Астрофизики наблюдали за «затемнением» вращающихся нейтронных звёзд

Новости МирТесен

Астрофизики получили первые задокументированные наблюдения быстрого затухания излучения пульсаров после интенсивных вспышек, что соответствует переходу в режим, известный как «пропеллер». Этот эффект, предсказанный теоретически более четырех десятилетий назад, был впервые достоверно зарегистрирован.

Интернациональная группа астрофизиков, включавшая российских ученых из Института космических исследований РАН, МФТИ и Пулковской обсерватории РАН, засняла очень быстро угасающее излучение пульсаров после мощных вспышек — переход в так называемый режим пропеллера. Теоретические предсказания этого эффекта были сделаны более сорока лет тому назад, но только сейчас это явление было впервые достоверно зарегистрировано для пульсаров 4U 0115+63 и V 0332+53, излучающих в рентгеновском диапазоне. Результаты измерений, расчёты и выводы опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.

Рентгеновские пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 относятся к уникальной категории источников – вспыхивающих (или транзиторных) рентгеновских пульсаров. Они характеризуются чередованием периодов слабого свечения в рентгеновском диапазоне, ярких вспышек и полного исчезновения излучения. Анализ этих переходов позволяет определить параметры магнитных полей и температуру окружающего вещества. Указанные величины настолько велики, что их невозможно измерить или получить напрямую в условиях земных лабораторий.

Название пульсара начинается с буквы, обозначающей первую обсерваторию, обнаружившую его, за которой следуют цифры, указывающие на его координаты. «V» относится к спутнику Vela 5B, американскому военному спутнику, предназначенному для наблюдения за территорией СССР. «4U» расшифровывается как «4-й каталог UHURU», первой в мире специализированной рентгеновской обсерватории на орбите. Когда был открыт первый пульсар, ему первоначально присвоили название LGM-1, что является отсылкой к «little green men» («маленькие зелёные человечки»): он излучал радиоимпульсы через регулярные интервалы времени, и исследователи предположили, что это может быть сигналом от внеземных цивилизаций.

Рентгеновский пульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда, обладающая мощным магнитным полем. Нейтронная звезда может существовать в паре с обычной звездой, притягивая к себе её вещество – этот процесс астрофизики называют аккрецией. Газ образует спиральный диск вокруг нейтронной звезды и замедляется на границе магнитосферы этого небесного тела. Часть вещества проникает внутрь магнитосферы, «замораживается» в ней и направляется по магнитным линиям к полюсам. При падении на магнитные полюса вещество нагревается до температур, достигающих сотен миллионов градусов, и излучает рентгеновские лучи.

Из-за того, что магнитная ось нейтронной звезды отклонена от оси вращения, рентгеновское излучение вращается, напоминая свет маяка, и воспринимается наблюдателями на Земле как повторяющиеся сигналы с периодом от тысячных долей секунды до нескольких минут. Нейтронная звезда может являться одним из возможных остатков после взрыва сверхновой. В завершающей стадии эволюции некоторых звёзд их вещество под действием гравитации сжимается до такой степени, что электроны практически сливаются с протонами, формируя нейтроны. Магнитное поле нейтронной звезды способно превышать максимально достижимое на Земле в миллиарды раз.

Для существования рентгеновского пульсара в двойной звёздной системе необходимо перетекание вещества с обычной звезды на нейтронную. В этом случае обычная звезда может являться гигантом или сверхгигантом и обладать мощным звёздным ветром, выбрасывающим большое количество вещества в космос. Альтернативно, это может быть небольшая звезда, схожая по размеру с Солнцем, которая заполнила свою область Роша – границу, за которой вещество уже не удерживается притяжением этой звезды и переходит под влияние гравитации нейтронной звезды.

Нестабильность излучения рентгеновских пульсаров 4U 0115+63 и V 0332+53, проявляющаяся во вспышках, обусловлена наличием у них необычных звезд-компаньонов – звезд класса Ве. Эти звезды характеризуются очень высокой скоростью вращения вокруг своей оси, что приводит к периодическому образованию газового диска вдоль экватора, как результат «поднятия юбки». В процессе формирования этого диска звезда заполняет полость Роша. Последующий стремительный аккреционный процесс газа на нейтронную звезду вызывает резкое увеличение интенсивности излучения и вспышку. По мере истощения аккреционного диска и влияния магнитного поля и центробежных сил, вещество перестает поступать на нейтронную звезду, что приводит к возникновению так называемого «эффекта пропеллера», и рентгеновский источник временно исчезает.

Российские ученые, используя рентгеновский телескоп на космической обсерватории Swift, определили пороговую интенсивность излучения, или светимость, при которой пульсар переходит в так называемый «режим пропеллера». Эта величина зависит от напряженности магнитного поля и периода вращения пульсара. Период вращения исследуемых источников был установлен на основе измерения времени прихода излучаемых ими импульсов: для 4U 0115+63 он составляет 3,6 секунды, а для V 0332+53 — 4,3 секунды, что позволило рассчитать величину магнитного поля. Полученные результаты соответствуют данным, полученным с использованием других методов. Тем не менее, светимость пульсаров уменьшилась не в 400 раз, как предполагалось ранее, а лишь в 200 раз. В качестве объяснения авторы выдвинули предположение, что поверхность нейтронной звезды, нагретая вспышкой, охлаждается, что приводит к появлению дополнительного источника излучения. Другая версия заключается в том, что эффект пропеллера не может полностью остановить перетекание вещества от обычной звезды, и существуют альтернативные пути «утечки».

Переход в режим пропеллера крайне сложно зафиксировать, поскольку в этом состоянии пульсар практически не излучает. В ходе предыдущих вспышек источников 4U 0115+63 и V 0332+53 предпринимались попытки обнаружить этот переход, однако из-за недостаточной чувствительности оборудования того времени «выключенное состояние» определить не удалось. Только сейчас получены убедительные данные, подтверждающие, что данные пульсары действительно демонстрируют «выключение». Кроме того, показано, что информация о переходе в «режим пропеллера» может быть применена для определения интенсивности и структуры магнитного поля нейтронных звёзд.

Александр Лутовинов, профессор РАН, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории в Институте космических исследований РАН и преподаватель МФТИ, комментирует: «Вопрос структуры магнитных полей является одним из ключевых для понимания образования и эволюции нейтронных звёзд. В ходе наших исследований мы установили для двух нейтронных звёзд дипольную составляющую магнитного поля, обуславливающую эффект пропеллера. Мы продемонстрировали, что полученное нами значение можно сопоставить с величиной магнитного поля, ранее измеренной по циклотронным линиям, что позволяет оценить вклад других, более сложных компонентов, формирующих структуру поля».