Краб запульсировал по-новому

Пульсар в Крабовидной туманности оказался намного более интригующим объектом, чем считалось ранее

Пульсар в Крабовидной туманности излучает гамма-кванты столь больших энергий, что это не вписывается в существующую теорию, установила международная команда астрономов.

Среди тех, кто искренне тоскует по Средневековью, найдется, как ни странно, и пара-тройка астрофизиков, мечтающих перенестись на три недельки в 1054 год н. э., когда на небе засияла сверхновая звезда SN1054, взрыв которой, наблюдавшийся даже в дневное время, зафиксирован в китайских и арабских хрониках (еще не просвещенная Европа, занятая разборками между патриархом Константинопольским Михаилом Керуларием и легатом папы римского кардиналом Гумбером, увлеченно предававшими друг друга анафеме, взрыв сверхновой проворонила).

Несколькими столетиями позже в созвездии Тельца, приблизительно на месте взрыва, была обнаружена туманность, получившая в каталоге Месье обозначение M1, а в XIX веке — название Крабовидной: первооткрывателю спиральной структуры туманностей англичанину Уильяму Парсонсу, который ее зарисовал, она напомнила краба, хотя при более пристальном рассмотрении туманность напоминает, скорее, разорванную волокнистую мочалку. Еще позже, в 1968 году, в центре Крабовидной туманности был открыт пульсар PSR B0531+21,

который стал первым пульсаром, отождествленным с остатками сверхновой.

Сначала пульсар, представляющий собой вращающуюся 30 раз в секунду нейтронную звезду диаметром 30 км, засекли в радиодиапазоне, а в 1969-м — также и в оптическом. Строго говоря, источником периодического излучения является не сама нейтронная звезда, а вторичная плазма, образованная в сильном магнитном поле бешено вертящейся звезды веществом, вырывающимся с ее поверхности. Плазма циркулирует вдоль магнитных силовых линий, которые вблизи полюсов не замкнуты. Собственно, эта «разомкнутая» плазма, удаляющаяся от звезды вдоль незамкнутых линий магнитного поля, и является постоянным источником радиоизлучения. Эффект же пульсации возникает от того, что ось вращающегося магнитного диполя не совпадает с осью вращения звезды.

С момента открытия пульсар в Крабовидной туманности, особенно ярко и стабильно излучающий в рентгеновском диапазоне, сослужил хорошую службу астрономам в качестве источника эталонного периодичного сигнала, используемого для калибровки рентгеновских детекторов радиотелескопов. Эталон даже получил название «милликраб» — единицы измерения, обозначающей плотность потока энергии в рентгеновском диапазоне (2—10 КэВ) и равной 2,4×10−14 ватт м−2.

Об очередном большом сюрпризе, который преподнес астрономам объект в созвездии Тельца спустя тысячу лет после взрыва сверхновой и полвека после открытия пульсара, на этой неделе сообщает Science,

сделавший главной темой номера открытие большой международной группы астрономов, приславшей в журнал статью «Детекция пульсирующего гамма-излучения Крабового пульсара в диапазоне выше 100 ГэВ».

Анализируя данные, полученные при наблюдении пульсара в течение четырех лет — с 2007-го по 2011 год, астрономы обнаружили, что PSR B0531+21 испускает гамма-лучи в диапазоне энергий, превышающем 100 миллиардов вольт (100—120 ГэВ), что в сотни миллиардов раз больше, чем энергия, излучаемая в оптическом диапазоне, в миллионы раз больше, чем диапазон энергий, используемый в медицинском рентгеновском оборудовании, и в десять раз больше, чем мощность гамма-импульсов, которую может применительно к пульсарам описать современная теория.

«Если бы вы спросили астрофизиков еще год назад, можно ли наблюдать гамма-импульсы таких энергий, они бы твердо ответили, что нет, это невозможно.

Просто не существует такой теории, в которую уложилось бы то, что мы открыли»,

— рассказывает один из авторов статьи Мартин Шредтер из Смитсоновского центра астрофизики.

