Астрофизики разработали теорию, объясняющую радиоизлучение пульсаров

Группа российских астрофизиков из Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург) разработала теорию, объясняющую механизм излучения пульсаров в радиодиапазоне.

Пульсарами называют космические источники периодически изменяющегося излучения (оно имеет «пульс»). Оно может быть в оптическом, рентгеновском, радио- и гамма-диапазоне. Астрономы считают, что пульсары — это нейтронные звезды с сильным магнитным полем, которое наклонено по отношению к оси вращения, поэтому излучение получается пульсирующим. Это общее описание, точный механизм радиоизлучения еще не установлен.

Опубликованная в The Astrophysical Journal статья исследовательской группы под руководством Н. Теплякова предлагает объяснение, хорошо совпадающее с наблюдаемыми особенностями излучения в радиодиапазоне. Радиоизлучение пульсаров имеет особенность: оно всегда происходит на одной и той же частоте (когерентно).

Существует несколько гипотез объяснения механизма излучения, но разработанная петербургскими учеными модель обладает большей точностью и понятным физическим смыслом. Предполагают, что радиоволны излучаются при переходе электронов между энергетическими уровнями, которые образуются при взаимодействии двойного электрического слоя с гравитационным притяжением.

Двойной слой заряженных частиц возникает на верхней «поверхности» — или «атмосфере» — пульсара, которая состоит из плазмы. Гравитационное поле нейтронной звезды настолько сильно, что заряженные частицы распределяются по массе относительно поверхности: тяжелые ионы притягиваются сильнее, а наружу «всплывают» легкие электроны. В результате формируется разделение не только по массе, но и по заряду частиц: образуется двойной электрический слой. На электроны действуют две силы: с одной стороны, они отталкиваются от отрицательно заряженного слоя, с другой — существует мощное гравитационное притяжение, поэтому улететь в космическое пространство они не могут.

Стремясь к состоянию с минимумом потенциальной энергии, электроны попадают в потенциальную яму, где формируются определенные связанные энергетические состояния. Расстояние между энергетическими уровнями зависит от силы гравитации и в среднем для пульсаров равно 1,7×10⁻⁶ электронвольт, что соответствует радиоизлучению в области 400 мегагерц.

Когерентность излучения объясняют именно переходами между уровнями: расстояние между ними постоянно.

Объясняют и направленность излучения. Магнитное поле пульсара очень мощное и влияет на электроны сильнее гравитационного. И описанный механизм работает лишь около полюсов, где магнитное поле однородно и направлено перпендикулярно поверхности, как и магнитное. Также необходимо учитывать уровни Ландау, которые может занимать заряженная частица при движении поперек магнитного поля. Электрическое поле звезды должно быть направлено параллельно поверхности, чтобы не возникло локальных нарушений энергетических уровней.

В результате переходы между соседними гравитационными уровнями в рамках одного уровня Ландау приводят к электродипольному излучению, распределенному перпендикулярно направлению магнитного поля, параллельно поверхности нейтронной звезды. Это излучение линейно поляризировано и имеет веерообразный угловой спектр.

Второй возможный тип перехода — между гравитационными и магнитными уровнями одновременно. При этом возникает магнитно-дипольное излучение вдоль оси звезды, имеющее эллиптическую поляризацию. Этот вариант возможен для пульсаров со сравнительно слабым магнитным полем, менее 10¹¹ гауссов, так как для его реализации требуется значительное заполнение уровней Ландау.

Теория может помочь в объяснении нестандартных для радиопульсаров ситуаций.