Российские астрофизики обнаружили нейтронную звезду с необычной структурой магнитного поля — Naked Science
05.11.2019
15 минут
ФизТех
975

Российские астрофизики обнаружили нейтронную звезду с необычной структурой магнитного поля

Ученые из МФТИ совместно с коллегами обнаружили систему с необычной нейтронной звездой, чье магнитное поле регистрируется только в тот момент, когда звезда поворачивается к наблюдателю определенным образом.

Пульсар
Пульсар / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

Астрофизики из Института космических исследований РАН, МФТИ и Пулковской обсерватории РАН обнаружили систему с необычной нейтронной звездой, чье магнитное поле регистрируется только в тот момент, когда звезда поворачивается к наблюдателю определенным образом. 

До этого открытия были известны два типа систем: в одних магнитное поле регистрируется в излучении от звезды постоянно, а в других — не регистрируется вовсе. Объект, исследованный учеными, приоткрывает «окно» к внутреннему строению магнитного поля нейтронной звезды только на определенной фазе вращения. Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Нейтронная звезда в системе GRO J2058+42 была открыта почти четверть века назад американской обсерваторией Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) и принадлежит к особому классу — вспыхивающим (или транзиентным) рентгеновским пульсарам. С тех пор этот объект неоднократно наблюдался разными инструментами и на фоне своих «одноклассников» ничем особенным не выделялся. И только недавние наблюдения с помощью американской космической обсерватории NuSTAR, обладающей выдающейся комбинацией высокого энергетического разрешения (<400 эВ) и широчайшего рабочего диапазона энергий (3–79 кэВ), позволили «рассмотреть» особенности излучения этого пульсара, дающие возможность утверждать, что он претендует стать родоначальником нового семейства объектов. 

В энергетических спектрах (энергетический спектр — зависимость интенсивности излучения объекта от энергии испускаемых фотонов) источника была обнаружена линия циклотронного поглощения (циклотронная частота — частота обращения заряженной частицы — в данном случае электрона — в магнитном поле; в зависимости от внешних условий на этой частоте может наблюдаться либо избыток излучения, либо избыток поглощения. Именно последнее и регистрируется в спектрах рентгеновских пульсаров, позволяя напрямую измерять их магнитные поля), дающая возможность однозначно определить напряженность магнитного поля в месте ее образования. 

Само по себе это не ново, и такие особенности сегодня известны у трех десятков объектов. Уникальность сделанного российскими учеными открытия состоит в том, что спектральная особенность проявляет себя только тогда, когда нейтронная звезда повернута к наблюдателю определенным образом. 

Открыть данное явление ученым удалось, проведя детальные «томографические» исследования системы. Для этого были сделаны рентгеновские снимки «космического пациента» с десяти ракурсов, и только на одном из них был обнаружен дефицит излучения на энергии около 10 кэВ, что соответствует напряженности магнитного поля 1012 Гаусс. Особый интерес полученному результату давала одновременная регистрация высших гармоник циклотронной линии на той же самой фазе излучения источника (рисунок 1). 



Рисунок 1. Рентгеновская «томография» пульсара GROJ2058+42. Художественное изображение аккрецирующего рентгеновского пульсара, на котором показан один из полюсов нейтронной звезды с формирующимся рентгеновским излучением (Credit: NASA/CXC/S. Lee). Стрелками показаны разные направления испускаемого сигнала и наблюдаемые спектры излучения от системы / ©The Astrophysical Journal Letters / Пресс-служба МФТИ

Нейтронные звезды — сверхплотные космические тела, имеющие радиус около 10 километров и массу, достигающую значений в 1,4–2,5 массы Солнца. Рождаются нейтронные звезды в результате вспышек сверхновых звезд, когда вещество из-за гравитации сжимается настолько сильно, что электроны фактически сливаются с протонами, и образуют нейтроны. Отсюда и получаются такие огромные массы при столь скромных размерах. 

Более того, при сжатии также сохраняется магнитный поток, и если величина магнитного поля на поверхности звезды-прародителя была порядка 1 Гс (как, например, на Земле), то после коллапса магнитное поле на поверхности нейтронной звезды достигает величин 1011–1012 Гс (что превышает величину максимально достижимого в земных лабораториях магнитного поля в десятки миллионов раз). В большинстве случаев конфигурация магнитного поля нейтронной звезды соответствует диполю, то есть существуют два полюса (как и в случае Земли, где есть северный и южный магнитные полюса). 

