Астрофизики объяснили, почему происходят сбои в частоте вращения пульсаров

Пульсары — космические источники импульсного магнитного излучения. Принято считать, что они представляют собой быстровращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем. Эти объекты генерируют потоки оптического, рентгеновского, радио и гамма-излучений, которые для земных наблюдателей выглядят как кратковременные вспышки излучения. Происходит это из-за вращения полюсов нейтронных звезд. Наблюдателю кажется, что излучение от звезды мигает — то исчезает, то появляется снова, причем такая «пульсация» возникает с устойчивой периодичностью.

Когда ученые стали открывать эти космические источники, они заметили одну странность. Частота вращения пульсаров иногда резко менялась, из-за чего периодичность «пульсаций» нарушалась: сперва эта частота увеличивалась, а затем восстанавливалась до исходных значений. Периоды постепенного восстановления могли длиться от нескольких часов до нескольких лет. Сбои во вращении пульсаров стали называть глитчем. 

Пока астрофизики наблюдали глитчи всего у нескольких пульсаров, среди них — PSR B0531+21 в Крабовидной туманности, на расстоянии 6,5 тысячи световых лет от Земли, и пульсар Вела, который расположен в 800 световых лет. Точная причина того, почему возникают глитчи, долгое время оставалась неизвестной. 

Предполагается, что у пульсаров есть внутренние слои, твердая кора и сверхтекучее внешнее ядро, которое вращается гораздо быстрее коры. Внутренние слои этих нейтронных звезд состоят из сверхпроводящих протонов и сверхтекучих нейтронов. Все эти слои заключены во внешнюю твердую оболочку из электронов и ионов (кора).

В течение последнего десятилетия физики предполагали, что сбои во вращении возникают, когда микроскопические вихри в сверхтекучей нейтронной жидкости перемещаются в другой внешний слой пульсара, в результате чего происходят резкая отдача углового момента от ядра к коре и, как следствие, ускорение вращения. 

Однако эта гипотеза не получила подтверждения. Смоделировать подобный процесс очень сложно. Именно поэтому ученые часто делали приблизительные расчеты или опускали некоторые переменные. 

Группа индийских и французских астрофизиков под руководством Марка Браше (Marc Brachet) из Высшей педагогической школы в Париже учла все неточности, допущенные предыдущими исследователями, и построила практически полную компьютерную модель, объясняющую причину сбоя в частоте вращения пульсаров. Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv. 

Исследователи пришли к выводу, что глитчи появляются из-за взаимодействия между микроскопическими вихрями в нейтронной сверхтекучей жидкости и магнитными «трубками» — параллельными линиям сильного магнитного поля (flux tubes), которые расположены в слое сверхпроводящих протонов. Такие «трубки» представляют собой похожую на трубку (в форме цилиндра) область пространства, содержащую магнитное поле, которое замедляет вихри, порождающие глитчи.

Вращающийся слой сверхпроводящих протонов генерирует однородное магнитное поле, которое изменяет распределение поля внутри «трубок». В результате возникает притяжение между микроскопическими вихрями в нейтронной сверхтекучей жидкости и магнитными «трубками». При сильном внешнем магнитном поле «трубки» крепятся на коре, в то время как микроскопические вихри покидают нейтронную сверхтекучею жидкость, что приводит к изменению углового момента коры — резкому ее раскручиванию, то есть к увеличению частоты вращения пульсара. 

В компьютерной модели Браше и его коллеги задействовали всего несколько десятков вихрей, что относительно мало для подтверждения гипотезы: в реальности число вихрей, находящихся в движении внутри пульсара, обычно составляет около 10 триллионов. Однако результаты нового исследования совпали с результатами наблюдений за пульсарами, которые проводили другие группы ученых. Это говорит о том, что команда астрофизиков из Индии и Франции выявила именно те необходимые для «приготовления» глитча «ингредиенты».

Открытие позволит лучше разобраться во внутреннем строении пульсаров и больше узнать о физических процессах в их недрах.

Теперь Браше с командой собирается улучшить свои симуляции и изучить с помощью них другие загадочные явления пульсаров, например резкое изменение магнитных свойств таких объектов.