Дослідження випромінювання пульсарів

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Пульсари – це компактні джерела випромінювання, які характеризуються чіткою періодичністю імпульсів, що фіксуються в радіодіапазоні. Відкриття пульсарів відбулося 1967 року під час огляду неба за допомогою новозбудованого радіотелескопа. Сплески радіоімпульсів повністю відрізнялися від випромінювання відомих на той час природних джерел. Чітка періодичність і стабільність випромінювання одразу породила багато теорій, аж до штучності їхнього походження. Відкриття подібних нових джерел у різних ділянках неба та прив’язка їх до деяких незвичайних об’єктів привела до появи гіпотези про те, що вони є природного походження і пов’язані з утвореннями, які називають нейтронними зірками.

Нейтронна зірка як кінцева стадія еволюції масивних зірок є надщільним об’єктом, який утворюється під час гравітаційного колапсу. Маса такого об’єкта наближено дорівнює масі Сонця, а за розміром він є меншим за Сонце майже у 100000 разів. Оскільки зірка, з якої утворюється нейтронна зірка, оберталася, під час колапсу швидкість обертання зростає і період може складати від кількох секунд до тисячних часток секунди. Такий об’єкт має потужне магнітне поле, яке захоплює електрони з навколишнього простору. Рухаючись прискорено, поблизу магнітних полюсів електрони випромінюють радіохвилі, зосереджені в конусі, вершина якого збігається з полюсом. Оскільки магнітні полюси не збігаються з віссю обертання, утворюється ефект «маяка». У разі потрапляння Землі у такий конус випромінювання радіотелескоп фіксуватиме періодичні сплески, що йдуть від точкового джерела.

Оскільки випромінювання не має фіксованої частоти, пульсар реєструється в широкому діапазоні радіохвиль. Сигнал із високою частотою випромінювання (1000-1400 Мгц) слабший, ніж сигнал із середньою частою (400-600 Мгц). Однак радіоімпульс рухається в міжзоряній плазмі, за рахунок чого його швидкість залежить від частоти. Таке явище називають дисперсією. Високочастотний імпульс приходить раніше, ніж імпульс середньої частоти, що і використовують для визначення відстані до пульсара. Вираз для розрахунку відстані має вигляд:

 ,    (1)

де T₂–T₁  – різниця в часі фіксації імпульсів на частотах ν₂ та ν₁.

У цій роботі для дослідження пульсарів використовуватиметься модельний радіотелескоп. У базі даних радіотелескопа є відомі пульсари з різними характеристиками. Коли антену телескопа направляють на джерело та налаштовують приймач, у окремому вікні відтворюється послідовність імпульсів. Дослідження пульсара полягатиме у визначенні його періоду, діапазону частот, у якому фіксуються імпульси пульсара, та розрахунку відстані до нього з використанням виразу (1).

Хід роботи

1. Запустіть програму VIREO. Уведіть свій логін.

2. Оберіть вкладку

.

3. У новому вікні, що з’явиться, оберіть

.

4. Увімкніть панель контролю телескопа та оберіть Tracking. Невеликий квадрат жовтого кольору на карті неба вказує вісь діаграми направленості антени телескопа.

5. Оберіть вкладинку

.

6. У переліку пульсарів оберіть об’єкт 0628-28. Дозвольте телескопу знайти його на небі. Це один із характерних пульсарів.

7. Увімкніть приймач кнопкою Receiver. За замовчуванням частота прийому складає 600 МГц. Кнопкою налаштування частоти встановіть частоту 400 МГц. Увімкніть приймач кнопкою Mode. Сигнал має вигляд піка на рухомому графіку. Спробуйте коригувати його висоту кнопкою Vert.Gain. Для подальшого аналізу потрібно дібрати підсилення так, щоб вершина імпульсу не виходила за екран. Дібравши оптимальне підсилення, спробуйте змінити кількість імпульсів на екрані кнопкою горизонтальної розгортки Horz.Secs. Використання цієї кнопки буде необхідним для аналізу сигналів короткоперіодичних пульсарів. Вимкніть приймач та, збільшуючи частоту прийому з кроком 100 МГц, визначте діапазон частот прийому, в якому буде спостерігатися впевнена фіксація сигналу від пульсара. Для зміни кроку частоти використовується кнопка Freq Incr.

8. Для проведення подальших досліджень пульсара потрібно зафіксувати його сигнал на різних частотах і потім дослідити запис. Щоб досягти чіткого результату, доберіть такі налаштування, щоб на екрані було 3-4 імпульси. Для запису сигналу використовується кнопка Record. Для одночасного запису сигналу на різних частотах потрібно додати екран ще одного приймача кнопкою Add Channel.

9. Додайте ще один канал та встановіть більшу частоту прийому. Запустіть одночасний прийом та зверніть увагу на часове зміщення імпульсів, що фіксуються. Доберіть другу частоту так, щоб зміщення було майже до половини періоду між імпульсами. Увімкніть запис сигналу та запустіть процес запису. Після чотириразового проходу графіка від одного краю екрану до іншого зупиніть запис. Збережіть запис, погоджуючись з усіма запитаннями програми, та запам’ятайте місце для запису на диску.

Аналіз даних

1. На головному екрані телескопа оберіть вкладинку

.

2. У новому вікні відобразиться результат запису. Праворуч біля кожного з графіків є вікно позиціонування курсорів – вертикального V та горизонтального H. При активації вікна можна на графіку розміщувати курсорні лінії. У вікні активації з’явиться час, що відповідає позиції курсору. Натискаючи праву клавішу маніпулятора, можна встановити вертикальну лінію, яка перетинатиме всі графіки. Час, що відповідає її положенню, відтворюється у вікні Reference Cursor.
3. Переміщаючи курсорні лінії, визначте період пульсара T, різницю в часі приходу сигналу Т₂-Т₁ та занотуйте їх до таблиці.
4. У математичних таблицях розрахуйте відстань до пульсара за формулою (1).
5. Переберіть усі пульсари зі списку для аналізу та занотуйте висновки дослідження. 

Таблиця результатів