На рис. 22.2 приведена од на из существующих моделей нейтронных звезд, дающая зависимость их радиуса от массы. Для масс больших, чем 1M, разные модели дают разные зависимости R(M), что объясняется незнанием точного уравнения состояния вещества для плотности, превышающей 1015 г/см3 (сравните с зависимостью «масса — радиус» для белых карликов на рис. 10.1).
Большой интерес представляют уже упоминавшиеся в предыдущем параграфе «звездотрясения», т. е. скачки в периоде пульсаров PSR 0831—45 (Паруса X) и NP 0531 (Краб). У первого пульсара наблюдались два таких скачка, разделенных промежутком времени больше двух лет, причем относительное изменение периода достигало 10-6. У NP 0531 такие скачки значительно меньше. Вероятнее всего «звездотрясения» связаны со скачкообразным изменением момента инерции вращающейся нейтронной звезды. Такое изменение может быть достигнуто, если нейтронная звезда уменьшает свой радиус на величину 0,01 см. Как можно понять такое явление?
Из-за быстрого вращения равновесной конфигурацией нейтронной звезды должна быть фигура, близкая к эллипсоиду вращения. Но вследствие непрерывного замедления вращения должны меняться параметры этого эллипсоида (он должен становиться все менее сплюснутым). Однако жесткость твердой «коры» нейтронной звезды препятствует «плавному» изменению ее фигуры. По этой причине в коре накапливаются упругие натяжения, и после достижения предела прочности происходит скачкообразная деформация коры, носящая характер сдвига. Таким образом, изучение «звездотрясений» позволяет глубже понять свойства нейтронных звезд.
На рис. 22.2 приведена также теоретически рассчитанная характеристика нейтронной звезды — ее момент инерции I, определяющий кинетическую энергию вращения (E = , где — угловая скорость). Для допустимых значений массы нейтронных звезд (0,15 < M < 1 2M) 7 1043< I < 7 1044 г/см2.
Из наблюдаемого увеличения периодов пульсаров со временем можно получить , а следовательно, и = .
Скорость уменьшения кинетической энергии вращения пульсара
| (22.1) |
Первая задача физики пульсаров — понять, почему вращающиеся нейтронные звезды тормозятся, тем самым непрерывно выделяя энергию. Простейшее объяснение этого явления сводится к тому, что нейтронные звезды сильно намагничены. Тогда вращающаяся нейтронная звезда, находящаяся в вакууме, будет излучать магнитно-дипольное излучение, частота которого равна частоте вращения, а мощность определяется формулой
| (22.2) |
где — угол между магнитной осью и осью вращения, H0 — напряженность магнитного поля на поверхности пульсара. Например, пульсар в Крабовидной туманности NP 0531, для которого = 200 с-1, = 2,4 10-9, теряет энергию = 3 1038 эрг/с. Если причина торможения — магнитно-дипольное излучение, то, приравнивая = Lm, найдем, что H03 1012 Э. Другой причиной торможения этого пульсара может быть излучение им гравитационных волн (см. § 24). Для этого надо только предположить, что фигура нейтронной звезды слегка асимметрична, т. е. представляет собой трехосный эллипсоид. В этом случае мощность гравитационного излучения вращающейся нейтронной звезды определяется формулой
| (22.3) |
где I — момент инерции, а e — эксцентриситет экваториального эллипса нейтронной звезды. Частота гравитационных волн, как оказывается, равна удвоенной частоте вращения.
Как видно из этой формулы, зависимость мощности гравитационного излучения от угловой скорости значительно более сильная, чем в случае магнитно-дипольного излучения. Поэтому заметный эффект может быть только у очень быстро вращающихся пульсаров, например, у NP 0531 (см. об этом в § 24). В том случае, когда центр магнитного диполя не совпадает с центром нейтронной звезды, излучение будет асимметричным. В этом случае звезда приобретет импульс отдачи в направлении от вращения. Не этим ли объясняются высокие скорости пульсаров?
Если бы торможение вращающихся нейтронных звезд было обусловлено их магнитно-дипольным излучением, то, как можно показать, 3. Между тем статистический анализ большого количества пульсаров с известными и дает эмпирическую зависимость 3,4. У пульсара NP 0531, для которого и наблюдались особенно тщательно, эмпирическая зависимость имеет вид 2,7. Это означает, что рассмотренная выше простая модель торможения намагниченных вращающихся нейтронных звезд недостаточна. И прежде всего предположение, что нейтронная звезда находится в вакууме, заведомо не выполняется. Тем самым задача становится значительно более сложной.
