Пульсар (від пульс та -ар як квазар) — нейтронна зоря, яка обертається та має потужне магнітне поле, і тому є космічним джерелом електромагнітного випромінювання з магнітних полюсів. Якщо промені з магнітних полюсів спрямовані на Землю, це випромінення може реєструватись на Землі у вигляді імпульсів — сплесків, які періодично повторюються (схоже на те, як світло від ліхтаря маяка можна побачити лише коли воно спрямовано у напрямку спостерігача).
Перший пульсар відкрили Джоселін Белл і Ентоні Г'юїш 1967 року.
Нейтронні зорі дуже щільні та мають короткі, правильні періоди обертання. Це створює дуже регулярні точні інтервали між імпульсами, які можуть тривати від мілісекунд до секунд у окремих пульсарів. Періоди пульсарів роблять їх зручним інструментом для астрономів. Спостереження пульсара в бінарній системі нейтронних зір використано для непрямого підтвердження існування гравітаційного випромінення.
Історія
Відкриття
Перші сигнали від пульсара (тепер відомого як PSR B1919+21) виявила Джоселін Белл під час аналізу даних, записаних 6 серпня 1967 року на збудованому за її участю й нещодавно введеному в експлуатацію радіотелескопі . Спочатку її науковий керівник і розробник телескопа Ентоні Г'юїш відкинув спостережувані сигнали як електромагнітні завади, однак той факт, що сигнали завжди з'являлися на тому ж самому схиленні та прямому піднесенні, незабаром виключив їхнє земне походження. 28 листопада 1967 року Белл і Г'юїш, використовуючи швидкий стрічковий самописець, визначили, що сигнал має незвичну струкруру — вен складається з серії імпульсів, регулярно повторюваних кожні 1,337 секунди.
Белл і Г'юїшу спала на думку ідея, що цей пульсуючий радіосигнал міг бути посланим позаземною цивілізацією (after-dinner speech with the title of Petit Four given at the Eighth Texas Symposium on Relativistic Astrophysics; first published in Annals of the New York Academy of Science, vol. 302, pp. 685–689, Dec. 1977).. Хоча вони й не вірили в цю гіпотезу, вони жартома назвали сигнал LGM-1, скорочення від , «маленькі зелені чоловічки». 21 грудня Белл виявила другий пульсар в іншій частині неба, остаточно спростувавши припущення про штучне походження сигналуPranab Ghosh, Rotation and accretion powered pulsars. World Scientific, 2007, p. 2.M. S. Longair, Our evolving universe. CUP Archive, 1996, p. 72.M. S. Longair, High energy astrophysics, Volume 2. Cambridge University Press, 1994, p. 99..
Слово «пульсар» вперше з'явилося в друку в 1968 році, — в словах Г'юїша, процитованих газетою «Дейлі телеграф»Daily Telegraph, 21/3, 5 March 1968..
У 1974 році Ентоні Г'юіш за свій внесок в радіоастромію отримав Нобелівську премію з фізики. У пресрелізі Королівська академія наук Швеції відзначила, що Г'юіш зіграв «вирішальну роль у відкритті пульсарів». Значні суперечки виникли у зв'язку з тим, що Г'юіш отримав премію, а його аспірантка Белл, яка зробила перше відкриття, — ні. Сама Белл не висловлює жалю з цього приводу й підтримує рішення Нобелівського комітетуBell Burnell, S. Jocelyn. "Little Green Men, White Dwarfs, or Pulsars?" . Annals of the New York Academy of Science, vol. 302, pp. 685–689, Dec. 1977..
Пояснення механізму Існування нейтронних зір вперше запропонували Вальтер Бааде та Фріц Цвіккі 1934 року. Вони стверджували, що маленька щільна зоря, яка складається переважно з нейтронів, може утворюватися в результаті вибуху наднової. Спираючись на ідею збереження магнітного потоку зір головної послідовності, 1964 року припустив, що такі нейтронні зорі можуть мати магнітні поля величиною від 1014 до 1016 Гс (1010 до 1012 Тл). У 1967 році, незадовго до відкриття пульсарів, припустив, що обертова нейтронна зоря з магнітним полем буде випромінювати, і навіть зазначив, що цією енергією може підживлюватися залишок наднової навколо нейтронної зорі, такий як Крабоподібна туманність.
