14.06.2018

Излучение пульсара может линзироваться веществом, содранным со звезды-компаньона

Ученые, работающие на 300-метровом радиотелескопе в Аресибо (Пуэрто-Рико), исследовали излучение от одного из миллисекундных радиопульсаров, относящегося к классу «черных вдов». Постепенно разрушая своим мощным ветром маломассивную звезду-компаньона, этот пульсар создает плазменную оболочку вокруг двойной системы, которая, в свою очередь, действует наподобие неоднородного «стекла», собранного будто бы из множества линз. Эти линзы позволили рассмотреть пульсар детальнее и подтвердить, например, что его излучение действительно рождается в двух разных областях.

По своей физической природе радиопульсары (или просто пульсары, так как часто под этими терминами понимают одно и то же) это — нейтронные звезды (см. главу из книги С. Попова «Суперобъекты»). Последние, в свою очередь, являются «останками» достаточно массивных (в 10–40 раз тяжелее Солнца) обычных звезд — голубых гигантов. В таких звездах термоядерное горючее исчерпывается всего лишь за несколько миллионов (десятков миллионов) лет, в результате чего его ядро коллапсирует до размеров 20–30 километров, а оболочка разлетается со сверхвысокими скоростями: происходит вспышка сверхновой. Сколлапсировавшее ядро становится нейтронной звездой. При средней массе в 1,5 солнечных и при своих крайне малых, по сравнению с «обычными» звездами, размерах, нейтронные звезды оказываются самыми плотными, самыми замагниченными, самыми яркими (в смысле яркостной температуры), самыми быстрыми (из-за асимметричности взрыва сверхновой) и — по сумме всех этих качеств — самыми загадочными объектами Галактики.

А еще нейтронные звезды очень быстро вращаются. Так, пульсар B1957+20, о котором пойдет речь дальше, совершает более 600 оборотов в секунду. Быстрое вращение также является следствием коллапса ядра звезды-прародительницы: в этом процессе сохраняется момент импульса. И важно то, что в наблюдениях можно непосредственно измерять периоды вращения этих объектов.

Дело в том, что из-за своего сильного дипольного магнитного поля радиоизлучение нейтронной звезды не изотропно, а направлено преимущественно вдоль ее магнитной оси — получаются два «луча». Если наблюдатель удачно расположен, то нейтронная звезда, вращаясь, один или два раза за оборот вокруг своей оси светит на него своим лучом (как морской маяк, рис. 2). В результате наблюдатель «видит» радиоисточник импульсного излучения (в среднем частота импульсов составляет один раз в секунду, но у некоторых пульсаров частота гораздо выше — сотни раз в секунду). За это такие источники и назвали пульсарами.

Несложно догадаться, что если ось вращения пульсара почти перпендикулярна его магнитной оси и он «задевает» своим лучом Землю, то мы будем видеть два импульса за период, попеременно наблюдая северный и южный магнитный полюса звезды. Более сильный называют главным импульсом, более слабый — интеримпульсом. Именно такая ситуация реализуется у B1957+20 — это как раз один из пульсаров с интеримпульсом.

Пульсары могут находиться в двойных системах, если у их звезды-прародительницы был более легкий (по сравнению с этой звездой) компаньон маломассивный, (который, соответственно, эволюционировал медленнее). По удачному совпадению пульсар B1957+20 находится в двойной системе. И даже гораздо интереснее! Компаньон этого пульсара — легкий коричневый карлик (этакий пере-Юпитер), находящийся на расстоянии всего в пару миллионов километров от пульсара. До взрыва сверхновой он, вероятно, мог претендовать на звание горячего юпитера и приблизился к массивной звезде еще сильнее из-за трения о ее протяженную, хоть и разреженную, атмосферу.

Под действием сильного магнитного (и индуцированного им электрического) полей с поверхности нейтронной звезды во все стороны постоянно вырываются потоки релятивистских заряженных частиц — так называемый пульсарный ветер. Эти частицы уносят энергию вращения нейтронной звезды, но они же сильно воздействуют и на атмосферу ее компаньона: пульсарный ветер понемногу «сдувает» верхние слои коричневого карлика и со временем сможет развеять его по космическому пространству целиком. Пульсар, по сути, понемногу уничтожает своего соседа, за что и был прозван «Черной Вдовой» (Black Widow Pulsar). На сегодняшний день известно уже несколько подобных систем, но B1957+20 был открыт первым 30 лет назад.

