Международная команда учёных построила компьютерную модель, которая позволяет отследить траектории заряженных частиц в магнитном и электрическом полях вблизи вращающейся нейтронной звезды-пульсара и выявить особенности поведения частиц, объясняющие точность временных интервалов, с которыми на Землю приходят гамма-излучение и радиоимпульсы от пульсаров.
Пульсар — это остаток массивной звезды, у которой закончилось топливо для поддержания равновесия, она сжалась под собственным тяготением вследствие гравитационного коллапса и взорвалась как сверхновая. Когда массивная звезда сжимается в шар диаметром не больше 40 км, увеличивается её скорость вращения (т.к. сохраняется момент импульса) и усиливается магнитное поле. Пульсары совершают тысячи оборотов в секунду и обладают самыми сильными магнитными полями. Сверхсильные электрические поля, которыми они обладают, могут вырывать элементарные частицы с поверхности пульсара.
Наблюдения космического гамма-телескопа Fermi, который за время своей работы зарегистрировал гамма-излучение от 216 пульсаров, показали, что источник гамма-квантов находится дальше от нейтронной звезды, чем источник радиоимпульсов.
Различные физические процессы указывают на то, что большинство частиц вокруг пульсара являются либо электронами, либо их аналогами из антивещества, позитронами. Всего в нескольких сотнях метров над магнитным полюсом пульсара энергия электронов, вырванных с поверхности, может равняться энергии, получаемой на самых мощных ускорителях частиц на Земле. В 2009 году Fermi обнаружил мощные гамма-всплески от пульсара в Крабовидной туманности, которые указывают на присутствие электронов с энергиями, в тысячу раз большими.
Ускоренные электроны порождают гамма-кванты в ходе процесса, называемого изгибным излучением (возникающим при движении заряженных частиц вдоль искривлённых силовых линий магнитного поля). В свою очередь, при взаимодействии гамма-кванта с магнитным полем, он превращается в пару частиц: электрон и позитрон.
Чтобы пронаблюдать поведение и измерить энергию этих частиц, учёные использовали новую модель пульсара, названную «пульсар в ячейке» (PIC).
Модель позволяет исследовать пульсар на чисто теоретической основе. В ней учёные вводят электроны и позитроны на поверхность вращающегося намагниченного пульсара и отслеживают, как они взаимодействуют с полями и куда направляются. Процесс требует большой вычислительной мощности, потому что все частицы в модели движутся с околосветовыми скоростями.
Моделирование показывает, что большинство электронов отделяется от поверхности пульсара на магнитных полюсах. Позитроны, с другой стороны, в основном отделяются на более низких широтах, образуя относительно тонкую структуру, называемую токовым слоем (область, в которой изменяется полярность магнитного поля). Фактически позитроны, обладающие наибольшей энергией — менее 0,1% от общего числа частиц — способны создавать гамма-лучи, подобные тем, которые фиксирует Fermi.
Некоторые из этих частиц получают огромную энергию внутри токового слоя. В процессе изменения полярности накопленная магнитная энергия преобразуется в тепло и ускоряет частицы.
Некоторые электроны со средней энергией ведут себя довольно странно — они рассеиваются в разные стороны, в том числе по направлению к пульсару.
Частицы, которые вырвались с поверхности пульсара, формируют плазму, которая начинает двигаться вместе с магнитным полем. По мере вращения пульсара оно изгибается и расширяется. Скорость вращения возрастает с расширением, но это продолжается так долго, что материя уже не может перемещаться со скоростью света.
Однако существует модель, в которой это возможно. Астрономы называют её световым цилиндром. Это тело, в котором плазма находится на таком расстоянии от оси вращения пульсара, при котором скорость вращения тела достигает скорости света. Световой цилиндр является областью резкого изменения состояния частиц. Внутри этой области электроны должны внезапно замедляться, многие при этом рассеются. Другие могут пройти мимо светового цилиндра и улететь в космос.
Исследование проводилось Центром космических полётов имени Годдара NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, и Университетом Милана. Моделирование проходило на суперкомпьютере Discover в Центре климатического моделирования NASA в Годдарде и суперкомпьютере Pleiades в Исследовательском центре NASA Ames в Кремниевой долине, штат Калифорния.
Источник: phys.org
Перевод: Ольга Шатерникова