Радиоизлучение пульсаров объяснили гравитационным расщеплением энергии электронов

Ученые из ИТМО объяснили радиоволновое излучение пульсаров переходами электронов между уровнями энергии, возникающими из-за отталкивания заряженных частиц от двойного электрического слоя и гравитационного притяжения звезды. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.

Пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые обладают сильным магнитным полем и периодически испускают мощные импульсы электромагнитного излучения — начиная радиоволновым диапазоном и заканчивая жестким гамма-излучением. Механизмы генерации рентгеновского и гамма-излучения в изолированной нейтронной звезде изучены достаточно хорошо, однако общепринятой модели, объясняющей излучение пульсарами радиоволн, пока еще нет. Например, «антенный механизм» предполагает, что излучающие частицы находятся в небольших областях, размеры которых много меньше длины волны излучения; по другим теориям, излучение образуется в результате движения заряженных частиц вдоль искривленных линий напряженности магнитного поля или из-за комптоновского рассеяния в релятивистской плазме. Все предложенные механизмы полагаются на тот факт, что яркостная температура радиоизлучения значительно превосходит кинетическую энергию частиц нейтронной звезды. Это значит, что частицы излучают волны когерентно, то есть на одной и той же частоте.

Группа ученых из Университета информационных технологий, механики и оптики предложила еще один механизм генерации радиоизлучения пульсарами, предполагающий, что расположенные над поверхностью звезды электроны переходят между возникающими в гравитационном поле уровнями энергии. По словам ученых, этот механизм хорошо согласуется с наблюдаемыми частотами радиоизлучения, приходящего от пульсаров.

В рассмотренной учеными модели уровни энергии возникают по следующей причине. Из-за сильного гравитационного поля звезды окружающая ее плазма поляризуется — входящие в ее состав тяжелые ионы и легкие электроны «растаскиваются» в направлении, перпендикулярном поверхности. В результате в верхних слоях «атмосферы» пульсара возникает заряженный двойной электрический слой (electric double layer, EDL). С одной стороны, электроны отталкиваются от этого слоя. С другой стороны, они притягиваются гравитационным полем звезды. В конечном счете, получается, будто электроны попадают в эффективную потенциальную яму, в которой возникают связанные состояния. Расстояние между этими уровнями определяется ускорением свободного падения g и массой электрона m. При значении g = 2×10¹⁴ сантиметров на секунду в квадрате, характерном для пульсаров, расстояние между двумя соседними уровнями составляет примерно 1,7×10⁻⁶ электронвольт, что отвечает радиоизлучению на частоте около 400 мегагерц. Наконец, постоянство расстояния между уровнями обеспечивает когерентность излучения.

В то же время, магнитное поле пульсара должно влиять на электроны гораздо сильнее гравитационного, поскольку его напряженность может достигать 10¹³ гаусс. Поэтому предложенный авторами статьи механизм может работать только около полюсов звезды, в которых и гравитационное, и практически однородное магнитное поле направлены перпендикулярно поверхности. Кроме того, необходимо, чтобы электрическое поле звезды было направленно параллельно поверхности звезды и не возмущало энергетические уровни. В этом случае «гравитационные» уровни энергии накладываются на уровни Ландау, расстояние между которыми значительно больше. Так, в типичных пульсарах переход между соседними уровнями Ландау отвечает рентгеновскому излучению с частотой около 3×10¹⁹ герц.

В результате электроны могут переходить не только между соседними гравитационными уровнями в рамках одного уровня Ландау, но и между гравитационными и магнитными уровнями одновременно. Первый тип переходов отвечает электро-дипольному излучению, направленному перпендикулярно направлению магнитного поля, второй тип — магнитно-дипольному, излучаемому вдоль оси звезды. Впрочем, второй тип излучения может возникать только в пульсарах со слабым магнитным полем (менее 10¹¹ гаусс), поскольку он требует высокой населенности уровней Ландау.

В начале января астрофизики показали, что быстрые радиовсплески от источника FRB121102 могли возникнуть в намагниченной среде вблизи вращающегося пульсара, связанного со сверхновой или расположенной вблизи массивной черной дырой и не связанного с катаклизмическими процессами. Подробнее о том, что такое быстрые радиовсплески и как ученые пытались разгадать тайну их происхождения, можно прочитать в блоге астрофизика Сергея Попова.

Дмитрий Трунин