Астрофизики объяснили спектр излучения Крабовидной туманности

Астрофизики из Германии и США разработали новую модель для описания устойчивой части спектра электромагнитного излучения Крабовидной туманности. Это исследование поможет описать поведение ускоренных частиц в космических объектах и точно определить источники космических лучей. Работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Крабовидная туманность — газовая туманность, находящаяся в созвездии Тельца, которая образовалась в результате взрыва сверхновой SN 1054. Она является одним из наиболее изученных астрономических объектов и известна как постоянный источник космических лучей и электромагнитного излучения в широком диапазоне частот. Для описания этого спектра излучения было предложено несколько моделей, однако почти все они работают лишь в предположении, что источниками должны являться сразу несколько популяций электронов с различными энергетическими характеристиками. Существовавшие же на сегодняшний день модели, основанные на единственной и физически достоверной для Крабовидной туманности популяции электронов, не могли описать высокоэнергетическую часть спектра и пик в районе радио- и мягких рентгеновских волн.

В своей новой работе астрофизики рассмотрели стандартную модель диффузионного ударного ускорения, описывающую процессы, которые происходят с электронами внутри туманности. Согласно этой модели, магнитный ветер пульсара, находящегося в центре  туманности, ускоряет частицы по механизму Ферми, так что их распределение по энергиям принимает степенную зависимость. В новой работе эта модель была впервые адаптирована для изучения динамики популяции электронов и исследования их излучения.

Астрофизикам удалось показать, что число высокоэнергетических частиц падает со временем быстрее, чем число низкоэнергетических, что и приводит к конечному виду электромагнитного спектра. Полученный таким образом спектр ученые сравнили со спектром, который для Крабовидной туманности был измерен экспериментально. Оказалось, что предложенная модель практически идеально описывает устойчивую часть спектра для всего диапазона энергий (от 10^-5 до 10¹⁴ эВ), за исключением двух небольших областей для излучения с энергией порядка 1 МэВ и 0.01—0.1 эВ, для которых, видимо, существуют другие источники.

Характерно, что и другие физические величины, которые могут быть получены с помощью использованной модели, согласуются с известными для Крабовидной туманности данными. В частности, это величина однородного магнитного поля внутри туманности и вид электронного спектра, который был получен в результате решения уравнения неразрывности с учетом потери энергии и зависимости скорости инжектирования электронов от времени.

В дальнейшем предложенная модель может быть использована для описания других космических источников электромагнитного излучения, в частности, других плерионов и остатков сверхновых. Полученные результаты позволят описать поведение ускоренных частиц в космических объектах и установить непосредственные источники космических лучей. Эта информация может оказаться полезной, например, для разработки методов защиты космонавтов от космических лучей, которые являются для них первоочередной угрозой.

Александр Дубов