Ученые разгадали загадку сияния пульсаров
Астрономы из США и Польши разгадали природу мерцающего излучения пульсаров, которая более полувека оставалась загадкой. Моделирование показало, что интенсивное радиоизлучение, создаваемое вращающимися звездами, вызвано взаимодействием между электрическим и магнитным полями у их поверхности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые с определенной периодичностью испускают узкие лучи радиоволн. Когда астрономы впервые увидели их в 1967 году, было даже предположение, что импульсы света посылает инопланетная цивилизация.
Александр Филиппов из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Андрей Тимохин из Зеленогурского университета в Польше и Анатолий Спитковский из Принстонского университета смоделировали распределение плотности электрон-позитронной плазмы вблизи поверхности нейтронной звезды и на этой модели показали, что причина мерцания — взаимодействие между электрическими и магнитными полями.
Сильные электрические поля отрывают электроны от поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до экстремальных энергий, в результате чего те начинают испускать гамма-лучи. Эти лучи поглощаются сверхсильным магнитным полем пульсара, что производит поток электронов и их античастиц — позитронов, а те, в свою очередь, заставляют электрическое поле осциллировать и генерировать поток электромагнитных волн.
Новорожденные заряженные частицы ослабляют электрические поля, заставляя их колебаться. В присутствии мощных магнитных полей пульсара это приводит к тому, что электромагнитные волны уходят в космос. При помощи моделирования плазмы исследователи обнаружили, что эти электромагнитные волны соответствуют радиоволнам, наблюдаемым от пульсаров.
"Процесс чем-то похож на молнию. Из ниоткуда вдруг возникает мощный разряд, производящий облако электронов и позитронов, а затем, как послесвечение, — электромагнитные волны", — приводятся в пресс-релизе Центра вычислительной астрофизики слова руководителя исследования Александра Филиппова.
Авторы впервые создали 2D-модель плазмы, окружающей магнитные полюсы пульсара, что позволило им увидеть объемные электромагнитные волны — все предыдущие модели были только одномерными.
Моделирование показывает, как электрические поля пульсара ускоряют заряженные частицы. Ускорение создает высокоэнергетические фотоны, которые взаимодействуют с интенсивным магнитным полем пульсара с образованием электрон-позитронных пар. Эти пары создают собственные электрические поля, которые противодействуют и ослабляют начальное поле. В конце концов исходное поле становится настолько слабым, что достигает нуля и начинает колебаться между отрицательными и положительными значениями. Это колебательное электрическое поле производит электромагнитное излучение.
Авторы считают, что их открытие поможет проектам, основанным на периодичности сияния пульсаров, таким как исследования гравитационных волн. В этих проектах пульсары используются в качестве космических часов.
На двух магнитных полюсах пульсара в космос врываются непрерывные пучки когерентных радиоволн — частицы, создающие их, движутся в одном шаге друг от друга. Когда пульсар вращается, лучи расходятся по небу кругами. С Земли же кажется, что пульсары мигают, когда лучи входят и выходят из поля зрения. Частота этих миганий настолько выверена, что излучение пульсаров соперничает по точности с атомными часами.
"Если мы понимаем, как происходит само излучение, есть надежда, что мы также сможем создать модель ошибок в часах пульсара", — говорит Филиппов.
Исследователи планируют расширить симуляции, чтобы приблизиться к пониманию реальной физики пульсаров. Кроме того, по их мнению, это поможет раскрыть таинственный источник периодических вспышек радиоволн, исходящих от нейтронных звезд и известных как быстрые радиовсплески.