Чтобы организовать наблюдение пульсара в диапазоне 100 ГэВ, Непомуку Отте, астроному из Университета Калифорнии в Санта-Крусе, пришлось проявить сильную настойчивость, преодолевая недоверие коллег и научных функционеров, которые, с его слов, «считали настоящим безумием наблюдать пульсар на 100 ГэВ и выше». «Но выяснилось, что настойчивость, граничащая с упрямством, дали открытие, накладывающее новые и очень сильные ограничения на теорию, описывающую механизм генерации гамма-лучей таких энергий», — с удовлетворением резюмирует астрофизик

Похоже, справочники по астрономии, в которых пульсар в Крабовидной туманности характеризуется как классический пример природного источника синхротронного излучения, действительно придется переписывать.

Синхротронное излучение, теоретически предсказанное в середине 40-х годов Дмитрием Иваненко и Исааком Паламарчуком и случайно открытое в 1947 году на синхротроне General Electric, представляет собой самополяризованное электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, летящими в искривленном магнитном поле с релятивистскими, то есть близкими к световой, скоростями.

Некоторое время (то есть до начала широкого использования синхротронных пучков для исследования взаимодействия излучения и вещества, давшего интересные результаты в технологии электромагнитного сканирования) это излучение считалось паразитным, поскольку вместе с ним теряли энергию элементарные частицы, разогнанные в ускорителе. Однако астрономам синхротронная теория очень пригодилась для описания механизма излучения пульсаров — природных ускорителей элементарных частиц, состоящих из нейтронных звезд, испаряющих вещество, разгоняемое сильным магнитным полем, вращающимся вместе со звездой.

Синхротронная теория накладывает определенные ограничения на расстояние между осью вращения нейтронной звезды и областью вращения магнитного поля и связанной с ним вторичной плазмы, испускающей электромагнитные кванты. Это расстояние носит название «радиуса светового цилиндра».

Как резюмируют авторы статьи, «только в экстремальном случае ускоряющего поля, близком к допустимым максимумам его напряженности и радиуса в пределах радиуса светового цилиндра, синхротронное излучение может достигать значений 100 ГэВ. Таким образом,

крайне маловероятно, что синхротронное излучение объясняет механизм наблюдаемой гамма-эмиссии 100 ГэВ и выше».

Впрочем, излучение в нижнем диапазоне вполне может быть и синхротронным, отмечают астрономы. Тогда «крабовый» пульсар, сочетающий разные механизмы лучевой эмиссии, представляет собой намного более сложный объект, чем считалось ранее: синхротрон плюс что-то еще, что только требуется установить.

В качестве альтернативы (или дополнения) синхротронной модели, отвечающей за диапазон ниже 100 ГэВ, они предлагают рассматривать эффект изменения длины электромагнитного излучения вследствие его взаимодействия с электронами (за открытие этого эффекта Нобелевская премия по физике в 1927 году была вручена Артуру Комптону, имя которого он носит).

Электроны в сильном магнитном поле пульсара разгоняются до таких скоростей, что их энергия оказывается выше, чем энергия фотонов.

Тогда в процессе взаимодействия возникает уже обратный эффект Комптона — увеличение частоты излучения за счет передачи энергии от электрона фотону.

Именно такой «накачкой» объясняется, например, рентгеновская составляющая реликтового фонового излучения, интенсивность которого меняется из-за взаимодействия электромагнитных квантов с высокоэнергетическим электронами разогретого межзвездного газа.

Если обратный эффект Комптона действительно имеет место в случае с наблюдаемым пульсаром (что требуется, конечно, доказать), то вещество, выбрасываемое звездой и образующее вторичную излучающую плазму, должно накачиваться в магнитном поле звезды до экстремально больших энергий. Как это происходит — пока неясно.

Ясно только, что из-за упрямства и хорошей интуиции некоторых астрономов без работы физики-теоретики не останутся.