Рекордсмены магнитных полей (стр. 1 )

22 Астрофизика

«Природа», 1984, № 8

Рекордсмены магнитных полей

Владимир Михайлович Липунов, кандидат физико-математических на­ук, ассистент кафедры астрофизики физического факультета Московско­го государственного университета им. . Занимается исследованием физических процессов, происходящих в окрестностях нейтронных звезд, вопросами эволюции звезд, процессами аккреции в галактиках. В «Природе» опубликовал статью: Магнитосфера рентге­новских пульсаров (1980, № 10).

Если бы пришлось создавать энцикло­педию рекордов, то нейтронные звезды вошли бы в нее как обладатели самых мощных магнитных полей во Вселенной. По этому параметру они превзошли возможно­сти лучших физических лабораторий, в ко­торых пока получены поля, не большие 10 Гс. Нейтронным звездам уступают бе­лые карлики (10" Гс), с ними не могут со­перничать даже черные дыры звездных масс, вблизи которых напряженность маг­нитного поля не превышает 10'° Гс.

В современной литературе в качестве характерной напряженности магнитного по­ля на поверхности нейтронных звезд обыч­но приводят величину 10'^ Гс. Цифра вну­шительная; кубический сантиметр пустоты, содержащей такое поле, весил бы на Земле 40 г! Невольно вспоминается «пустышка» Рэдрика Шухарта, которую с трудом подни­мали два человека'. Но поля напряжен­ностью 10'^ Гс для нейтронных звезд, по-видимому, не рекорд. В последние годы появились данные, свидетельствующие в пользу существования нейтронных звезд, на поверхности которых магнитное поле в сотни раз мощнее. В таких полях решаю-

' С т руга ц кие А. и Б. Пикник на обочине.— Аврора, 1972, № 7, с. 29.

щую роль начинают играть квантово-реля­тивистские эффекты.

Существование столь сильных полей ставит целый ряд новых задач как для аст­рофизики, так и для физики.

ПОЧЕМУ У НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД ДОЛЖНЫ БЫТЬ СИЛЬНЫЕ МАГНИТ­НЫЕ ПОЛЯ?

Ответ звучит необычно: по той же причине, по которой магнитные поля нейт­ронных звезд должны быть очень слабыми.

Нейтронные звезды образуются в ре­зультате катастрофического сжатия (кол­лапса) обычных звезд, исчерпавших источ­ники термоядерной энергии. Звездное ве­щество представляет собой раскаленную плазму с высокой электропроводностью, В такой плазме силовые линии магнитного поля «приклеены» к частицам, т. е. двига­ются вместе с плазмой (это называется «вмороженностью» магнитного поля). При сжатии звезды общее число силовых ли­ний, пронизывающих звезду (поток магнит­ного поля), сохраняется. Следовательно, при сжатии увеличивается число силовых линий, приходящееся на единицу площади сечения звезды, т. е. растет напряженность магнитного поля. Очевидно, напряженность поля нарастает обратно пропорционально

Рекордсмены магнитных полей

квадрату радиуса звезды. В этом смысле магнитное поле при сжатии увеличивается.

Однако если мы будем измерять на­пряженность магнитного поля на некото­ром расстоянии от сжимающейся звезды, то обнаружим уменьшение поля. Это легко понять, если вспомнить, что напряжен­ность поля на некотором расстоянии от си­стемы токов прямо пропорциональна ее магнитному дипольному моменту, который в данном случае есть произведение магнит­ного потока, пронизывающего звезду, на ее радиус. Следовательно, при сжатии с со-

(для простоты вычислений примем его рав­ным 7 км). Очевидно, при таком сжатии магнитное поле на поверхности усилится в 10 млрд раз (попутно отметим, что ди­польный момент уменьшится в 100 тыс. раз, а квадрупольный — в 10 млрд раз). Так как на поверхности Солнца средняя напря­женность поля равна-1 Гс, то для образо­вавшейся нейтронной звезды это поле будет равно 10° Гс.

Полученная оценка — весьма прибли­женная, хотя бы уже потому, что из звезды типа Солнца нейтронной звезды не «сдела-

Изменение магнитного поля при коллапсе звезды. Начальный радиус звезды К;), конечный — К. Поле на поверхности звезды возрастает от величины Во до величины В (нейтронная звезда). В некоторой проб­ной точке А, удаленной на расстояние Кд, напря­женность поля, наоборот, падает от величины В^ к ве­личине Вд.

хранением потока дипольный момент звез­ды уменьшается прямо пропорционально ее радиусу. Итак, нейтронная звезда долж­на обладать очень малым магнитным ди-польным моментом!

Распространив приведенные рассуж­дения на более высокие мультипольные моменты магнитного поля, мы легко по­лучим изящный результат: коллапс звезды «очищает» ее магнитное поле; так как бо­лее высокие мультиполи звезды пропор­циональны более высоким степеням ее ра­диуса, при сжатии они исчезают еще быст­рее, чем дипольный момент. Коллапс звез­ды является как бы «чистилищем» для ее магнитного поля. Это свойство коллапса оправдывает традиционное предположение о чисто дипольном характере магнитного поля нейтронных звезд.

Но вернемся к магнитным полям у поверхности. Используя условие «вморо-женности», можно оценить величину маг­нитного поля нейтронных звезд. Сожмем мысленно Солнце, радиус которого равен 700 тыс. км, до размера нейтронной звезды

Замедление скорости вращения радиопульсара Р5К 0833. Наблюдаются «сбои периода», один из ко­торых показан на рисунке. Сбои носят спорадический характер и не могут скомпенсировать среднего монотонного увеличения периода пульсара (по дан­ным П. Рейчли и Г. Даунса, 1969 г.).

ешь» — нужны более массивные звезды. И ..все-таки эта оценка дает правильное представление о порядке величины маг­нитного поля.

МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАДИОПУЛЬСА­РОВ

Первые данные о магнитных полях нейтронных звезд были получены сразу по­сле открытия радиопульсаров в 1967 г. Им­пульсы радиоизлучения от пульсаров при­ходят на Землю строго периодически. Но это верно лишь в первом приближении. Замечательное свойство всех радиоПульса-ров заключается в том, что промежутки между временем прихода импульсов мед­ленно 'растут. Это свойство — ключевое для разгадки природы их энерговыделе­ния.

Довольно быстро астрофизики поня­ли, что пульсары представляют собой быст-ровращающиеся нейтронные звезды. Маг­нитное поле такой звезды обеспечивает на­правленность излучения, а вращение приво-

дит к эффекту пульсаций. Таким образом, промежуток времени между моментами прихода импульсов есть не что иное, как период вращения нейтронной звезды во­круг своей оси. А то, что импульсы с го­дами приходят все реже и реже, означает замедление скорости вращения нейтрон­ной звезды. Так и должно быть, посколь­ку радиопульсар — это «машина», в кото­рой энергия вращения уносится излучени­ем, а «передаточным ремнем» является магнитное поле нейтронной звезды. Представим себе гигантский вращаю-

Возникновение магнитодипольного излучения. Маг­нит, вращающийся вокруг оси ^, не совпадающей с его магнитной осью у.. излучает электромагнит­ные волны на частоте вращения ш. В результате маг­нит будет тормозиться^ как если бы к нему был при­ложен тормозящий момент сил. Торможение пол­ностью определяется магнитным дипольным момен­том а, частотой о) и углом в.

щийся магнит, ось вращения которого не совпадает с его магнитной осью. Из элект­родинамики известно, что такой магнит бу­дет излучать электромагнитные волны на частоте вращения (магнитодипольное излу­чение). При этом уменьшение скорости вращения полностью определяется магнит­ным дипольным моментом (точнее, его проекцией на экватор вращения), часто­той вращения магнита и его моментом инерции. Если мы знаем момент инерции и скорость вращения магнита, то, измерив замедление вращения, мы сможем опре­делить проекцию его дипольного магнит­ного момента на экватор.

Этот метод был впервые применен для оценки магнитного поля нейтронной

звезды. Конечно, пульсар не заменишь обычным магнитом, даже очень большим. Процессы, протекающие в магнитном поле радиопульсара, значительно сложнее про­стого излучения магнитодипольных волн. Однако большинство моделей радиопуль­саров дают энергетические потери, близ­кие к магнитодипольным.

Сейчас найдено более 300 радиопуль­саров, и для большинства из них извест­ны изменения периода. Если мы зададим­ся некоторыми разумными значениями мо­мента инерции звезды (обычно 10^ г • см^)

Распределение числа радиопульсаров по величине их магнитного поля. Величина магнитного поля оце­нивается по замедлению радиопульсара с помощью магнитодипольной формулы. Радиус нейтронной звезды принимается равным 10 км, а момент инерции — 10" г. см. (Распределение построено по данным каталога Р. Манчестера и Дж. Тейлора, 1981 г.)

и ее радиуса (10 км), мы получим более 300 значений величины магнитного поля у нейтронных звезд: от 10^ до 10^ Гс, при­чем большинство радиопульсаров имеют поля порядка 10^ Гс.

Как видим, полученные результаты и близки, и далеки от ожидаемых. Близки, поскольку грубая оценка дает похожий по­рядок величины. А далеки, потому что не так-то просто сжатием получить напряжен­ность магнитного поля около 10'^ Гс, а тем более 10^ Гс. Например, если имеется звезда солнечных размеров, то необходи­мо предположить, что ее поле должно составлять уже не 1, а 100 или 1000 Гс. Воз­можно, однако, что такое не подкреплен­ное наблюдениями предположение и не по-

зали советские астрофизики и в. начале 70-х годов^. Роль атома в данном случае выполняет элект­рон, вращающийся вокруг линии магнит­ного поля. Как и в обычном атоме, у электрона в магнитном поле имеются дискретные уровни энергии (уровни Лан­дау), при переходах между которыми воз­можно излучение и поглощение квантов определенной частоты, или энергии. Заме­чательно, что в не очень сильных полях (менее 4 • 10'^ Гс) эти уровни находятся на равном расстоянии друг от друга, при-

	10^	Геркулес Х-1
	10^
ш о 1
0
М		^
х и
1 о о -в-	10"		^
х о 1-0 с >Х		г
1 Х о со о 1	10'
3: ф о.
	Ю" 1С
		" " 10' 10"	10
	энергия фотонов, кэВ

Спектр рентгеновского пульсара Геркулес Х-1, полу­ченный И. Трюмпером и др. Кружками показаны экспериментальные точки. Сплошная линия наилуч­шим образом аппроксимирует наблюдательные дан­ные. В области 30—50 кэв видна спектральная де­таль, которую группа Трюмпера интерпретирует как циклотронную линию (показана цветом).

чем разность энергий между ними полно­стью определяется величиной магнитного поля. Так, при напряженности поля 10^ Гс излучаются кванты с энергией около 1 1 кэВ. Эта энергия соответствует так называемой циклотронной частоте. Поэтому спектраль-

0пе^1 п Уи. М„ 5 ипуае v ^. А.— А^гоп. апс) А1«горЬу5., 1974, v. 36, р. 379.

Рекордсмены магнитных полей