Рекордные фотоны заставили астрономов пересмотреть природу излучения от пульсаров

Когда у массивных звезд заканчивается «топливо», они вспыхивают сверхновыми, а после сжимаются, превращаясь в нейтронную звезду — маленькую, но массивную.

«Эти мертвые звезды почти целиком состоят из нейтронов, и они невероятно плотные: чайная ложка их вещества по массе больше пяти миллиардов тонн», — объяснила одна из соавторов нового исследования Эмма де Онья Вильгельми (Emma de Oña Wilhelmi), ученый из обсерватории H.E.S.S. Другое сравнение, которое часто приводят: один «сахарный кубик» вещества нейтронной звезды на Земле будет весить как гора.

Так как эти космические объекты образуются из звезд, во Вселенной их довольно много, но они настолько маленькие (все — менее 30 километров в диаметре) и тусклые, что современные инструменты их не видят. За исключением некоторых случаев. Большинство нейтронных звезд, которые мы можем наблюдать, — пульсары.

Пульсары, как «космические маяки», с постоянной периодичностью «облучают» нашу систему. По этим вспышкам излучения астрономы и ищут эти объекты. Ученые считают, что причина вспышек — мощная магнитосфера, окружающая пульсары. Она разгоняет электроны и выбрасывает их потоками из полюсов объекта. А так как звезда вращается, эти потоки, как свет маяка, с постоянной периодичностью проскакивают по Земле — и радиоастрономы их видят.

Самый яркий пульсар в радиодиапазоне — объект в созвездии Парусов. Он же самый яркий постоянный источник космических гамма-лучей с энергией, исчисляемой гигаэлектронвольтами (ГэВ). Он делает примерно 11 оборотов за одну секунду. Но излучения с энергией выше нескольких гигаэлектронвольт от этого пульсара нет, оно резко обрывается. Вероятно, потому что электроны долетают до границы магнитосферы пульсара и вылетают за его пределы.

И вот в данных наблюдений обсерватории H.E.S.S. ученые обнаружили фотоны еще большей энергии — в несколько десятков тераэлектронвольт. По словам авторов, это примерно в 200 раз больше, чем самое мощное излучение этого объекта за всю историю наблюдений.

Причем это излучение следует периодичности «радиомаяка» в диапазоне гигаэлектронвольт. По расчетам, чтобы достичь такой энергии, электроны должны вылетать за пределы магнитосферы. Тогда откуда возникает та же периодичность?

«Этот результат не вписывается в наши знания о пульсарах, и нужно пересмотреть наши предположения о том, как работают эти природные ускорители. Считается, что частицы разгоняются вдоль линий магнитного поля или немного за пределами магнитосферы, но такой подход не может объяснить результаты наблюдений», — отметил руководитель исследования Араче Джаннати-Атаи (Arache Djannati-Atai) из Лаборатории астрочастиц и космологии (Франция).

Они с коллегами предположили, что электроны могут разгоняться за счет перезамыкания магнитных линий и это позволяет им поддерживать периодичность. Но даже такой сценарий, по словам Джаннати-Атаи, не объясняет мощность излучения.

Теперь этот объект в созвездии Парусов — пульсар-рекордсмен. Впрочем, возможно, ненадолго. Исследование доказало работоспособность методики поиска такого излучения, и теперь астрономы обратят взоры гамма-телескопов на другие пульсары.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.