Астрофизики из ФИАН выяснили, как происходит формирование и распространение излучения в магнитосфере радиопульсаров. Эти сведения помогут сделать количественные предсказания относительно эволюции нейтронных звезд, а также свойств наблюдаемого радиоизлучения.
Несмотря на то, что радиопульсары были открыты почти полвека назад (в 1967 году) наши представления о них пока остаются неполными. Два недостающих звена, необходимых для сравнения теории радиопульсаров с наблюдениями, заключались в дополнении знаний о процессе формирования и распространения радиоизлучения. Первое звено – механизм образования излучения пульсара в его магнитосфере – было предложено группой ученых из ФИАН – Александром Гуревичем, Яковом Истоминым и Василием Бескиным – чуть больше 20 лет назад.
«Излучение формируется в магнитосфере пульсара, в этом нет никаких сомнений. Заряженные частицы, двигаясь по кривой траектории с ускорением, излучают электромагнитные волны. Но поскольку плотности в магнитосфере большие, то важно найти коллективный механизм излучения, то есть не от одной частицы, а от ансамбля. При этом излучение происходит в фазе, это означает, что оно когерентно, и мощность его возрастает не пропорционально числу частиц, а пропорционально квадрату числа частиц. Также очень важную роль играет поляризация излучения. Больше 20 лет назад нами была найдена такая неустойчивость, которая приводит к генерации излучения. Мы назвали ее изгибно-плазменной», - рассказывает доктор физико-математических наук Яков Истомин.
Второе звено – как излучение распространяется – необходимо было прояснить. Дело в том, что наблюдаемые параметры излучения – средний профиль, поляризация, зависимости спектра от частот - зависят не только от механизма формирования, но и от процесса распространения излучения. Эти волны выходят из магнитосферы нейтронной звезды в межзвездную среду очень низкой плотности и их параметры формируются при переходе.
«Никаких принципиальных физических процессов или эффектов, которые мешали бы понять процесс распространения радиоизлучения пульсаров, нет. Это область распространения электромагнитных волн в плазме, но просчитать – как это происходит, до сих пор никто аккуратно не мог. Здесь дело исключительно в аккуратности учета всех эффектов и, соответственно, в математической сложности расчетов», - комментирует ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Бескин.
В общей сложности два года интенсивного труда потратили Василий Бескин и его студент из МФТИ Александр Филиппов на последовательные расчеты процесса распространения радиоизлучения. В качестве модели использовалась дополненная (и многократно подтвержденная) «модель полого конуса». Она заключается в том, что диаграмма направленности радиоизлучения повторяет профиль плотности вторичной электронно-позитронной плазмы, истекающей вдоль открытых магнитных силовых линий. По внешнему виду этот профиль похож на полый конус.
«В процессе распространения излучения нужно учитывать много эффектов, которыми раньше пренебрегали. Один из моментов, который необходимо было внести в модель, заключается в учете двулучепреломления магнитоактивной плазмы, в результате чего волны различной поляризации могут по разному распространяться в магнитосфере нейтронной звезды. Кроме того, до сих пор не всегда последовательно учитывалось связанное с вращением пульсара электрическое поле, которое в области формирования поляризационных характеристик выходящего излучения становится порядка магнитного. Это обуславливает вид тензора диэлектрической проницаемости, гораздо более сложный, чем в обычной плазме. Также в нашей работе была выбрана реальная структура магнитного поля, а не поле невозмущенного диполя, как делалось ранее, так как дипольное приближение справедливо далеко не во всей рассматриваемой области», - говорит Василий Бескин.
Электронно-позитронная плазма, рождаемая жесткими гамма-квантами вблизи поверхности нейтронной звезды, истекает из магнитосферы пульсара вдоль магнитных силовых линий. Именно поэтому для того, чтобы знать плотность частиц в каждой точке вдоль траектории распространения радиоизлучения, нужно просчитать, как искривилась та или иная магнитная силовая линия.
Василий Бескин: «Для определения плотности плазмы приходилось в каждой точке вдоль луча интегрировать назад вдоль магнитных силовых линий чтобы знать, в какой области на поверхности нейтронной звезды частицы начали свое движение. Компьютер может считать это целые сутки. В предыдущих же работах, в которых рассматривалось вращение простого диполя, а также предполагалось, что радиоизлучение распространяется по прямой, многие важные эффекты не могли быть учтены».
Полученные результаты, как полагают ученые, помогут существенно продвинуться в понимании природы активности пульсаров и в определении параметров истекающей плазмы. Действительно, воспользовавшись построенной количественной теорией распространения волн и анализируя наблюдаемые профили излучения конкретных радиопульсаров можно понять, как устроена и сама магнитосфера нейтронной звезды. В настоящее время эти работы ведутся совместно с сотрудниками Пущинской радиоастрономической Обсерватории ФИАН, а также с группой М.Крамера - директора Института радиоастрономии им. М.Планка (г.Бонн, Германия).
С. Чуваева, АНИ "ФИАН-Информ"
22.11.2012
