В некоторых пульсарах можно заметить необычное явление: их частота вращения неожиданно возрастает, после чего постепенно уменьшается и возвращается почти к первоначальному значению. Долгое время ученые не могли с уверенностью объяснить, что вызывает этот эффект. Астрофизики из Индии и Франции, по всей видимости, сделали важный шаг в понимании этой загадки. Их исследование поможет получить более глубокие сведения о внутреннем устройстве этих объектов и физических процессах, происходящих в их глубинах.
Пульсары представляют собой космические объекты, излучающие импульсы магнитного излучения. Обычно их представляют собой быстровращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем. Эти объекты генерируют потоки оптического, рентгеновского, радио и гамма-излучений, которые для земных наблюдателей выглядят как кратковременные вспышки излучения. Происходит это из-за вращения полюсов нейтронных звезд. Наблюдателю кажется, что излучение от звезды мигает — то исчезает, то появляется снова, причем такая «пульсация» возникает с устойчивой периодичностью.
Обнаруживая эти космические источники, ученые обратили внимание на необычную особенность. Частота вращения пульсаров временами испытывала внезапные изменения, что приводило к нарушению регулярности «пульсаций»: сначала она возрастала, а затем возвращалась к прежнему уровню. Фазы постепенного восстановления могли занимать от нескольких часов до нескольких лет. Такие отклонения в скорости вращения пульсаров стали именоваться глитчем.
Пока астрофизики фиксировали отклонения в сигналах лишь немногих пульсаров, среди них — PSR B0531+21 в Крабовидной туманности, на расстоянии 6,5 тысячи световых лет от Земли, и пульсар Вела, объект, находящийся на расстоянии 800 световых лет от Земли, демонстрирует необъяснимые сбои, природа которых долгое время не была установлена.
Считается, что в структуре пульсаров присутствуют внутренние слои, включающие твердую кору и сверхтекучее внешнее ядро, скорость вращения которого значительно превышает скорость вращения коры. Эти внутренние слои нейтронных звезд формируются из сверхпроводящих протонов и сверхтекучих нейтронов. Все компоненты заключены во внешнюю твердую оболочку, состоящую из электронов и ионов (кору).
В течение последнего десятилетия физики предполагали, сбои во вращении возникают из-за того, что микроскопические вихри в сверхтекучей нейтронной жидкости перемещаются во внешний слой пульсара. Это приводит к внезапной передаче углового момента из ядра в кору, вызывая ускорение вращения.
Данная гипотеза не нашла своего подтверждения. Создание модели для подобного процесса представляет собой значительную трудность. В связи с этим, исследователи нередко прибегали к упрощенным расчетам или исключали некоторые факторы.
Группа астрофизиков из Индии и Франции, возглавляемая Марком Браше ( Marc Brachet) из Высшей педагогической школы в Париже, приняв во внимание все ошибки, которые были допущены в предыдущих исследованиях, разработала комплексную компьютерную модель, дающую объяснение причине изменения частоты вращения пульсаров. Подробности этого открытия представлены в научной статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv.
По мнению ученых, возникновение глитчей обусловлено взаимодействием микроскопических вихрей, присутствующих в сверхтекучей жидкости, состоящей из нейтронов, и магнитными «трубками», представляющими собой параллельные линии с интенсивным магнитным полем ( flux tubes), эти структуры, находящиеся в слое из сверхпроводящих протонов, имеют цилиндрическую форму и образуют области пространства с магнитным полем, которое снижает скорость вихрей, вызывающих сбои.
Магнитное поле, создаваемое вращающимся слоем сверхпроводящих протонов, влияет на распределение поля внутри «трубок», приводя к образованию однородного магнитного поля. Это, в свою очередь, вызывает притяжение между микроскопическими вихрями, находящимися в сверхтекучей нейтронной жидкости, и магнитными «трубками». При воздействии мощного внешнего магнитного поля «трубки» фиксируются на коре, в то время как микроскопические вихри покидают сверхтекучую нейтронную жидкость, что влечет за собой изменение углового момента коры и ее ускоренное раскручивание, или увеличение частоты вращения пульсара.
В компьютерном моделировании, проведенном Браше и его соавторами, использовалось лишь незначительное количество вихрей – всего несколько десятков. Это довольно скромный показатель для подтверждения выдвинутой гипотезы, поскольку в реальных пульсарах обычно циркулирует около 10 триллионов вихрей. Тем не менее, полученные в новом исследовании данные оказались согласованы с результатами наблюдений за пульсарами, выполненными другими научными коллективами. Это свидетельствует о том, что астрофизики из Индии и Франции определили ключевые компоненты, необходимые для возникновения глитча».
Благодаря этому открытию станет возможнее понять устройство пульсаров и получить дополнительные сведения о физических явлениях, происходящих внутри них.
Сейчас Браше и его коллеги планируют усовершенствовать свои симуляции и использовать их для исследования других необъясненных явлений, связанных с пульсарами, в частности, внезапных изменений в их магнитных характеристиках.