Вращающийся намагниченный проводник создает в окружающем пространстве электрическое поле. Составляющая этого поля, перпендикулярная к поверхности проводника, будет стремиться «вырвать» из него электроны и ионы. В реальных условиях нейтронной звезды напряженность электрического поля достигает огромных значений. К тому же температура поверхности нейтронной звезды достаточно высока. По этим причинам пространство вокруг нейтронной звезды заполнится большим количеством заряженных частиц, которые, двигаясь по силовым линиям магнитного поля, будут вместе с нейтронной звездой с той же угловой скоростью вращаться вокруг ее оси. Такое «твердотельное» вращение должно иметь место вплоть до некоторого критического расстояния от оси вращения, т. е. внутри цилиндра. Радиус этого цилиндра R1 = c/ определяется условием, что на его поверхности скорость твердотельного вращения равна скорости света[ 54 ]. Однако если плотность плазмы вокруг нейтронной звезды достаточно велика, область ее твердотельного вращения будет меньше и определится условием равенства плотностей магнитной энергии и кинетической энергии плазмы.
Итак, вращающаяся намагниченная нейтронная звезда окружает себя довольно плотной магнитосферой, в электродинамическом смысле являющейся ее продолжением. Как показывают расчеты, электрические заряды в магнитосфере нейтронной звезды должны быть разделены, т. е. там должны быть значительные объемные заряды. Плотность зарядов определяется формулой
| (22.4) |
Например, на поверхности пульсара NP 0531, где H3 1012 Э, a = 200 с-1, n-- n+1013 см-3, т. е. довольно значительная. Конечно, полная плотность плазмы около поверхности этого пульсара должна быть гораздо больше.
| Рис. 22.3: Схема строения магнитосферы пульсара. Rc — радиус светового цилиндра. |
Заряженные частицы, предварительно ускорившись электрическим полем до релятивистских энергий, будут «вытекать» из магнитосферы на бесконечность по «открытым» силовым линиям, причем заряды разных знаков будут вытекать по разным линиям. На рис. 22.3 приведена схема магнитосферы пульсара для простейшего случая, когда магнитная ось совпадает с осью вращения. В случае, когда оси не совпадают, качественно структура магнитосферы остается такой же.
Около светового цилиндра, который пересекают уходящие в бесконечность магнитные силовые линии, последние уже сильно деформированы потоками вытекающей из магнитосферы пульсара релятивистской плазмы. Поток энергии частиц и магнитного поля, вытекающей через световой цилиндр, можно приближенно оценить формулой
| (22.5) |
где p = c2 — плотность энергии релятивистских частиц. Если магнитное поле дипольно, то H = H0R3/R13; следовательно,
| (22.6) |
т. е. получается формула, сходная с формулой для мощности магнитно-дипольного излучения в вакууме (22.2). Но, конечно, физическое содержание ее другое: основная часть энергии покидает магнитосферу пульсара в форме потока релятивистских частиц.
Теория позволяет найти только поток энергии этих частиц. Без дополнительных предположений нельзя оценить количество вытекающих из магнитосферы пульсара частиц и среднюю энергию каждой частицы, не говоря уже об энергетическом спектре этих частиц. Рассмотрим конкретно ситуацию в случае пульсара NP 0531. Формула (22.4) в сочетании с законом изменения (n-- n+) как R-3 позволяет определить нижнюю границу потока заряженных частиц через поверхность светового цилиндра этого пульсара:
| (22.7) |
С другой стороны, несомненно, что источником энергии излучения всей Крабовидной туманности, мощность которого 1038 эрг/с, является корпускулярное излучение пульсара NP 0531. Далее, примем во внимание, что энергия релятивистских электронов, находящихся в туманности, лежит в пределах 1010—1014 эВ. Отсюда следует, что поток заряженных частиц через световой цилиндр будет 1036—1040, а концентрация их там 109—1013 см-3, т. е. довольно значительная величина.
Таким образом, логическим следствием электродинамики намагниченных вращающихся нейтронных звезд является неизбежность образования вокруг них мощной протяженной магнитосферы со значительным разделением зарядов. Столь же неизбежен вывод о необходимости «пульсарного ветра», т.е. потоков заряженных частиц, вытекающих из магнитосферы по уходящим в бесконечность силовым линиям. Заметим, что этот вывод отнюдь не является тривиальным. До открытия пульсаров молчаливо предполагалось, что атмосферы нейтронных звезд должны иметь совершенно ничтожную протяженность. Например, даже при температуре такой атмосферы