Після відкриття першого пульсара Томас Голд незалежно запропонував модель обертової нейтронної зорі, схожу на модель Пачіні, і прямо стверджував, що ця модель може пояснити імпульсне випромінювання, яке спостерігали Белл і Г'юїш. У 1968 році із співробітниками відкрив період мс пульсара Крабоподібної туманності за допомогою обсерваторії Аресібо. Відкриття пульсара Крабоподібної туманності підтвердило модель пульсарів як обертових нейтронних зір. Період імпульсів пульсара Крабоподібної туманності тривалістю 33 мілісекунди був занадто коротким, щоб відповідати іншим запропонованим моделям випромінювання пульсара. Крім того, Крабоподібний пульсар названий так тому, що він розташований у центрі Крабоподібної туманності, відповідно до передбачення Бааде та Цвікі 1933 рокуLyne & Graham-Smith, pp. 1–7 (1998)..
Подальші дослідження
У 1974 році Джозеф Тейлор і Рассел Галс виявили PSR B1913+16, — перший відомий пульсар, який входив у подвійну систему, обертаючись навколо іншої нейтронної зорі з орбітальним періодом всього вісім годин. Загальна теорія відносності Ейнштейна передбачає, що ця система повинна випромінювати потужні гравітаційні хвилі, і втрати енергії на гравітаційне випромінювання мають призводити до стиснення орбіти. Спостереження за пульсаром незабаром підтвердили це передбачення, надавши перші в історії докази існування гравітаційних хвиль. У 1993 році Нобелівська премія з фізики була присуджена Тейлору і Галсу за відкриття цього пульсара.
У 1992 році Александер Вольщан відкрив перші позасонячні планети навколо пульсара PSR B1257+12 — раніше, ніж перші екзопланети були знайдени біля сонцеподібних зір.
У 2016 році зоря стала першим пульсаром, в якому компактний об'єкт виявився не нейтронною зорею, а білим карликом. Період радіоімпульсів складав 1,97 хвилини, — набагато довше, ніж у нейтронних зір, але джерелом енергії, як і для нейтронних зір, слугувало сповільнення обертання сильно намагніченої зорі.
Багаторічні спостереження за масивом таймінгу пульсарів дозволили в 2023 році вперше виявити гравітаційно-хвильовий фон.
Утворення, механізм випромінювання, згасання
Утворення пульсара починається тоді, коли ядро масивної зорі стискається під час вибуху наднової, унаслідок чого воно колапсує в нейтронну зорю. Нейтронна зоря зберігає більшу частину свого кутового моменту, і через те, що вона в багато разів менша за радіусом за свою зорю-попередницю, вона утворюється з дуже високою кутовою швидкістю. Уздовж магнітної осі пульсара випромінюється пучок випромінювання, який обертається разом із нейтронною зорею. Магнітна вісь пульсара визначає напрямок електромагнітного пучка, причому вона не обов'язково збігається з віссю обертання. Така розбіжність напрямків призводить до того, що пучок спостерігається один раз на нейтронної зорі, що й утворює пульсуюче випромінювання.
В пульсарів, що живляться обертанням () пучок виникає внаслідок обертальної кінетичної енергії нейтронної зорі, яка створює електричне поле та дуже сильне магнітне поле. Це призводить до прискорення протонів і електронів на поверхні зорі та формування електромагнітного пучка, що виходить із полюсів магнітного поля. Обертання пульсара з часом сповільнюється через втрату енергії у вигляді електромагнітного випромінювання. Коли період обертання стає достатньо великим, механізм радіопульсара вимикається. Це відбувається приблизно через 10–100 мільйонів років, тому з усіх нейтронних зір, що утворилися за 13,6 мільярда років існування Всесвіту, близько 99 % уже не пульсують.
Хоча загальна картина пульсарів як швидкообертових нейтронних зір широко прийнята, Вернер Беккер з Інституту позаземної фізики Товариства Макса Планка у 2006 році зазначив: «Теорія того, як пульсари випромінюють своє випромінювання, досі перебуває на ранній стадії розвитку, навіть після майже сорока років досліджень».
