Учёные приблизились к пониманию природы радиопульсаров

Быстровращающаяся нейтронная звезда в теории (вверху) и на практике (внизу). (Иллюстрации NASA)

Несмотря на то что радиопульсары, чрезвычайно быстровращающиеся нейтронные звёзды, были открыты почти полвека назад, в 1967 году, наши представления о них пока остаются неполными. Два недостающих звена, необходимых для сопоставления теории радиопульсаров с их наблюдениями, заключались в дополнении знаний о процессе формирования и распространения радиоизлучения. Первое звено такого соединения теории и практики — механизм образования излучения пульсара в его магнитосфере — было предложено группой учёных из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Александром Гуревичем, Яковом Истоминым и Василием Бескиным) чуть больше 20 лет назад.

«Излучение формируется в магнитосфере пульсара, в этом нет никаких сомнений, — рассказывает Яков Истомин. — Заряженные частицы, двигаясь по кривой траектории с ускорением, излучают электромагнитные волны. Но поскольку плотности в магнитосфере большие, то важно найти коллективный механизм излучения, то есть не от одной частицы, а от ансамбля. При этом излучение происходит в фазе, то есть оно когерентно, и его мощность возрастает пропорционально не числу частиц, а их квадрату. Очень важную роль играет также поляризация излучения. Двадцать с лишним лет назад нами была найдена такая неустойчивость, которая приводит к генерации излучения. Мы назвали её изгибно-плазменной».

Второе звено — то, как излучение распространяется, — необходимо было прояснить. Дело в том, что наблюдаемые параметры излучения, такие как средний профиль, поляризация, зависимости спектра от частот, определяются не только механизмом формирования излучения, но и процессом его распространения. Эти волны выходят из магнитосферы нейтронной звезды, характеризующейся очень высокой плотностью, в межзвёздную среду очень низкой плотности, и их параметры формируются именно при этом резком переходе. «Никаких принципиальных физических процессов или эффектов, которые мешали бы понять процесс распространения радиоизлучения пульсаров, нет, — комментирует проблему Василий Бескин. — Это область распространения электромагнитных волн в плазме, но просчитать, как это происходит, до сих пор никто не мог. Дело здесь исключительно в аккуратности учёта всех эффектов и, соответственно, в математической сложности расчётов».

Два года ушло у г-на Бескина и его студента из Московского физико-технического института Александра Филиппова на последовательные расчёты процесса распространения радиоизлучения. В качестве модели использовалась дополненная (и до того многократно подтверждённая) «модель полого конуса». Она заключается в том, что диаграмма направленности радиоизлучения повторяет профиль плотности вторичной электронно-позитронной плазмы, истекающей вдоль открытых магнитных силовых линий от пульсара в пространство. По внешнему виду профиль похож на полый конус, отсюда и название модели.



Схематичная модель полого конуса, на которую опирались исследователи из ФИАНа (иллюстрация АНИ «ФИАН-Информ»).

«При распространении излучения нужно учитывать много эффектов, которыми раньше пренебрегали, — поясняет Василий Бескин. — Один из моментов, которые необходимо было внести в модель, заключается в учёте двулучепреломления магнитоактивной плазмы, в результате чего волны различной поляризации могут по-разному распространяться в магнитосфере нейтронной звезды. Кроме того, до сих пор не всегда последовательно учитывалось связанное с вращением пульсара электрическое поле, которое в области формирования поляризационных характеристик выходящего излучения становится порядка магнитного. Это обусловливает вид тензора диэлектрической проницаемости, гораздо более сложный, чем в обычной плазме. В нашей работе была также выбрана реальная структура магнитного поля, а не поле невозмущённого диполя, как делалось, поскольку дипольное приближение справедливо далеко не во всей рассматриваемой области».

Электронно-позитронная плазма, рождаемая жёсткими гамма-квантами вблизи поверхности нейтронной звезды, истекает из магнитосферы пульсара вдоль магнитных силовых линий. Вот почему, чтобы знать плотность частиц в каждой точке вдоль траектории распространения радиоизлучения, нужно просчитать, как искривилась та или иная магнитная силовая линия.

По словам г-на Бескина, для определения плотности плазмы приходилось в каждой точке вдоль луча интегрировать назад вдоль магнитных силовых линий, чтобы знать, в какой области на поверхности нейтронной звезды частицы начали движение. В предыдущих работах, которые рассматривали вращение простого диполя, а также предполагали, что радиоизлучение распространяется по прямой, многие важные эффекты не могли быть учтены.

Полученные результаты, как полагают физики, помогут продвинуться в понимании природы активности пульсаров и в определении параметров истекающей плазмы. Действительно, воспользовавшись построенной количественной теорией распространения волн и анализируя наблюдаемые профили излучения конкретных радиопульсаров, можно понять, как устроена и сама магнитосфера нейтронной звезды. В настоящее время эти работы ведутся совместно с Пущинской радиоастрономической обсерваторией АКЦ ФИАН, а также группой М. Крамера, директора Института радиоастрономии имени Макса Планка (Германия).

Источник