Пулсарите са неутронни звезди, които се въртят бързо и произвеждат огромно електромагнитно излъчване в тесен лъч. Неутронните звезди са изключително плътни — обикновено с маса от порядъка на 1,2–2 пъти масата на Слънцето, но с радиус само около 10–12 km. Бързото и равномерно въртене на тези компактни обекти води до много точни интервали между отделните импулси: периодите варират от няколко милисекунди до няколко секунди при отделните пулсари. Импулсът се наблюдава само ако Земята попадне в пътя на тесния лъч — по аналогия с това как виждаме фар само когато лъчът светне в нашата посока.

Импулсите съвпадат с оборотите на звездата: въртенето предизвиква ефекта на фара, защото интензивното излъчване е съсредоточено около магнитните полюси и достига до нас само при кратки преминавания. Учени като Вернер Бекер от Института за извънземна физика "Макс Планк" изучават пулсарите с помощта на радио-, рентгенови и гама телескопи, за да разберат техните свойства и поведението на екстремната материя в тяхната вътрешност.

Как се образуват пулсарите

Пулсарите възникват като краен стадий в еволюцията на масивни звезди. Когато звезда с маса по-голяма от няколко слънчеви маси изчерпи ядреното гориво, нейното ядро колапсира и настъпва експлозията на супермаса. Ядрото се компресира до състояние, в което протоните и електроните се сливат в неутрони — така се образува неутронна звезда. Ако оста на магнитната и въртене не съвпадат, от магнитните полюси се излъчват тесни лъчи частици и радиация, което прави обекта пулсар, ако лъчът обхване наблюдателя.

Механизъм на излъчване

  • Пулсарите действат като въртящ се магнитен дипол: силно магнитно поле (10^8–10^15 гаус) ускорява заредени частици в магнитосферата.
  • Ускорените частици генерират радиация чрез синхротронно и курва-телескопично излъчване в тесни лъчи около магнитните полюси.
  • Тъй като магнитната ос не съвпада с въртящата се ос, наблюдаваме регулярни импулси с период равен на периода на въртене на звездата.

Видове пулсари

  • Радиопулсари — наблюдават се предимно в радиообластта; най-често срещани.
  • Милесекундни пулсари — имат много кратки периоди (порядък на милисекунди). Те обикновено са „рециклирани“ чрез натрупване на материя от спътник в бинарна система, което ускорява въртенето.
  • Магнетари — изключително силно магнетизирани неутронни звезди (полета до ~10^15 гаус), които проявяват силни рентгенови и гама изблици; понякога се разглеждат като отделна категория, близка до пулсарите.
  • Пулсари в бинарни системи — когато пулсарът има спътник, взаимодействията водят до интересни явления: промяна на периода, пренос на маса, а при някои системи — доказателства за гравитационни вълни (виж по-долу).

Динамика и необичайни явления

  • Спин-даун — пулсарите постепенно губят въртяща енергия и техният период се увеличава с времето поради излъчване на магнитно диполно поле и частици.
  • Глитчове — внезапни ускорения на въртенето (малки спадове в периода), които вероятно се дължат на вътрешни процеси, свързани със суперфлуидното поведение на неутронната материя.
  • Пулсарни ветрове и туманности — интензивните частици създават около някои пулсари т.нар. пулсарни туманности (например Мъглявината Рак), които излъчват в радиo и рентген.

Защо пулсарите са важни за науката

  • Пулсарите са изключително точни „астрономически часовници“ — това позволява тестове на общата теория на относителността (пр. Двойният пульсар, Hulse–Taylor) и измерване на орбитална еволюция поради гравитационно излъчване.
  • Чрез прецизни наблюдения се търсят нискочестотни гравитационни вълни с помощта на мрежи от пулсари (pulsar timing arrays).
  • Първите екзопланети бяха открити около пулсара PSR B1257+12 — това показа, че планети могат да съществуват и в екстремни системи.
  • Изучаването на пулсарите дава информация за свойствата на материята при много високи плътности, невъзможни за възпроизвеждане в лаборатории на Земята.

Наблюдение и диапазони на излъчване

Пулсарите излъчват в широк диапазон от дължини на вълните: радио, оптика, рентген и гама. Някои пулсари се виждат само в рентгенов или гама-диапазон, особено магнетарите и младите, енергични пулсари. Периодите им варират от около 1,4 ms (най-бързите милисекундни пулсари) до няколко секунди; съществуват и редки примери с по-дълги периоди при някои магнитари.

Интересни примери

  • Пулсарът в Мъглявината Рак (PSR B0531+21) — млад и енергичен, свързан със супермасивната експлозия, която наблюдаваме като Мъглявината Рак.
  • Hulse–Taylor пулсар (PSR B1913+16) — първият бинарен пулсар, чиито орбитални изменения дадоха косвено потвърждение за гравитационни вълни.
  • PSR B1257+12 — пулсар с планетна система, първите екзопланети изобщо открити.

Пулсарите продължават да бъдат обект на интензивни изследвания: те са уникални лаборатории за изучаване на физиката при екстремни условия, а техните регулярни сигнали служат за прецизни измервания в астрофизиката и гравитационната астрономия.