Пульсароподібні білі карлики Білі карлики також можуть проявляти властивості пульсарів. Однак через значно більший момент інерції порівняно з нейтронними зорями такі пульсари обертаються значно повільніше — один оберт триває кілька хвилин, тоді як у нейтронних зір обертання значно швидше.
Станом на 2025 рік ідентифіковано три білі карлики з пульсароподібними властивостями.
1998 року Назар Іхсанов показав, що білий карлик у подвійній системі поводиться як радіопульсар. У 2008 році це підтвердили відкриттям рентгенівських пульсацій, які показали, що цей білий карлик є не лише радіопульсаром, а й рентгенівським пульсаром. 2016 року білий карлик у подвійній системі ідентифікували як пульсар. Система демонструє сильні пульсації в діапазоні від ультрафіолетового до радіовипромінювання, які черпають енергію з уповільнення обертання сильно намагніченого білого карлика. 2023 року припустили, що білий карлик eRASSU J191213.9−441044 поводиться як пульсар як у радіо-, так і в рентгенівському діапазоні.
Номенклатура Спочатку пульсари позначали літерами обсерваторії, що їх відкрила, з подальшим зазначенням їхнього прямого піднесення в годинах і хвилинах (наприклад, CP 1919 — скорочення від «Cambridge Pulsar»). Зі збільшенням кількості відкритих пульсарів така система стала незручною, тому запровадили позначення PSR (від «Pulsating Source of Radio») із додаванням прямого піднесення пульсара та градусів схилення (наприклад, PSR 0531+21), інколи зі схиленням до десятих часток градуса (наприклад, PSR 1913+16.7). Якщо пульсари розташовані дуже близько один до одного, до позначення додають літери (наприклад, PSR 0021−72C і PSR 0021−72D).
У сучасній нотації до старих позначень додають префікс B (наприклад, PSR B1919+21), що означає використання координат епохи 1950.0. Усі нові пульсари мають префікс J, який відповідає координатам епохи 2000.0, а також містять мінути в значенні схилення (наприклад, PSR J1921+2153). Для пульсарів, відкритих до 1993 року, зазвичай зберігають позначення з літерою B, і не переходять на J (наприклад, PSR J1921+2153 частіше відомий як PSR B1919+21). Нещодавно відкриті пульсари мають лише J-позначення (наприклад, ). Усі пульсари мають J-позначення, яке точніше визначає їхні координати на небі.
Класифікація Залежно від джерела енергії випромінювання розрізняють три основні класи пульсарів: пульсари, що живляться обертанням — джерелом енергії є втрата обертальної енергії зорі, акреційні пульсари (які складають більшість рентгенівських пульсарів), де джерелом енергії є гравітаційна потенціальна енергія акреційної речовини (що породжує рентгенівське випромінювання, спостережуване із Землі), магнетари, у яких джерелом енергії є розпад надзвичайно сильного магнітного поля.
Хоча всі три класи об'єктів є нейтронними зорями, їхні спостережувані властивості та фізичні процеси суттєво відрізняються. Водночас між ними існують певні зв'язки. Наприклад, рентгенівські пульсари, ймовірно, є старими пульсарами, що живляться обертанням, які вже втратили більшу частину своєї енергії і знову стали помітними після того, як їхні компаньйони в подвійних системах розширилися й почали передавати речовину на нейтронну зорю.
Процес акреції може передавати достатній момент імпульсу нейтронній зорі, перетворюючи її на швидко обертовий мілісекундний пульсар. Коли речовина падає на нейтронну зорю, вона, ймовірно, «екранує» її магнітне поле (хоча деталі цього процесу залишаються неясними), унаслідок чого мілісекундні пульсари мають магнітні поля у 1000–10 000 разів слабші, ніж у звичайних пульсарів. Таке слабке поле менш ефективно гальмує обертання, тому мілісекундні пульсари можуть існувати мільярди років і є найстарішими відомими пульсарами. Мілісекундні пульсари спостерігають у кулястих скупченнях, де утворення нейтронних зір припинилося мільярди років тому.