«Випромінювання пульсара може лінзуватися речовиною, здертою з зірки-компаньйона»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 53

Ріс. 1. Художнє зображення системи пульсара B1957 + 20, яке, однак, відповідає фізичним процесам, що протікають у ній. Біла точка ліворуч — пульсар (якщо зобразити його в правильному масштабі, то його не буде видно на цьому зображенні). Радіальними променями позначений пульсарний вітер. Праворуч — коричневий карлик, що втрачають верхні шари своєї атмосфери, які поступово здуваються пульсарним вітром. Малюнок з сайту en.wikipedia.org

Вчені, які працюють на 300-метровому радіотелескопі в Аресібо (Пуерто-Рико), досліджували випромінювання від одного з мілісекундних радіопульсарів, що відноситься до класу «чорних вдів». Поступово руйнуючи своїм потужним вітром маломасивну зірку-компаньйона, цей пульсар створює плазмову оболонку навколо подвійної системи, яка, своєю чергою, діє на зразок неоднорідного «скла», зібраного нібито з безлічі лінз. Ці лінзи дозволили розглянути пульсар детальніше і підтвердити, наприклад, що його випромінювання дійсно народжується в двох різних областях.

За своєю фізичною природою радіопульсари (або просто пульсари, оскільки часто під цими термінами розуміють одне і те ж) це — нейтронні зірки (див. розділ з книги С. Попова «Супероб’єкти»). Останні, в свою чергу, є «останками» досить масивних (в 10-40 разів важче Сонця) звичайних зірок — блакитних гігантів. У таких зірках термоядерне пальне вичерпується всього лише за кілька мільйонів (десятків мільйонів) років, в результаті чого його ядро колапсує до розмірів 20-30 кілометрів, а оболонка розлітається з надвисокими швидкостями: відбувається спалах наднової. Ядро, що зколапсувало, стає нейтронною зіркою. При середній масі в 1,5 сонячних і при своїх вкрай малих, порівняно зі «звичайними» зірками, розмірах, нейтронні зірки виявляються найщільнішими, наймагнічнішими, найяскравішими (в сенсі яскравої температури), найшвидшими (через асиметричність вибуху наднової) і — за сумою всіх цих якостей — найзагадковішими об’єктами Галактики.

А ще нейтронні зірки дуже швидко обертаються. Так, пульсар B1957 + 20, про який піде мова далі, здійснює більше 600 обертів в секунду. Швидке обертання також є наслідком колапсу ядра зірки-прабатьківниці: у цьому процесі зберігається момент імпульсу. І важливо те, що в спостереженнях можна безпосередньо вимірювати періоди обертання цих об’єктів.

Ріс. 2. Схема виникнення окремих імпульсів від анізотропно випромінюючої нейтронної зірки. Анімація з сайту ligo.org

Справа в тому, що через своє сильне дипольне магнітне поле радіовипромінювання нейтронної зірки не ізотропне, а спрямоване переважно вздовж її магнітної осі — виходять два «промені». Якщо спостерігач вдало розташований, то нейтронна зірка, обертаючись, один або два рази за оборот навколо своєї осі світить на нього своїм променем (як морський маяк, рис. 2). У результаті спостерігач «бачить» радіоджерело імпульсного випромінювання (в середньому частота імпульсів становить один раз на секунду, але у деяких пульсарів частота набагато вища — сотні разів на секунду). За це такі джерела і назвали пульсарами.

Нескладно здогадатися, що якщо вісь обертання пульсара майже перпендикулярна його магнітній осі і він «зачіпає» своїм променем Землю, то ми будемо бачити два імпульси за період, поперемінно спостерігаючи північний і південний магнітний полюси зірки. Більш сильний називають головним імпульсом, більш слабкий — інтерімпульсом. Саме така ситуація реалізується у B1957 + 20 — це якраз один з пульсарів з інтерімпульсом.

Пульсари можуть перебувати в подвійних системах, якщо у їхньої зірки-прабатьківниці був більш легкий (порівняно з цією зіркою) компаньйон маломасивний, (який, відповідно, еволюціонував повільніше). За вдалим збігом пульсар B1957 + 20 знаходиться в подвійній системі. І навіть набагато цікавіше! Компаньйон цього пульсара — легкий коричневий карлик (етакий пере-Юпітер), що знаходиться на відстані всього в пару мільйонів кілометрів від пульсара. До вибуху надновий він, ймовірно, міг претендувати на звання гарячого юпітера і наблизився до масивної зірки ще сильніше через тертя про її протяжну, хоч і розріджену, атмосферу.

Під дією сильного магнітного (та індукованого ним електричного) полів з поверхні нейтронної зірки на всі боки постійно вириваються потоки релятивістських заряджених частинок — так званий пульсарний вітер. Ці частинки забирають енергію обертання нейтронної зірки, але вони ж сильно впливають і на атмосферу її компаньйона: пульсарний вітер потроху «здуває» верхні шари коричневого карлика і з часом зможе розвіяти його по космічному простору цілком. Пульсар, по суті, потроху знищує свого сусіда, за що і був прозваний «Чорною Вдовою» (Black Widow Pulsar). На сьогоднішній день відомо вже кілька подібних систем, але B1957 + 20 був відкритий першим 30 років тому.

