Мерцающая звезда раскрывает шокирующие тайны турбулентной плазмы в нашем космическом окружении

Художественное представление ударной волны пульсара, рассеивающей радиолуч. Автор: Carl Knox/Swinburne/OzGrav

С помощью самого мощного радиотелескопа в южном полушарии мы наблюдали мерцающую звезду и обнаружили множество загадочных плазменных структур в нашем космическом окружении.

Плазменные структуры, которые мы видим, представляют собой изменения плотности или турбулентности, подобные межзвездным циклонам, возникающим под воздействием энергичных событий в галактике.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Astronomy, также описываются первые измерения плазменных слоев внутри межзвездной ударной волны, окружающей пульсар.

Теперь мы понимаем, что наша местная межзвездная среда заполнена подобными структурами, и наши выводы также включают редкое явление, которое бросает вызов теориям ударных волн пульсаров.

Что такое пульсар и почему у него есть ударная волна?

Наши наблюдения были сосредоточены на близлежащем быстро вращающемся пульсаре J0437-4715, который находится на расстоянии 512 световых лет от Земли. Пульсар — это нейтронная звезда, сверхплотный остаток звезды, который производит пучки радиоволн и энергичный «ветер» частиц.

Пульсар и его ветер движутся со сверхзвуковой скоростью через межзвездную среду — вещество (газ, пыль и плазма) между звездами. Это создает ударную волну: ударную волну нагретого газа, который светится красным.

Межзвездная плазма турбулентна и рассеивает радиоволны пульсара немного в сторону от прямого, прямолинейного пути. Рассеянные волны создают узор из ярких и тусклых пятен, который дрейфует над нашими радиотелескопами, пока Земля, пульсар и плазма движутся в пространстве.

С нашей точки зрения это заставляет пульсар мерцать или «сверкать». Эффект похож на то, как турбулентность в атмосфере Земли заставляет звезды мерцать в ночном небе.

Сцинтилляция пульсара дает нам уникальную информацию о плазменных структурах, которые слишком малы и слабы, чтобы их можно было обнаружить каким-либо другим способом.

Мерцающая маленькая радиозвезда

Невооруженному глазу мерцание звезды может показаться случайным. Но, по крайней мере, для пульсаров существуют скрытые закономерности.

Используя правильные методы, мы можем обнаружить упорядоченные формы из интерференционной картины, называемые дугами сцинтилляции. Они детализируют местоположение и скорости компактных структур в межзвездной плазме. Изучение дуг сцинтилляции похоже на выполнение КТ-сканирования межзвездной среды — каждая дуга обнаруживает тонкий слой плазмы.

Обычно исследования мерцательных дуг обнаруживают только одну или, в лучшем случае, несколько таких дуг, давая представление только о самых экстремальных (самых плотных или самых турбулентных) плазменных структурах в нашей галактике.

Наше исследование сцинтилляционных дуг открыло новые горизонты, открыв беспрецедентное количество — 25 сцинтилляционных дуг — наибольшее количество плазменных структур, наблюдавшихся среди всех пульсаров на сегодняшний день.

Чувствительность нашего исследования стала возможной только благодаря близкому расположению пульсара (это наш ближайший миллисекундный сосед-пульсар) и большой площади сбора радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке.

Анимация 25 дуг мерцания, меняющих кривизну со временем в соответствии с изменяющейся скоростью пульсара. Каждый кадр анимации показывает дуги мерцания, измеренные в один день, в течение шести последовательных дней. Вставленные дуги мерцания возникают из ударной волны пульсара. Автор: <a class="source" href="https://www.nature.com/articles/s41550-025-02534-6">Reardon et al., Nature Astronomy </a>

Местный пузырьковый сюрприз

Из 25 найденных нами мерцательных дуг 21 выявила структуры в межзвездной среде. Это было удивительно, поскольку пульсар, как и наша собственная солнечная система, расположен в относительно спокойной области нашей галактики, называемой Местным пузырем.

Около 14 миллионов лет назад эта часть нашей галактики была освещена звездными взрывами, которые выметали материал из межзвездной среды и раздули горячую пустоту. Сегодня этот пузырь все еще расширяется и теперь простирается на расстояние до 1000 световых лет от нас.

Наши новые открытия сцинтилляционной дуги показывают, что Местный пузырь не такой уж и пустой, как считалось ранее. Он заполнен компактными плазменными структурами, которые могли бы поддерживаться только в том случае, если бы пузырь остыл, по крайней мере в некоторых областях, с миллионов градусов до умеренных 10 000°C.

Шокирующие открытия

Как показано на анимации ниже, пульсар окружен ударной волной, которая светится красным светом от возбужденных атомов водорода.

Хотя считается, что большинство пульсаров производят ударные волны, только несколько из них когда-либо наблюдались, поскольку они являются слабыми объектами. До сих пор ни один из них не был изучен с помощью сцинтилляции.

Мы проследили оставшиеся четыре дуги мерцания до плазменных структур внутри ударной волны пульсара, что стало первым случаем, когда астрономы заглянули внутрь одной из этих ударных волн.

Это дало нам вид различных слоев плазмы, похожий на КТ. Используя эти дуги вместе с оптическим изображением, мы построили новую трехмерную модель ударной волны, которая, кажется, слегка наклонена от нас из-за движения пульсара в пространстве.

Сцинтилляционные дуги также дали нам скорости плазменных слоев. Вопреки ожиданиям, мы обнаружили, что одна внутренняя плазменная структура движется к фронту ударной волны против потока ударного вещества в противоположном направлении.

Хотя такие обратные потоки могут появляться в симуляциях, они редки. Это открытие приведет к появлению новых моделей для этого удара.

Ударная волна пульсара, видимая в красном свете от заряженного водорода, с новой трехмерной моделью, наложенной белыми линиями. Стрелка показывает направление движения пульсара. Точка в начале стрелки — это белый карлик, звезда-компаньон пульсара. Автор: Reardon et al., Nature Astronomy

Блестящая наука

Поскольку по всему миру строятся новые и более чувствительные радиотелескопы, мы можем ожидать, что увидим мерцания от большего количества ударных волн пульсаров и других событий в межзвездной среде.

Это позволит узнать больше об энергетических процессах в нашей галактике, которые создают эти невидимые плазменные структуры.

Мерцание этого соседа-пульсара выявило неожиданные плазменные структуры внутри нашего Местного пузыря и позволило нам составить карту и измерить скорость плазмы внутри ударной волны. Удивительно, на что способна маленькая мерцающая звезда.

Больше информации: Daniel J. Reardon et al, Bow shock and Local Bubble plasma unveiled by the scintillating millisecond pulsar J0437−4715, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02534-6

Источник: The Conversation