Астрофизик-теоретик предложил решение загадки «зебрового» узора Крабовидной туманности
Крабовидная туманность. Автор: NASA
Астрофизик-теоретик из Университета Канзаса, возможно, разгадал почти двадцатилетнюю тайну происхождения необычного узора «зебра», наблюдаемого в высокочастотных радиоимпульсах из Крабовидной туманности.
Его выводы только что опубликованы в Physical Review Letters.
Нейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов. Википедия
«Излучение, напоминающее луч маяка, многократно проносится мимо Земли по мере вращения звезды», — рассказал ведущий автор Михаил Медведев, профессор физики и астрономии в Канзасском университете.
«Мы наблюдаем это как импульсное излучение, обычно с одним или двумя импульсами за оборот. Конкретный пульсар, о котором я говорю, известен как Крабовидный пульсар, расположенный в центре Крабовидной туманности в 6000 световых годах от нас».
Крабовидная туманность — остаток сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году.
«Исторические записи, в том числе китайские, описывают необычайно яркую звезду, появившуюся на небе», — сказал исследователь из Канзасского университета.
Однако, по словам Медведева, в отличие от любого другого известного пульсара, пульсар в Крабовидной области имеет зебровый узор — необычное расстояние между полосами в электромагнитном спектре, пропорциональное частотам полос, а также другие странные особенности, такие как высокая поляризация и стабильность.
«Она очень яркая, практически во всех диапазонах волн», — сказал он. «Это единственный известный нам объект, который производит узор зебры, и он появляется только в одном компоненте излучения пульсара в Крабовидной галактике».
«Основной импульс — это широкополосный импульс, типичный для большинства пульсаров, с другими широкополосными компонентами, общими для нейтронных звезд. Однако высокочастотный интеримпульс уникален, его диапазон составляет от 5 до 30 гигагерц — частоты, аналогичные частотам в микроволновой печи».
По словам исследователя из Канзасского университета, с тех пор как эта закономерность была обнаружена в статье 2007 года, она оказалась «озадачивающей» для исследователей.
Медведев смоделировал дифракцию волн от круглой отражающей области с радиально изменяющимся показателем преломления за ее пределами, чтобы лучше понять зебровый узор Крабовидной туманности. Автор: Mikhail Medvedev
«Исследователи предложили различные механизмы эмиссии, но ни один из них не смог убедительно объяснить наблюдаемые закономерности», — сказал он.
Используя данные, полученные с пульсара в Крабовидной обсерватории, Медведев разработал метод, использующий волновую оптику, для измерения плотности плазмы пульсара — «газа» заряженных частиц (электронов и позитронов) — с помощью интерференционной картины, обнаруженной в электромагнитных импульсах.
«Если у вас есть экран и мимо него проходит электромагнитная волна, то она не распространяется напрямую», — сказал Медведев.
«В геометрической оптике тени, отбрасываемые препятствиями, простираются бесконечно — если вы находитесь в тени, света нет; за ее пределами вы видите свет. Но волновая оптика вводит иное поведение — волны огибают препятствия и интерферируют друг с другом, создавая последовательность ярких и тусклых полос из-за конструктивной и деструктивной интерференции».
Это хорошо известное явление интерференционных полос вызвано последовательной конструктивной интерференцией, но имеет другие характеристики, когда радиоволны распространяются вокруг нейтронной звезды.
«Типичная картина дифракции дала бы равномерно расположенные полосы, если бы у нас была только нейтронная звезда в качестве щита», — сказал исследователь из Канзасского университета. «Но здесь магнитное поле нейтронной звезды генерирует заряженные частицы, составляющие плотную плазму, которая меняется в зависимости от расстояния от звезды.
«Когда радиоволна распространяется через плазму, она проходит через разреженные области, но отражается плотной плазмой. Это отражение зависит от частоты: низкие частоты отражаются на больших радиусах, отбрасывая большую тень, в то время как высокие частоты создают меньшие тени, что приводит к разному интервалу между полосами».
Таким образом, Медведев определил, что плазменное вещество пульсара в Крабовидной галактике вызывает дифракцию электромагнитных импульсов, ответственных за сингулярный зеброобразный узор нейтронной звезды.
«Эта модель — первая, способная измерять эти параметры», — сказал Медведев. «Анализируя полосы, мы можем вывести плотность и распределение плазмы в магнитосфере. Это невероятно, потому что эти наблюдения позволяют нам преобразовывать измерения полос в распределение плотности плазмы, по сути создавая изображение или выполняя томографию магнитосферы нейтронной звезды».
Далее Медведев сказал, что его теорию можно проверить, собрав больше данных с пульсара в Крабовидной галактике и доработать, приняв во внимание его мощные и странные гравитационные и поляризационные эффекты. Новое понимание того, как плазменная материя изменяет сигнал пульсара, изменит то, как астрофизики понимают другие пульсары.
«Пульсар в Крабовидной галактике в чем-то уникален — он относительно молод по астрономическим меркам, ему всего около тысячи лет, и он очень энергичен», — сказал он. «Но он не одинок; мы знаем о сотнях пульсаров, и более дюжины из них также молоды.
«Известные двойные пульсары, которые использовались для проверки общей теории относительности Эйнштейна, также можно исследовать с помощью предлагаемого метода. Это исследование действительно может расширить наше понимание и методы наблюдения за пульсарами, особенно молодыми, энергичными».
Больше информации: Mikhail V. Medvedev, Origin of Spectral Bands in the Crab Pulsar Radio Emission, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.205201. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.12992
Источник: University of Kansas
0 комментариев