Некоторые нейтронные звезды могут образовывать пару с обычной звездой, вещество которой перетекает на поверхность нейтронной звезды в области магнитных полюсов (если возвращаться к аналогии с Землей, то частицы солнечного ветра «выпадают» в районе магнитных полюсов, образуя всем известное явление полярного сияния). Если ось вращения нейтронной звезды не совпадает с ее магнитной осью, то сторонний наблюдатель будет видеть периодический сигнал, как от маяка — рентгеновский пульсар. Излучение рентгеновского пульсара GRO J2058+42 не является постоянным и регистрируется только во время вспышек.

Такое поведение обусловлено присутствием рядом с ним необычной звезды-компаньона, принадлежащей классу Ве-звезд. Звезды этого класса настолько быстро вращаются вокруг своей оси, что в плоскости их экватора может образовываться газовый диск из оттекающего вещества. При прохождении нейтронной звезды через этот диск вещество начинает «перетекать» на ее поверхность, что ведет к резкому возрастанию светимости. Именно моменты таких вспышек являются идеальными для исследования физических свойств системы. 

Сложность проведенных исследований заключается в том, что вспышки в большинстве из таких систем происходят довольно редко, и их невозможно достоверно прогнозировать. Поэтому, когда случаются такие события, необходимо оперативно организовать наблюдения на космических обсерваториях. Российские ученые смогли «поймать» момент зарождения новой вспышки от GRO J2058+42 и оперативно организовать серию наблюдений космической обсерваторией NuSTAR. По результатам этих наблюдений было обнаружено, что магнитное поле проявляет себя только на определенных фазах вращения, что может свидетельствовать о его необычной конфигурации или же об особенностях геометрии системы в целом. 

Полученный результат был настолько необычен, что российские ученые обратились к американским коллегам с предложением провести дополнительные наблюдения, которые подтвердили первоначальные выводы. Неоднородности в структуре магнитного поля как обычных, так и нейтронных звезд были предсказаны на основе детальных численных расчетов (рисунок 2). 


Рисунок 2. Пример структуры магнитного поля нейтронной звезды с сильным магнитным полем (магнетара) в спокойном состоянии (вверху) и при переходе в нестабильное состояние (внизу) / ©K.Gourgouliatos et al / Пресс-служба МФТИ

До недавнего времени считалось, что такие неоднородности формируются только во время кратковременных вспышек на звездах или от магнетаров. Открытие российских ученых впервые представило доказательства того, что магнитное поле нейтронной звезды имеет существенно более сложную структуру, чем считалось ранее, и эта структура может сохранять свою форму достаточно продолжительное время, являясь одним из фундаментальных свойств того или иного объекта. 

Александр Лутовинов, профессор РАН, заместитель директора по научной работе Института космических исследований РАН, преподаватель МФТИ и один из авторов открытия, поясняет: «Одним из фундаментальных вопросов образования и эволюции нейтронных звезд является структура их магнитных полей. С одной стороны, в процессе коллапса должна сохраняться дипольная структура звезды-прародительницы, с другой, мы знаем, что даже у нашего Солнца есть локальные неоднородности магнитного поля, что, например, проявляется в солнечных пятнах.

Похожие структуры предсказываются теоретически и в случае нейтронных звезд. Это очень здорово — впервые увидеть их в реальных данных. Теоретики теперь получат новые фактические данные для моделирований, а мы — еще один инструмент для исследования параметров нейтронных звезд». 

Работа была поддержана Российским научным фондом. 

ФизТех
66 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 15:12
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

Вчера, 11:41
7 минут
Мария Азарова

Ученые проследили эволюцию небольших придонных Hemiscyllium, которые любят прогуливаться по рифам и пескам и стали отдельным видом девять миллионов лет назад.

Позавчера, 14:50
34 минуты
Александр Березин

SpaceX рассчитывает к 2050 году создать на Марсе колонию на миллион человек. Звучит абсурдно: осталось всего 30 лет, а до первого полета на Марс еще многие годы. Некоторые ученые, включая российских, считают планы Маска «фантазией» и «пропагандой». Тем не менее сама по себе постройка миллионной колонии на Красной планете вполне реальна. Разберемся, почему и отчего в это так трудно поверить остальному миру.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

19 января
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: