Пульсары и транзиенты

Первоначально пульсары были найдены как одиночные короткие вспышки, приходящие через одинаковые промежутки времени.

Первый пульсар был открыт в 1967 году Джоселин Белл, аспиранткой Энтони Хьюиша, на радиотелескопе обсерватории Кембриджского университета. За это открытие в 1974 году Хьюиш получил Нобелевскую премию. С тех пор было найдено больше 2.5 тысяч пульсаров.

Пульсары - это быстро вращающиеся нейтронные звезды. Ось вращения пульсара не совпадает с его магнитной осью. Когда магнитная ось пульсара пересекает луч зрения, мы видим импульс (короткую вспышку). Каждый оборот пульсара дает один импульс.

Точность прихода импульсов на маленьких промежутках времени сравнима с точностью кварцевых часов. А на больших временных промежутках (годы и десятки лет) точность прихода импульсов некоторых пульсаров может превосходить точность меток времени атомных стандартов.

Пульсары могут сильно различаться по их видимым свойствам. Существуют пульсары, у которых радиоизлучение может пропадать, а затем появляться. Фаза прихода сигнала при этом не меняется. Такие пульсары называются пульсарами с нуллингами.

Схематическое изображение пульсара (рис.1)

Поиск пульсаров

Сутью любой программы поиска пульсаров является поиск периодически повторяющихся сигналов. Есть два основных способа поиска сигналов с хорошей повторяемостью по времени.

Одним из этих способов является усреднение сигналов. Cуть его заключается в следующем.
Как правило, импульсы пульсаров в шумовых дорожках не видны. Чтобы увидеть пульсар, нужно увеличить отношение сигнал/шум. Сделать это можно с помощью сложения импульсов в фазе. При сложении N записей с периодом пульсара сигнал пульсара возрастает в N раз, а случайная шумовая дорожка - в корень из N раз. В результате отношение сигнал/шум увеличивается в корень из N раз.
Т.о., перебирая разные периоды, и усредняя наблюдения за длительное время, можно значительно увеличить отношение сигнал/шум, и обнаружить пульсар - если он там, конечно, есть.

Другим, и более часто используемым, способом поиска периодических сигналов пульсара является поиск по спектру мощности. Сигнал переводится в частотную область (обычно с помощью быстрого Фурье), и если в сигнале были периодические сигналы, то можно увидеть пики на спектре мощности - гармоники. Величина, соответствующая обратной частоте первой гармоники, является периодом этого гармонического процесса, т.е. периодом пульсара.

Если импульсы имеют плохую повторяемость по времени (например, как у пульсаров с нуллингами), то нужен другой способ поиска. Ведь если период замирания излучения пульсара больше периода его активной жизни, то усреднение с периодом пульсара может привести не к улучшению отношения сигнал/шум, а к его ухудшению. Поиск по спектру мощности здесь тоже ничего не даст. Поэтому эти пульсары выгоднее искать по отдельным импульсам. Они могут быть гораздо сильнее, чем импульсы, усредненные за все время наблюдений.

Быстрые транзиенты типа RRAT и FRB

Поиск пульсаров по их отдельным импульсам привел к обнаружению быстрых транзиентов типа RRAT (rotating radio transient) и FRB (fast radio burst).

RRAT транзиенты оказались пульсарами, которые выдают один импульс за период от десятка секунд до нескольких часов. Долговременные наблюдения этих объектов позволили найти их периоды, а точность прихода импульсов позволила однозначно определить эти объекты как пульсары. По некоторым из теорий, это "умирающие пульсары", т.е. пульсары на последней стадии жизни.

FRB транзиенты так же проявляют свойства пульсаров. Длительность их импульсов (от долей миллисекунды до десятков миллисекунд) сравнима с длительностью импульсов обычных пульсаров. Но FRB обладают большой мерой дисперсии. Настолько большой, что ее нельзя объяснить прохождением через среду в нашей галактике. Поэтому принято считать, что FRB имеют внегалактическую природу. Но тогда энергия этих вспышек должна быть очень велика. Для объяснения природы таких мощных вспышек есть разные гипотезы. Это гипотезы о слиянии черных дыр, о слиянии нейтронных звезд, о взрывах первичных черных дыр. Есть даже гипотеза о том, что эти вспышки связаны с деятельностью внеземных цивилизаций.

На текущий момент известно порядка 100 транзиентов типа RRAT и всего 24 объекта типа FRB.