Специалисты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), доктор физико-математических наук Яков Истомин и кандидат физико-математических наук Денис Собьянин предложили объяснение механизма излучения нейтронных звезд —нестационарно работающих радиопульсаров и вращающихся радиотранзиентов. Их построения и расчеты полностью согласуются с данными современных астрономических наблюдений. Эта работа важна для фундаментальной физики, так как процессы, происходящие в нейтронных звездах, принципиально невозможно смоделировать на ускорителях в условиях Земли.
Нейтронная звезда представляет собой астрофизический объект, масса которого несколько выше массы Солнца, а радиус составляет всего лишь 10 км. Это своеобразный компактный сверхмассивный магнитный гироскоп, который вращается с огромной скоростью, иногда достигающей 600 оборотов в секунду, причем ось его вращения несколько рассогласована с осью магнита. Образно говоря, звезда работает как гигантская динамо-машина: из-за вращения магнитного поля возникает сильнейшее электрическое поле, разгоняющее заряженные частицы до субсветовых скоростей. Частицы ускоряются лишь в небольшой полярной области вблизи магнитной оси и, образуя поток высокоэнергичной плазмы, вытекающей наружу, формируют пульсирующее (как проблесковый маячок) радиоизлучение. Оно занимает лишь малую долю периода. Как и в магнитосфере Земли, магнитные силовые линии, начало и конец которых лежат не слишком далеко от экватора, замкнуты, однако силовые линии, исходящие из полярной области, разомкнуты и распространяются далеко вовне, за пределы магнитосферы. Проекция этой области и «мелькает» при вращении звезды.
Но наиболее интересные источники, обнаруженные в последнее время в радиодиапазоне, — вращающиеся радиотранзиенты. Они работают не совсем так, как постоянные источники (радиопульсары). Радиотранзиенты дают отдельные вспышки шириной от единиц миллисекунд до десятков миллисекунд. Но промежуток между вспышками может составлять минуты или даже часы. Хотя эти всплески идут спорадически, интервал между двумя последовательными всплесками кратен некоторому периоду. От вращающихся радиотранзиентов наблюдают только радиоизлучение (реже — рентгеновское). А пульсирующее оптическое излучение пока не наблюдается. Как и радиопульсары, вращающиеся радиотранзиенты — нейтронные звезды, но мы видим здесь совершенно иное явление.
Объяснение механизма радиоизлучения нестационарно работающих радиопульсаров и вращающихся радиотранзиентов предложили специалисты Отделения теоретической физики ФИАН доктор физико-математических наук Яков Истомин и кандидат физико-математических наук Денис Собьянин.
Яков Истомин — Как работают радиопульсары, уже более или менее ясно. Радиоизлучение рождается в их магнитосферах. Оно обязано потокам ультрарелятивистской плазмы, текущей вдоль магнитных силовых линий. Основным фактором, обеспечивающим постоянную «подпитку» плазменного потока, является то, что в сильном магнитном поле возможно поглощение гамма-квантов и однофотонное рождение электрон-позитронных пар.
Денис Собьянин — В отсутствие сильного магнитного поля этот процесс был бы запрещен, так как не могли бы одновременно быть выполнены закон сохранения энергии и импульса. Здесь магнитное поле играет роль своеобразного катализатора, благодаря которому возможно эффективное поглощение фотонов. Каскадный процесс рождения пар формируется из-за наличия очень сильного электрического поля. Вновь рожденные частицы под его действием начинают ускоряться и рождать фотоны, которые, в свою очередь, рождают новые пары. Происходит умножение плазмы, плотность ее становится очень высокой, а сама плазма начинает генерировать радиоизлучение. Это радиоизлучение можно наблюдать, и чем плотнее плазма, тем выше его интенсивность.
— У обычного радиопульсара импульс наблюдается каждый период, — и мы можем сделать вывод, что генерация плазмы происходит постоянно, в среднем квазистационарно. Плазма истекает из полярных областей практически вдоль магнитной оси нейтронной звезды и излучает радиоволны (наблюдаемые на Земле). Из-за вращения нейтронной звезды, мы регистрируем периодическое излучение. Когда же мы рассматриваем вращающийся радиотранзиент, то видим отдельную вспышку, после которой — молчание. Это говорит о том, что генерация плазмы прекращается.