Витікаюча речовина коричневого карлика іонізується під впливом пульсарного вітру, перетворюючись на плазму, що оточує всю систему. При цьому орбіту, по якій обидва тіла системи поводяться навколо загального центру мас, ми бачимо майже що з ребра. В результаті, з точки зору земного спостерігача пульсар в ході свого орбітального руху то виявляється попереду цього плазмового «кокона», то — позаду нього. Тобто в цій системі мають місце свого роду затемнення: радіовипромінювання від пульсара на шляху до спостерігача періодично проходить крізь кокон, який виступає в ролі екрану.

А цей плазмовий екран, будучи неоднорідним, діє на радіовипромінювання пульсара як скло поганої якості на світло. Окремі його області по-різному ламають радіовипромінювання, яке в результаті може то яскравіти, то, навпаки, згасати в міру того, як джерело проходить за екраном. Спробуйте поводити ліхтариком за товстим неоднорідним склом — вам буде здаватися, що світло від ліхтарика мерехтить при його переміщенні.

Тому іноді видима яскравість імпульсів від пульсара B1957 + 20 може дуже сильно зростати на короткий час — в ті моменти, коли він, рухаючись по орбіті навколо центру мас системи, виявляється особливо вдало розташованим відносно спостерігача.

Ріс. 3. Криві блиску окремих імпульсів пульсара B1957 + 20. Вертикальна вісь — потік («яскравість»), горизонтальна вісь — фаза обертання нейтронної зірки в частках періоду (від 0 до 1). а — так званий середній імпульс — крива, отримана усередненням багатьох окремих імпульсів і посилена по амплітуді в 50 разів. Його зручно порівнювати з кривими блиску окремих послідовних імпульсів, що відповідають різним моментам проходження пульсара за плазмовим «екраном», показаних на графіках b-d (на кожному з них — серія з 15 послідовних імпульсів). На цих графіках масштаб вертикальної осі збігається з масштабом на графіці а. Видно, що яскравість окремих імпульсів може бути в десятки разів більшою, ніж у «звичайних» імпульсів. Також видно, що головний імпульс (фаза обертання ауд 0,8) змінюється не узгоджено з інтерімпульсом (фаза ауд 0,3), що пояснюється різними оптичними шляхами випромінювання, що прийшло від північного і південного магнітних полюсів пульсара. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Такі підвищення яскравості і були зареєстровані під час спостережної кампанії 2014 року на телескопі в Аресібо. Причому зареєстровані, загалом, випадково. Автори спочатку хотіли дослідити так звані гігантські імпульси від цього пульсара — при таких імпульсах в деякі окремі (поодинокі) періоди на короткий проміжок часу потік радіовипромінювання від пульсара зростає в тисячу і більше разів. Гігантські імпульси — феномен, добре відомий серед пульсарів взагалі, хоча їх природа (як і взагалі деталі механізму радіовипромінювання пульсарів) залишається поки ще неясною. Роботу за гігантськими імпульсами від B1257 + 20 ті ж автори опублікували ще рік тому (R. Main et al., 2017. Descattering of Giant Pulses in PSR B1957+20).

Однак, разом з гігантськими імпульсами, автори виявили й інші дуже яскраві імпульси, які, щоправда, були не схожі на «стандартні» гігантські. По-перше, їх яскравість була більше яскравості звичайних імпульсів лише в 20-40 разів (проти ауд 1000 разів для гігантських). По-друге, спостерігалися цілі серії цих «квазігантських» імпульсів, наступних один за одним (рис. 3). По-третє, в таких подіях потік випромінювання посилювався протягом усього періоду, в той час як гігантські імпульси — дуже короткі події, тривалістю менше однієї мікросекунди. Причому, що цікаво, ці дивні імпульси спостерігалися саме тоді, коли він тільки-тільки переховувався за плазмовим екраном в системі або починав через нього з’являтися. Що і дозволило зробити припущення, що це явище викликано ефектом електромагнітного лінзування на неоднорідностях екрану, а спектральні дослідження цих подій дозволили підтвердити цю здогадку.

Чому це явище важливе? Картина поярчування імпульсів від пульсара (зміна яскравості від імпульсу до імпульсу, зміна структури імпульсу тощо) залежить як від розташування окремих «лінз», так і від будови випромінюючої області пульсара. І взагалі від того, як влаштована його магнітосфера. А це може виявитися важливим ключем до розуміння механізму його радіовипромінювання, який, нагадаю, досі до кінця не зрозумілий. Заодно проведені спостереження дали дуже красивий результат: вдалося вперше напряму зафіксувати, що пульсар дійсно має дві випромінювальних області. Справа в тому, що світло від двох променів пульсара ламалося через плазмовий екран по-різному і в результаті головний імпульс та інтерімпульс змінювалися неоднаково. Це можна порівняти з першими фотографіями зворотного боку Місяця: звичайно, ніхто не сумнівався в тому, що вона існує, але побачити її безпосередньо було дуже важливо.

Крім того, короткі поярчання випромінювання в радіодієстоні можуть мати відношення до так званих швидких радіовсплісок (Fast radio bursts, FRB). Це — одиночні (за винятком одного джерела — FRB121102) короткі (тривалістю кілька мілісекунд) і дуже яскраві спалахи радіовипромінювання. Їх механізм теж донині не зрозумілий, однак, вони, швидше за все, мають позагалактичну природу. Механізм посилення радіовипромінювання, розглянутий в обговорюваній роботі, може бути застосований і до FRB, якщо ті виникають близько до неоднорідного середовища: це може додатково посилити їх яскравість і надати більш складну структуру.

Джерело: 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 Бірюков