Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Сразу же после того как Стэйлин и Райфенстайн открыли пульсар в Крабовидной туманности, а Комелла на Пуэрто-Риканской обсерватории в Аресибо определил необычно короткий его период, возникла идея, что этот пульсар может излучать импульсы и в оптическом диапазоне длин волн. Так как из радионаблюдений период пульсаций был известен, задача для оптических астрономов значительно упрощалась. Впервые оптические импульсы от пульсара NP 0531 наблюдали в самом начале 1969 г. американские астрономы Кок, Дисней и Тэйлор. Они использовали сравнительно небольшой 36-дюймовый телескоп обсерватории Стюарта в штате Аризона. Почти одновременно оптические импульсы с периодом 0,033 секунды были получены и двумя другими исследовательскими группами.

Можно и раньше было подозревать, что пульсар NP 0531 каким-то образом связан с южной звездочкой в центральной части Крабовидной туманности. В пользу этого предположения указывали, во-первых, близость координат обоих объектов и, во-вторых, необычные свойства южной звезды, о которых речь шла выше. Оптические наблюдения со всей наглядностью подтвердили это предположение. Прямые фотоэлектрические наблюдения блеска указанной звезды, выполненные с малым временем накопления, выявили поразительное явление: блеск этой звезды не постоянен (как долгие годы молчаливо предполагалось астрономами), а строго периодически меняется, как это видно на рис. 20.3. Период с огромной точностью равен периоду радиопульсара NP 0531. Так же как и в радиодиапазоне, наряду с «главным» импульсом в оптических лучах наблюдается «интеримпульс», который находится приблизительно (но не точно) посредине между главными импульсами. Итак, южная звездочка Крабовидной туманности, известная астрономам уже свыше 100 лет, оказалась вовсе не звездой, а пульсаром! Если бы не развитие радиоастрономии, приведшее в конце концов к открытию пульсаров, никому и. в голову не могла бы прийти «больная» мысль искать столь необычно короткую периодичность в оптическом излучении давно известного объекта! Этот пример наглядно демонстрирует взаимодействие и взаимосвязь оптической и радиоастрономии — двух могучих ветвей одного старого дерева. Таких примеров можно привести немало — стоит только упомянуть открытие квазаров. Во всех случаях, как правило, роль «разведчика», гида, обнаруживающего дотоле неизвестное явление природы, играет радиоастрономия.

Рис. 20.3: Кривая блеска пульсара NP 0531 (вверху — фотография центральной части Крабовидной туманности в соответствующие моменты времени).

Рис. 20.4: «Стробоскопические» наблюдения оптического излучения пульсара NP 0531.

Со всей очевидностью необычный характер южной звезды в Крабовидной туманности доказывают фотографии, приведенные на рис. 20.4. При получении этих фотографий использовался принцип хорошо известной детской игрушки, называемой «стробоскоп». Пучок света в телескопе фокусируется на телевизионную камеру, которая колеблется с периодом, точно равным периоду пульсара NP 0531. Если колебания камеры происходят в «фазе» с импульсами оптического излучения от этого пульсара, то каждый раз камера будет принимать его «максимальное» излучение. Если же фаза будет другой, то на камеру будет действовать весьма слабый световой поток от пульсара, излучаемый им в промежутке между импульсами. С другой стороны, эффект от соседних, «обычных» звезд, очевидно» совершенно не зависит от фазы колебаний камеры. На рис. 20.4 внизу видны три звезды, между тем как на фотографии, приведенной на рис. 20.4 вверху, появилась четвертая, самая яркая. Это и есть южная звезда Крабовидной туманности, фотография которой получена при совпадении фаз колебаний телевизионной камеры и пульсара. Трудно найти в современной астрономии более наглядное доказательство необычной природы давно известного космического объекта.

Через пару месяцев после того как было обнаружено оптическое излучение пульсара NP 0531, Брадт и его сотрудники обнаружили от него рентгеновское излучение. Вскоре выяснилось, что в «старых» рентгеновских наблюдениях Крабовидной туманности имелась пульсирующая составляющая, вклад которой составлял около 6% от полного рентгеновского излучения туманности, причем период пульсаций был как раз таким, как у NP 0531, т. е. 0,033 секунды. Само собой разумеется, что если бы не открытие радиопульсара с этим периодом, то пульсирующая составляющая в рентгеновском излучении Крабовидной туманности вряд ли была бы обнаружена.

С тех пор было выполнено большое количество исследований пульсара NP 0531 в рентгеновском диапазоне. В 1970 г. от него было обнаружено пульсирующее гамма-излучение с энергией квантов до 100 МэВ. Наконец, в 1972 г. было найдено и сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов до 10¹² эВ. Последнее было обнаружено очень интересным методом, основанным на эффекте Черенкова, от электронов, образующихся в земной атмосфере при поглощении потока жестких гамма-квантов от Крабовидной туманности.

Рис. 20.5: Кривые блеска NP 0531 в разных спектральных диапазонах.

