Интернациональная команда астрофизиков, в которую входили российские ученые 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 принадлежат к особому типу источников — вспыхивающим (или транзиентным) рентгеновским пульсарам. Они то слабо светятся в рентгеновском диапазоне, то ярко вспыхивают, а то и совсем пропадают. По тому, как пульсары переходят из одного состояния в другое, можно судить об их магнитных полях и температурах окружающего вещества. Значения этих параметров столь высоки, что их невозможно получить и измерить напрямую в земных лабораториях.
Рентгеновский пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду с сильным магнитным полем. Нейтронная звезда может образовывать пару с обычной звездой и перетягивать на себя ее газ — астрофизики называют это аккрецией. Газ спиралью закручивается вокруг нейтронной звезды, образуя аккреционный диск, и тормозится на границе магнитосферы нейтронной звезды. Вещество при этом немного проникает внутрь магнитосферы, «вмораживается» в неё и стекает по магнитным линиям к полюсам. Падая на магнитные полюса, оно разогревается до сотен миллионов градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. Так как магнитная ось нейтронной звезды находится под углом к оси вращения, рентгеновские лучи вращаются подобно лучам маяка и «с берега» выглядят как повторяющиеся сигналы с периодом от тысячных долей секунды до нескольких минут.
Чтобы в системе из двух звезд наблюдался рентгеновский пульсар, материя должна перетекать с обычной звезды на нейтронную. Обычная звезда при этом может быть гигантом или сверхгигантом и обладать мощным звездным ветром, то есть выбрасывать в космос много вещества. Или это может быть небольшая звезда наподобие Солнца, которая заполнила свою полость Роша — область, за границей которой вещество уже не удерживается силой притяжения этой звезды и перетягивается гравитацией нейтронной звезды.
Посмотреть на эти процессы можно на видео NASA про аккрецию вещества звезды-компаньона на пульсар.
Рентгеновские пульсары 4U 0115+63 и V 0332+53 излучают так нестабильно (т. е. демонстрируют вспышки излучения), потому что у каждого из них довольно необычная звезда-компаньон — звезда класса Ве. Ве-звезда вращается вокруг своей оси настолько быстро, что время от времени у нее «поднимается юбка» — вдоль экватора образуется и растет газовый диск — и звезда заполняет полость Роша. Газ начинает стремительно аккрецировать на нейтронную звезду, интенсивность ее излучения резко возрастает, происходит вспышка. Постепенно «юбка» изнашивается, аккреционный диск истощается, и вещество уже не может падать на нейтронную звезду из-за влияния магнитного поля и центробежных сил. Возникает так называемый «эффект пропеллера». В таком режиме аккреция не происходит и рентгеновский источник пропадает.
В астрономии используется термин «светимость», то есть полная энергия, излучаемая небесным телом в единицу времени. Пороговая светимость для источника 4U 0115+63 показана красной линией. Для другого источника (V 0332+53) наблюдается аналогичная картина. Там, где проведены синие линии, расстояние между пульсаром и оптической звездой минимально. В таком положении режим аккреции может временно возобновляться при наличии достаточного количества вещества, что хорошо видно на рисунке
С помощью рентгеновского телескопа на космической обсерватории Swift российские ученые смогли измерить пороговую интенсивность излучения, то есть, светимость, ниже которой пульсар переходит в «режим пропеллера». Эта величина зависит от магнитного поля и от периода вращения пульсара. Период вращения исследуемых источников известен по измерению времени прихода излучаемых ими импульсов — 3,6 сек для 4U 0115+63 и 4,3 сек для V 0332+53, что позволило рассчитать напряженность магнитного поля. Результаты совпали со значениями, полученными другими методами. Однако светимость пульсаров упала не в 400 раз, как ожидалось, а всего лишь в 200 раз. Авторы предположили, что либо нагретая вспышкой поверхность нейтронной звезды охлаждается и тем самым служит дополнительным источником излучения, либо эффект пропеллера не может полностью заблокировать перетекание вещества от обычной звезды и существуют другие каналы «утечки».
Переход в режим пропеллера является очень трудно уловимым, поскольку в этом режиме пульсар почти не излучает. Во время прошлых вспышек источников 4U 0115+63 и V 0332+53 уже была попытка поймать этот переход, но из-за низкой чувствительности доступных на тот момент приборов «выключенное состояние» засечь не удалось. Достоверное подтверждение тому, что эти пульсары действительно «выключаются», получено только сейчас. Более того, показано, что информация о переходе в «режим пропеллера» может быть использована для определения напряженности и структуры магнитного поля нейтронных звезд.
Александр Лутовинов, профессор РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в Институте космических исследований РАН и преподаватель МФТИ поясняет: «Одним из фундаментальных вопросов образования и эволюции нейтронных звезд является структура их магнитных полей. В процессе исследования мы определили для двух нейтронных звезд дипольную составляющую магнитного поля, которая как раз отвечает за эффект пропеллера. Мы показали, что эту независимо полученную величину можно сравнить с величиной магнитного поля, уже известной по измерениям циклотронных линий, и таким образом оценить вклад других составляющих более высокого порядка, которые входят в структуру поля».
Все иллюстрации пресс-службы МФТИ.
