырой,

Но при возможном сближении черных дыр такие звезды могут обрести свободу.

- В 2021 году радиотелескоп в США зафиксировал, как чёрная дыра, которая находится на расстоянии более 600 млн световых лет, «выплюнула» остатки звезды, которую она поглотила 3 года назад (AT2018hyz.).

В 2018 году учёные зафиксировали факт поглощения чёрной дырой небольшой звезды AT2018hyz с массой 0,1 от массы Солнца. Через 2,5 года чёрная дыра внезапно начала «избавляться» от остатков звезды. Выбрасываемые остатки звезды разлетались со скоростью до ½ скорости света.

Вполне возможно, что «выплюнутыми могут быть и более крупные, соответственно, более медленные, но гиперскоростные звезды.

Плеваться могут не только черные дыры. Так, в 2019 году Бетельгейзе внезапно померк, оказалось, что звезда выплюнула что-то тёмное и пыльное, что временно заглушило её сияние.

- Другая черная дыра ASASSN-14li на расстоянии 290 млн световых лет в центре галактики PGC 43234, разрушила крупную звезду и выбросила ее обломки в космос.

- При гравитационном коллапсе некоторых звезд могут образовываться несколько вращающихся друг вокруг друга черных дыр. Это следует из математической модели коллапса вращающихся и колеблющихся звезд.

Возможно, что при сжатии звезд-гигантов могут образовываться и гиперзвуковые звезды.

- Вращающиеся черные звезды могут раскручивать окружающие звезды вследствие эффекта Лензе-Тирринга.

В качестве третьей возможной причины рассматривают взрывы сверхновых типа Ia, которые могут отбросить близкую звезду в космос.

Так, взрыв близкой сверхновой отбросил белый карлик J1235 на скорости почти 1700 км/сек, и J0927 — почти 2300 км/ек.

Сверхновые могут выбрасывать и пары звезд за пределы галактики. В скоплении Печи были обнаружены десятки таких двойных систем.

Четвертая возможная причина – распад сверхновых. Астрофизик Фрейзер Эванс полагает, что «в подходящих условиях сверхновые также могут выбрасывать звёзды на сверхбольших скоростях».

При этом нарушения закона сохранения импульса не происходит.

Сферическую симметрию коллапса нарушают колебания звездного ядра, турбулентные потоки и магнитные поля, присутствующие в ядре звезды перед вспышкой. Из-за асимметрии сил, действующих на коллапсирующее ядро, пульсар может получить толчок (pulsar kick) со скоростью 200-500 км/сек.

Высокую скорость пульсарам может придавать направленное нейтринное циклотронное излучение.

Заряженная частица, движущаяся поперек линий магнитного поля, отклоняется силой Лоренца. Она перпендикулярна направлению движения частицы и заставляет ее непрерывно сворачивать в сторону, двигаясь по спирали, навитой на линии магнитного поля. Как и всякий заряд, двигающийся с ускорением, частица при этом испускает электромагнитные волны с частотой, равной периоду обращения вокруг линии поля.

Нейтроны, движущиеся по кругу, могут испускать пары нейтрино и антинейтрино. Так же, как и фотоны циклотронного излучения, испускаемые нейтрино уносят угловой момент этого движения. В отличие от фотонов, нейтрино обладают спином, в который переходит угловой момент нейтронов. Но вылетают они не по касательной, как фотоны, а вдоль оси вращения. Нейтроны при этом, помимо снижения скорости вращения, получают еще и импульс отдачи, заставляющий их двигаться вдоль оси вращения. Круговое движение переходит в спираль, похожую на пружину.

Возможна также пятая неисследованная причина возникновения гиперскростных звезд – взрыв черной дыры.

Интенсивность испарения Хокинга нарастает лавинообразно, заключительный этап эволюции звезды носит характер взрыва, например, чёрная дыра массой 1000 тонн испарится за время порядка 84 секунды, выделив энергию, равную взрыву примерно десяти миллионов атомных бомб средней мощности.

Кроме того, черные дыры способны увеличивать энергию частиц в своем окружении благодаря собственному вращению, что приводит к «сверхизлучению». Фотоны, попадая в область около горизонта событий, могут ускоряться и, отражаясь многократно, набирать огромную энергию. В результате они высвобождают поток энергии, создавая своего рода "черную дыру-бомбу".
Однако возможен взрыв черной дыры, подобный Большому взрыву, в виду того, что гравитационная притягивающая энергия черной дыры вдвое меньше ее инертной массы.

Достаточно сильное начальное вращение может привести к остановке гравитационного коллапса на промежуточной стадии. Не каждая вращающаяся звезда может сжаться в черную дыру или в нейтронную звезду, всё зависит от начальных условий. Нетрудно выписать условие для угловой скорости в зависимости от плотности M/V, при которой останавливается сжатие звезды:

w = sqrt (10,472G x M/V)

Если внешнее воздействие приводит к увеличению скорости черной дыры или пульсара, эти звезды могут распасться.

И, поскольку черные дыры – это область сильных эффектов ОТО, при взрыве может не выполняться закон сохранения энергии, поскольку таковой в ОТО отсутствует.

Литература

1. Anna Bilous, Scott Ransom, Paul Demorest. Unusually bright single pulses from B1744-24A binary: a case of strong lensing? 2019.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. § 53, Тензор и эллипсоид инерции; § 54, Вращение твердого тела по инерции вокруг неподвижной точки. М.: Наука, 1979. Т. I. Механика. С. 297-300. 520 с.
3. А. Антипин. Эффекта Джанибекова, "кувырок" Земли и глобальные катастрофы. https://vixra.org/pdf/1811.0425v1.pdf
4. Branch D., Wheeler J. C. Supernova Explosions. Springer, 2017. 721 p.
5. Redorbit. Two Exiled Stars Are Leaving Our Galaxy Forever. 2021.
6. David Darling. Hypervelocity star. 2021 года.
7. Лозинская Т. А. Взрывы звёзд и звёздный ветер в галактиках. 2-е изд. М.: URSS, 2013.216с.
8. Jon M. Miller, Brenna Mockler, Enrico Ramirez-Ruiz, Paul A. Draghis, Jeremy J. Drake, John Raymond, Mark T. Reynolds, Xin Xiang, Sol Bin Yun, Abderahmen Zoghbi. Evidence of a Massive Stellar Disruption in the X-Ray Spectrum of ASASSN-14li. The Astrophysical Journal Letters, Vol.953, №2 2023. DOI 10.3847/2041-8213/ace03c
9. Burkhard Zink, Nikolaos Stergioulas, Ian Hawke, Christian D. Ott, Erik Schnetter, Ewald Mueller. Black hole formation through fragmentation of toroidal polytropes. Phys.Rev.Lett.96:161101,2006. General Relativity and Quantum Cosmology
10. Надеждин Д. К. Большая Российская Энциклопедия, «Гравитационный коллапс». 2007.