— Все дело здесь в структуре магнитосферы нейтронной звезды. В ней есть разомкнутые силовые линии, которые исходят из маленького (стометрового) пятна в полярной области и уходят на бесконечность. И есть линии замкнутые. Плазма в сильном магнитном поле движется, в основном, вдоль магнитных силовых линий. И если плазма рождается в замкнутых областях, то покинуть магнитосферу звезды она не может. Но плазма, образованная в относительно маленькой полярной области, может истечь из магнитосферы. При этом формируется узкий, расширяющийся вовне конус, который и определяет направленность очередной вспышки радиоизлучения.
— Если бы мы находились на поверхности нейтронной звезды, то, образно говоря, могли бы увидеть в небе «молнию». Гамма-квант, фотон большой энергии, попадает в область сильного магнитного поля и рождает первоначально одну электрон-позитронную пару. Частицы этой пары начинают ускоряться в электрическом поле. Они излучают фотоны, которые рождают новые пары — возникает цепная реакция, каскад, распространяющийся вдоль магнитной силовой линии. Поглощение одного первичного фотона в конечном счете приводит к рождению 1028 электрон-позитронных пар. Если на секунду вообразить, что рождающаяся электрон-позитронная плазма обладает оптическим излучением, подобным видимому излучению обычных молний на Земле, то мы увидели бы тогда напоминающую молнию огненную линию. Но это всего лишь аналогия.
— Однако аналогия впечатляющая. Каскад, приводящий к формированию «молнии», распространяется вдоль силовых линий практически со скоростью света. Радиус такой «молнии» — порядка ста метров, а токи (при достижении «молнией» поверхности нейтронной звезды) колоссальные — примерно 1013—1014 ампер. На Земле с такими токами мы не сталкиваемся. Когда это случается в области открытых (разомкнутых) силовых линий, образовавшаяся плазма истекает из магнитосферы и производит радиоизлучение.
— Мы знаем размер магнитосферы (он определяется периодом пульсара), а значит, знаем расстояние, которое плазма должна преодолеть, чтобы покинуть магнитосферу. Это дает минимальный период между вспышками радиоизлучения. Но гамма-кванты могут приходить реже — плазма истекла, а следующего гамма-кванта нет. Этот период мы оцениваем, используя новые данные по космическому гамма-фону.
— Вообще, при исследовании радиотранзиентов мы сталкиваемся с целым рядом новых явлений. И это неудивительно, ведь источники открыты совсем недавно. Самая первая публикация о вращающихся радиотранзиентах появилась только в 2006 г. Чтобы можно было наблюдать одиночный импульс от отдельной звезды, в момент наблюдения должна образоваться «молния». А еще — конус излучения должен смотреть на нас, иначе «молнию» мы не зарегистрируем. Интервалы между образованием «молний» в полярной шапке и между импульсами, наблюдаемыми на Земле, различны, но связаны между собой. И по имеющимся оценкам, зная один период, мы можем оценить другой. Это чисто теоретический, расчетный метод, и он работает.
— Важно отметить, что наличие мощных вспышек радиоизлучения у вращающихся радиотранзиентов связано с совершенно иными условиями формирования каскада. У стационарного пульсара сильное электрическое поле есть только вблизи поверхности — это область силовых линий 100 метров радиусом и 100 метров высотой, так называемый полярный зазор. Именно здесь, у поверхности, и генерируется плазма. У радиотранзиента же сильное электрическое поле существует во всей «молнии», то есть на высотах не 100 метров, а тысячи километров. Из-за этого плотность и энергия плазмы еще более велики.
— И здесь могут непосредственно проявляться эффекты влияния электромагнитного поля, излучаемого частицей, на саму частицу. То есть поля такие сильные, что становятся важными эффекты радиационного трения. Частицы начинают сильно излучать, тем самым работа существующего электрического поля переходит в энергию излучения частиц. Иными словами, частицы являются посредниками между энергией, заключенной в электрическом поле, и энергией гамма-излучения, которое в дальнейшем и обеспечивает развитие каскада. Все наши построения и расчеты полностью согласуются с современными наблюдательными данными.
— А изучать такие явления можно только в нейтронных звездах. Ведь это проверка наших знаний в условиях, которые в принципе недостижимы на Земле. Нейтронная звезда здесь играет роль своеобразного ускорителя с уникальными характеристиками.
Результаты этой работы важны для понимания процессов, происходящих в сверхсильных электромагнитных полях. Они найдут применение и в целом ряде других направлений, таких как лазерная физика, лазеры на свободных электронах и физика сверхмощных лазерных импульсов.
АНИ «ФИАН-информ»
