Первый пульсар был открыт в 1967 году. Джоселин Белл и Энтони Хьюиш обратили внимание на регулярные импульсы радиоизлучения, исходящие от далеких источников в космосе. С тех пор было обнаружено более 2000 пульсаров в разных частях Вселенной, в основном в плоскости Галактики Млечный Путь. Пульсары оказались быстро вращающимися нейтронными звездами, с очень большой плотностью. Они почти полностью состоят из нейтронов и имеют диаметр до 20 км. Массы пульсаров варьируются приблизительно от 1 до 2 массы Солнца, но большинство пульсаров имеют массу 1,4 масс Солнца. Нейтронная звезда образуется, при коллапсе и сжатии ядра взрывающейся сверхновой звезды. Нейтроны на поверхности звезды распадаются на протоны и электроны и попадают в интенсивное магнитное поле, которое окружает звезду и вращается вместе с ней. Разогнанные до скоростей, приближающихся к световой, частицы испускают электромагнитное излучение посредством синхротронного излучения. Это излучение испускается в виде интенсивных пучков от магнитных полюсов пульсара. Эти магнитные полюса не совпадают с полюсами вращения, и поэтому вращение пульсара приводит к изменению направления лучей излучения. Поскольку лучи регулярно проходят мимо Земли при каждом полном обороте, наземные телескопы регистрируют равномерно расположенные серии импульсов.
Масса пульсаров
В 2007 году с помощью Радиотелескопа «Эффельсберг» был открыт самый большой пульсар PSR J0348+0432. Его масса равна 2 массам Солнца и радиус 11,4 километра. То есть его плотность составляет 10^18 кг/м3. Это больше плотности атомного ядра. При таких плотностях все атомные ядра распадаются и внутренние слои нейтронной звезды состоят из сверхтекучих нейтронов, сверхпроводящих протонов и электронов. Этот пульсар находится в созвездии Рыб и является частью двойной системы с белым карликом.
В 2019 году с помощью космического телескопа НАСА «НИСЕР» (он измеряет рентгеновское излучение от нейтронных звезд) был обнаружен самый маленький пульсар на сегодня. Это PSR J0740+6620, который имеет радиус около 11 км и массу в 2,14 раз больше, чем масса Солнца. Он является одним из самых массивных пульсаров, что ставит под сомнение существующие теории о внутреннем строении и состоянии материи в пульсарах.
Вращение
В 2005 году с помощью Радиотелескопа «Паркас» был открыт, самый быстрый пульсар PSR J1748-2446ad. Он вращается со скорость 716 Гц, это соответствует 0,0014 секунды на один оборот.
Его масса составляет 1,4 масс Солнца и радиус около 16 километров. Этот пульсар находится в созвездии Стрельца и является частью скопления Терциан. Скорость вращения этого пульсара близка к теоретическому пределу. Так как нейтронная звезда, вращающаяся примерно в четыре раза быстрее, разлетелась бы на части в результате действия «центробежной силы» на своем экваторе, несмотря на гравитационное притяжение.
В 2018 году с помощью Космической обсерватории «НЕОН», был обнаружен самый медленный пульсар AX J1910.7+0917. Он излучает рентгеновские волны и вращается со скоростью 0,028 Гц, что соответствует 36200 секундам за один оборот. Его масса составляет 1,4 масс Солнца и радиус около 10 километров. Этот пульсар находится в созвездии Кассиопея и является частью двойной системы со звездой-компаньоном.
Сила магнитного поля
Сила магнитного поля пульсаров варьируется от нескольких миллионов (10^6) до квадрильонов (10^15) раз больше, чем сила магнитного поля Земли. Сила магнитного поля пульсара зависит от его массы, радиуса и скорости вращения. Чем больше масса и скорость вращения, тем сильнее магнитное поле. Самые сильные магнитные поля имеют пульсары - магнитары с магнитным полем порядка 10^11 тесла. Для сравнения, магнитное поле Земли составляет около 50 микротесла (0,00005 тесла), а магнитное поле Солнца составляет около 1 тесла. Магнитное поле пульсара создает узкие потоки электромагнитного излучения, которые видны на Земле как мигающие светила. Магнитное поле пульсара взаимодействует с межзвездной средой, создавая сложные структуры, такие как плазменные струи, ветры, туманности.