Истекающее вещество коричневого карлика ионизуется под воздействием пульсарного ветра, превращаясь в плазму, окружающую всю систему. При этом орбиту, по которой оба тела системы обращаются вокруг общего центра масс, мы видим почти что с ребра. В результате, с точки зрения земного наблюдателя пульсар в ходе своего орбитального движения то оказывается впереди этого плазменного «кокона», то позади него. То есть в этой системе имеют место своего рода затмения: радиоизлучение от пульсара на пути к наблюдателю периодически проходит сквозь кокон, который выступает в роли экрана.

А этот плазменный экран, будучи неоднородным, действует на радиоизлучение пульсара как стекло плохого качества на свет. Отдельные его области по-разному преломляют радиоизлучение, которое в результате может то ярчать, то, наоборот, угасать по мере того, как источник проходит за экраном. Попробуйте поводить фонариком за толстым неоднородным стеклом — вам будет казаться, что свет от фонарика мерцает при его перемещении.

Поэтому иногда видимая яркость импульсов от пульсара B1957+20 может очень сильно возрастать на короткое время — в те моменты, когда он, двигаясь по орбите вокруг центра масс системы, оказывается особенно удачно расположенным относительно наблюдателя.

Такие повышения яркости и были зарегистрированы в ходе наблюдательной кампании 2014 года на телескопе в Аресибо. Причем зарегистрированы, в общем, случайно. Авторы изначально хотели исследовать так называемые гигантские импульсы от этого пульсара — при таких импульсах в некоторые отдельные (единичные) периоды на короткий промежуток времени поток радиоизлучения от пульсара возрастает в тысячу и более раз. Гигантские импульсы — феномен, хорошо известный среди пульсаров вообще, хотя их природа (как и вообще детали механизма радиоизлучения пульсаров) остается пока еще неясной. Работу по гигантским импульсам от B1257+20 те же авторы опубликовали еще год назад (R. Main et al., 2017. Descattering of Giant Pulses in PSR B1957+20).

Однако, вместе с гигантскими импульсами, авторы обнаружили и другие очень яркие импульсы, которые, правда, были не похожи на «стандартные» гигантские. Во-первых, их яркость была больше яркости обычных импульсов лишь в 20–40 раз (против ~1000 раз для гигантских). Во-вторых, наблюдались целые серии этих «квазигигантских» импульсов, следующих друг за другом (рис. 3). В-третьих, в таких событиях поток излучения усиливался в течение всего периода, в то время как гигантские импульсы — очень короткие события, длительностью менее одной микросекунды. Причем, что интересно, эти странные импульсы наблюдались именно тогда, когда он только-только скрывался за плазменным экраном в системе или начинал из-за него появляться. Что и позволило сделать предположение, что это явление вызвано эффектом электромагнитного линзирования на неоднородностях экрана, а спектральные исследования этих событий позволили подтвердить эту догадку.

Почему обнаружение этого явления важно? Картина поярчания импульсов от пульсара (изменение яркости от импульса к импульсу, изменение структуры импульса и т. д.) зависит как от расположения отдельных «линз», так и от строения излучающей области пульсара. И вообще от того, как устроена его магнитосфера. А это может оказаться важным ключом к пониманию механизма его радиоизлучения, который, напомню, до сих пор до конца не понятен. Заодно проведенные наблюдения дали очень красивый результат: удалось впервые напрямую зафиксировать, что пульсар действительно имеет две излучающих области. Дело в том, что свет от двух лучей пульсара преломлялся через плазменный экран по-разному и в результате главный импульс и интеримпульс изменялись неодинаково. Это можно сравнить с первыми фотографиями обратной стороны Луны: конечно, никто не сомневался в том, что она существует, но увидеть ее непосредственно было очень важно.

Кроме того, короткие поярчания излучения в радиодиапазоне могут иметь отношение к так называемым быстрым радиовсплескам (Fast radio bursts, FRB). Это — одиночные (за исключением одного источника — FRB121102) короткие (длительностью несколько миллисекунд) и очень яркие вспышки радиоизлучения. Их механизм тоже по сей день неясен, однако они, скорее всего, имеют внегалактическую природу. Механизм усиления радиоизлучения, рассмотренный в обсуждаемой работе, может быть применен и к FRB, если те возникают близко к неоднородной среде: это может дополнительно усилить их наблюдаемую яркость и придать более сложную структуру.

Подготовлено по материалам: Robert Main, I-Sheng Yang, Victor Chan, Dongzi Li, Fang Xi Lin, Nikhil Mahajan, Ue-Li Pen, Keith Vanderlinde & Marten H. van Kerkwijk. Pulsar emission amplified and resolved by plasma lensing in an eclipsing binary // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0133-z.

Антон Бирюков

Источники:

1. elementy.ru