Астрономы создали модель «пульсара в коробке»

Астрономы построили компьютерную модель движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях вблизи нейтронной звезды-пульсара. Это поможет понять механизмы генерации гамма-излучения и радиоимпульсов, наблюдаемых у подобных объектов, сообщается в пресс-релизе на сайте NASA. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

Пульсары — быстровращающиеся нейтронные звезды, обладающие мощным магнитным полем, и их магнитные полюса являются источником потока мощного радиоизлучения. Из-за вращения полюсов земному наблюдателю кажется, что излучение от звезды мигает, то исчезая, то появляясь вновь, причем эта пульсаций происходит с устойчивой периодичностью сигналов.

Обычно нейтронные звезды рождаются с миллисекундными периодами вращения вокруг собственной оси, а затем медленно теряют энергию и замедляются (периоды вращения от секунды до десятка секунд). Пульсары обладают сверхсильными электрическими полями, которые могут вырывать заряженные частицы из поверхности и ускорять их до высоких энергий. В дальнейшем, ускоренные частицы, двигаясь вовне по силовым линиям магнитного поля, испускают электромагнитные волны.

Наблюдения с различных телескопов, например, с орбитальной гамма-обсерватории «Ферми», выявили вспышки гамма-изучения у многих пульсаров, в том числе от пульсара в Крабовидной туманности. Оказалось, что излучение высоких энергий регистрируется из областей, расположенных несколько дальше от нейтронной звезды, чем источники радиоимпульсов, однако механизмы генерации и точное местоположение источников гамма-квантов остаются малоизученным. Предполагается, что гамма-кванты могут испускаться ускоренными продольным электрическим полем электронами, которые движутся вдоль искривленного магнитного поля (так называемое «изгибное» излучение, похожее на синхротронное). В свою очередь, в сильном магнитном поле пульсара идут процессы однофотонного рождения пары, когда гамма-квант порождает электрон и позитрон.

Чтобы проследить поведение заряженных частиц в окрестностях пульсара международная группа астрономов во главе с Константиносом Калапотаракосом (Constantinos Kalapotharakos) создала новую компьютерную модель, использующую метод частиц в ячейках. Моделирование проводилось на суперкомпьютере Discover в Центре климатического моделирования NASA и суперкомпьютере Pleiades в Исследовательском центре Эймса. Модель позволяет отследить траектории электронов (отмечены синим цветом) и позитронов (отмечены красным цветом) разных энергий вблизи вращающейся нейтронной звезды. Траектории частиц с разными энергиями отличаются своей яркостью.

Моделирование показало, что большинство электронов стремятся улететь за пределы магнитных полюсов. Позитроны, в основном, испускаются в области более низких широт и образуют относительно тонкую структуру, называемую «токовым листом». Позитроны с наибольшими энергиями, находящиеся в «листе», способны генерировать гамма-излучение, что похоже на результаты наблюдений телескопа «Ферми». А одна из популяций электронов со средними энергиями продемонстрировала достаточно необычное поведение — при приближении к границе светового цилиндра (поверхности, на которой скорость твердотельного вращения достигает скорости света, а магнитное поле меняет свой характер) частицы резко замедляются и могут рассеяться в обратном направлении.

Ранее мы рассказывали о том, как в соседней с нами галактике нашли «омолаживающийся» пульсар, каким образом астрономы впервые услышали гравитационные волны от слияния нейтронных звезд и как нейтронные звезды оказались связаны с загадочными быстрыми радиовсплесками.

Александр Войтюк