Изменения периода
Замедление периода вращения пульсара происходит очень постепенно, обычно со скоростью миллионной доли секунды в год. Отношение текущего периода пульсара к средней скорости замедления дает некоторое представление о его возрасте. Эта так называемая характеристика, или временной возраст, может быть близка к фактическому возрасту. Например, пульсар Краб, который образовался во время взрыва сверхновой звезды, наблюдавшегося в 1054 году нашей эры имеет характерный возраст 1240 лет. А пульсар J0205+6449, который образовался во время взрыва сверхновой в 1181 году нашей эры имеет характерный возраст 5390 лет.
Так как период вращения пульсаров очень медленно замедляется, то они являются очень точными часами. Поскольку пульсары также обладают сильными гравитационными полями, эта точность может быть использована для проверки теории гравитации. Американские физики Джозеф Тейлор и Рассел Халс получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году за исследование временных вариаций пульсара PSR 1913+16. Этот пульсар имеет нейтронную звезду-компаньона и огромные взаимодействующие гравитационные поля двух звезд влияют на регулярность радиоимпульсов. Рассчитав их время, и проанализировав их вариации, Тейлор и Халс обнаружили, что звезды вращаются друг вокруг друга ускоренно по все более узкой орбите. Этот орбитальный распад происходит из-за того, что двойная система теряет энергию в форме гравитационных волн. Это было первое экспериментальное доказательство существования гравитационных волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном в 1916 году в общей теории относительности.
Пульсары в видимом свете, рентгеновских и гамма-лучах
Некоторые пульсары, такие как пульсары Краб и Вела теряют энергию вращения настолько резко, что также испускают излучение с более короткой длиной волны. Крабовидный пульсар появляется на оптических фотографиях как умеренно яркая (звездная величина 16) звезда в центре Крабовидной туманности. Вскоре после обнаружения его радиоимпульсов в 1968 году астрономы из обсерватории Стюард в Аризоне обнаружили, что видимый свет от Крабовидного пульсара вспыхивает с точно такой же скоростью. Звезда также испускает регулярные импульсы рентгеновского и гамма-излучения. Пульсар Вела намного слабее на оптических длинах волн (средняя звездная величина 24) и был обнаружен в 1977 году во время особо чувствительного поиска с помощью большого англо-австралийского телескопа, расположенного в Парксе, Австралия. Он также излучает рентгеновские волны. Однако пульсар Вела испускает гамма-лучи регулярными импульсами и является наиболее интенсивным источником такого излучения на небе.
Некоторые рентгеновские пульсары являются "аккрецирующими” или захватывающими пульсарами. Эти пульсары являются двойными, и нейтронная звезда аккрецирует (захватывает) материал своего компаньона. Это вещество течет к магнитным полярным шапкам, где испускает рентгеновские лучи.
Некоторые пульсары излучают только гамма-лучи. В 2008 году космический гамма-телескоп «Ферми» обнаружил первый такой пульсар в составе остатка сверхновой звезды CTA 1. С тех пор было обнаружено 11 других пульсаров с гамма излучением. В отличие от радиопульсаров, гамма-излучение исходит не от пучков частиц на полюсах, а возникает вдали от поверхности нейтронной звезды. Физика процесса, который генерирует импульсы гамма-излучения, сегодня неизвестен.
Другой класс рентгеновских пульсаров называется магнетары, которые возникают из сильно намагниченных нейтронных звезд, магнитное поле которых может достигать 10^11 тесла. Первое свидетельство их реального существования получено в 1998 году при наблюдении мощной вспышки гамма и рентгеновского излучения от источника SGR 1900+14 в созвездии Орла. Время жизни магнетаров составляет около 1 миллиона лет.
Таким образом пульсары есть нейтронные звезды с гигантской плотностью (10^18 кг/м3) , быстрым вращением (716 Гц) , с очень сильными магнитными полями (10^11 тесла) , с электромагнитным излучением (радио-, видимое- и рентгеновское излучения) и временем жизни от 10 до 100 миллионов лет. Они представляют собой уникальные физические лаборатории с экстремальными свойствами материи. Сильные магнитные и электрические поля, не достижимые для наземных лабораторий, запускают процессы конверсии гамма-квантов, которые ранее рассматривались как гипотетически возможные. В таких полях наступает поляризация вакуума, он становится двояколучепреломляющим. В магнитосфере пульсара существенно изменяются все плазменные процессы, типы волн и характер плазменных неустойчивостей. В центре нейтронной звезды при плотностях выше ядерной возможен распад нуклонов и образование кварк-глюонной плазмы, которая возможно существовала только в первые 0,00001 секунд после Большого Взрыва.