Астрофизики получили изображения быстро затухающего излучения от пульсаров после мощных вспышек, что соответствует переходу в режим пропеллера. Это явление, предсказанное в теории более 40 лет назад, было впервые достоверно зафиксировано.
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.
Пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 относятся к уникальной группе объектов — вспыхивающих рентгеновских пульсар, или транзиентных источников. Их рентгеновская эмиссия характеризуется чередованием периодов слабого свечения, ярких вспышек и полного исчезновения. Наблюдения за изменениями их состояния позволяют определить характеристики магнитных полей и температуры окружающей материи. Эти параметры настолько велики, что их невозможно измерить и получить непосредственно в лабораторных условиях на Земле.
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, характеризующаяся мощным магнитным полем. Нейтронная звезда способна образовывать систему с обычной звездой, захватывая при этом её вещество, что астрофизики описывают как аккрецию. Газ формирует спиральный диск вокруг нейтронной звезды и замедляется на границе её магнитосферы. При этом небольшое количество вещества проникает внутрь магнитосферы, «замораживается» в ней и направляется по магнитным линиям к полюсам. Достигая магнитных полюсов, оно нагревается до температур, достигающих сотен миллионов градусов, и испускает излучение в рентгеновском диапазоне.
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, чтобы материя перетекала с обычной звезды на нейтронную. При этом обычная звезда может быть гигантом или сверхгигантом, характеризующимся мощным звёздным ветром, выбрасывающим значительное количество вещества в окружающее пространство. Альтернативным вариантом является небольшая звезда, схожая с Солнцем, которая заполнила свою зону Роша — область, за пределами которой вещество уже не удерживается гравитацией звезды и переходит под влияние гравитации нейтронной звезды.
Рентгеновские пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 характеризуются нестабильным излучением, проявляющимся во вспышках, что связано с их необычными звёздами-компаньонами, относящимися к классу Ве. Ве-звезда обладает высокой скоростью вращения вокруг своей оси, что приводит к периодическому образованию газового диска вдоль экватора — явление, при котором происходит «поднятие юбки». В результате этого звезда заполняет полость Роша. Газ начинает быстро аккрецировать на нейтронную звезду, что вызывает резкое увеличение интенсивности излучения и вспышку. Со временем «юбка» разрушается, аккреционный диск истощается, и вещество уже не может падать на нейтронную звезду под воздействием магнитного поля и центробежных сил. Возникает так называемый «эффект пропеллера». В этом режиме аккреция прекращается, и рентгеновский источник становится неактивным.
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».