На рис. 20.5 в одном масштабе приведены «кривые блеска» пульсара NP 0531 в разных спектральных диапазонах. Заметим, что самая низкая частота радиодиапазона, на которой зарегистрировано излучение этого пульсара, близка к 3

10⁷ Гц (длина волны 10 м), в то время как самая высокая частота гамма-диапазона превышает 3

10²⁷ Гц. Таким образом, отношение частот на обоих концах огромного диапазона электромагнитных волн, на которых излучает NP 0531, равно 10²⁰ : 1 — величина фантастически большая. Сравнивая кривые блеска на радио- и на оптических и рентгеновских частотах, мы видим, что на радиочастотах (особенно низких) импульс начинается всегда раньше, чем на высоких частотах. На низких радиочастотах наблюдается некое дополнительное излучение, предшествующее главному максимуму и четко от него отделенное по времени. Это дополнительное излучение получило название «предимпульс». На высоких частотах радиодиапазона интенсивность предимпульса быстро падает, из чего следует вывод, что его радиоспектр очень крутой, значительно более крутой, чем спектр радиоизлучения основного импульса и интеримпульса. В оптическом диапазоне никаких следов предимпульса не наблюдается. Из кривой блеска NP 0531 в оптических лучах следует, что интенсивность излучения между импульсами не падает до нуля, а составляет хотя и малую, но вполне реальную величину. Точные электрофотометрические измерения показывают, что, например, между главным импульсом и интеримпульсом интенсивность не опускается ниже уровня, составляющего около 1% максимальной интенсивности главного импульса. В рентгеновском же диапазоне эта «межимпульсная» интенсивность достигает 10%. Отсюда следует, что спектр этой составляющей излучения пульсара (которую можно назвать «почти изотропной») значительно «жестче», чем спектр основной части излучения, сосредоточенной в импульсах. Любопытно также, что в рентгеновских лучах интенсивность импульса и интеримпульса почти равны, между тем как в оптических лучах интенсивность интеримпульса раза в три меньше интенсивности главного импульса [ 53 ] .

53

Интересно отметить, что сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов 10 ¹¹ —10 ¹³ эВ резко отличается от более мягкого. Оно переменно со временем, фаза импульсов меняется, а спектральная плотность потока не убывает с ростом частоты. По-видимому, сверхжесткое излучение генерируется совершенно особым механизмом.

Особенно интересны результаты наблюдений NP 0531 в ближней инфракрасной области. Здесь интенсивность пульсара NP 0531 падает в сторону низких частот, между тем как поток инфракрасного излучения от самой Крабовидной туманности растет при уменьшении частоты. На рис. 20.6 схематически приведены спектры Крабовидной туманности и находящегося в ней пульсара для всего диапазона электромагнитных волн, от радио- до гамма-лучей. Из этого рисунка прежде всего следует, что высокочастотный (т. е. оптический и рентгеновский) спектр NP 0531 никоим образом не является простым продолжением его радиоспектра. Имеется еще одно важное отличие между радио- и оптическим излучением этого пульсара. В то время как оптическое излучение NP 0531 отличается удивительным постоянством (в частности, звездная величина NP 0531 остается неизменной в пределах долей процента), его радиоимпульсы подвержены большим вариациям по своей интенсивности. Довольно часто наблюдается огромное, более чем стократное, увеличение интенсивности радиоимпульсов по сравнению со средним значением. Именно по этой причине Стэйлин и Райфенстайн смогли открыть этот пульсар — ведь они не располагали приемной аппаратурой, которая смогла бы зарегистрировать очень короткую периодичность обычных импульсов от NP 0531. Но зато они уверенно обнаружили время от времени возникающие огромные по мощности кратковременные импульсы радиоизлучения от этого пульсара. Заметим в этой связи, что явление «гигантских импульсов» наблюдается также в радиоизлучении некоторых других пульсаров. Такая разница в поведении радио- и «высокочастотного» излучения от пульсара NP 0531 явно указывает на различие в механизмах их излучения.

Рис. 20.6: Схема спектров NP 0531 и Крабовидной туманности.

Основная доля электромагнитного излучения NP 0531 сосредоточена в «высокочастотной» части спектра. Зная величину потока излучения от этого пульсара во всем диапазоне (обозначим, как обычно, эту величину через F) и расстояние до Крабсвидиой туманности r, которое близко к 2000 пс, легко найти мощность излучения пульсара:

что в несколько сотен раз превышает мощность излучения Солнца. Основная часть этой мощности падает на рентгеновский диапазон. Еще в тридцатых годах нашего столетия было установлено, что южная звезда в центре Крабовидной туманности обладает хотя и малым, но вполне измеримым собственным движением. Ее смещение за год по обеим координатам согласно измерениям Дункана составляет

= 0,010 секунды дуги,

= 0,002 секунды дуги. В дальнейшем собственное движение этой звезды уточнялось наблюдениями ряда астрономов, в частности, пулковских. Зная собственное движение и расстояние до объекта, можно легко найти проекцию его пространственной скорости на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Учитывая, что расстояние до Крабовиднойтуманности составляет около 2000 пс, можно отсюда найти, что указанная выше проекция скорости составляет величину около 120 км/с. Таким образом, пульсар в Крабовидной туманности, подобно другим пульсарам, обладает большой пространственной скоростью. Об этом у нас речь уже шла выше.

Таковы основные результаты наблюдений пульсара NP 0531 на разных частотах. Некоторые другие результаты наблюдений, а также, что самое интересное, попытки теоретического объяснения природы этого пульсара будут рассматриваться ниже. Теперь же мы остановимся на двух других пульсарах, у которых, по-видимому, также наблюдается высокочастотное излучение. Первый из этих пульсаров связан с остатком сверхновой Паруса X, второй с MSH 15-52. Об этих пульсарах речь шла выше.

В 1977 г. на месте пульсара PSR 0833—45 был обнаружен исключительно слабый оптический объект, пульсирующий с периодом 0,089 секунды, но имеющий два максимума за период, так же как и гамма-излучение от этого пульсара (см. ниже). Любопытно, что от этого пульсара были обнаружены довольно интенсивные импульсы гамма-излучения с энергией квантов больше 30 МэВ. Гамма-профиль PSR 0833—45 имеет два максимума, по фазе не совпадающих с радиоимпульсом. По-видимому, причина гамма-излучения этого пульсара та же, что и сверхжесткого излучения NP 0531. Необходимо еще много наблюдений, чтобы разобраться в сложной проблеме, которую поставил этот очень интересный пульсар.