Крабовидная туманность. Фото предоставлено: НАСА
Астрофизик-теоретик из Канзасского университета, возможно, разгадал загадку, возникшую почти два десятилетия назад, связанную с происхождением необычного рисунка «зебры», наблюдаемого в высокочастотных радиоимпульсах из Крабовидной туманности.
Его результаты только что были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В центре Крабовидной туманности находится нейтронная звезда, которая превратилась в пульсар шириной 12 миль, распространяющий электромагнитное излучение по космосу.
«Излучение, напоминающее луч маяка, неоднократно проносится мимо Земли по мере вращения звезды», — сказал ведущий автор Михаил Медведев, профессор физики и астрономии КУ.
«Мы наблюдаем это как импульсное излучение, обычно с одним или двумя импульсами за оборот. Конкретный пульсар, о котором я говорю, известен как Крабовидный пульсар и расположен в центре Крабовидной туманности, на расстоянии 6000 световых лет от нас».
Крабовидная туманность — остаток сверхновой, появившейся в 1054 году.
«Исторические записи, в том числе китайские отчеты, описывают появление на небе необычайно яркой звезды», — сказал исследователь КУ.
Но в отличие от всех других известных пульсаров, говорит Медведев, пульсар в Крабе демонстрирует узор зебры — необычные запрещенные зоны в электромагнитном спектре, пропорциональные полосовым частотам, а также другие странные особенности, такие как высокая поляризация и стабильность.
«Оно очень яркое, практически во всех диапазонах волн», — сказал он. «Это единственный известный нам объект, который создает узор зебры, и он появляется только в одном излучающем компоненте пульсара в Крабе.
«Основной импульс — это широкополосный импульс, типичный для большинства пульсаров, с другими широкополосными компонентами, общими для нейтронных звезд. Однако высокочастотный промежуточный импульс уникален и составляет от 5 до 30 гигагерц — частоты, аналогичные частотам в микроволновой печи».
Поскольку эта закономерность была обнаружена в статье 2007 года, исследователь KU сказал, что эта закономерность оказалась «озадачивающей» следователей.
Медведев смоделировал дифракцию волн в круглой отражающей области с радиально изменяющимся показателем преломления снаружи, чтобы лучше понять структуру зебры Крабовидной туманности. Фото предоставлено: Михаил Медведев
«Исследователи предложили различные механизмы выбросов, но ни один из них не смог убедительно объяснить наблюдаемые закономерности», — сказал он.
Используя данные пульсара в Крабе, Медведев разработал метод, использующий волновую оптику для измерения плотности плазмы пульсара — «газа» заряженных частиц (электронов и позитронов) — с использованием картины полос, обнаруженной в электромагнитных импульсах.
«Если у вас есть экран и мимо проходит электромагнитная волна, она не проходит сквозь него», — сказал Медведев.
«В геометрической оптике тени, отбрасываемые препятствиями, расширяются бесконечно — когда вы находитесь в тени, света нет; снаружи вы видите свет. Но волновая оптика приводит к другому поведению — волны огибают препятствия и интерферируют друг с другом», создавая последовательность светлых и темных полос из-за конструктивной и деструктивной интерференции.
Это хорошо известное явление полосового рисунка вызвано постоянными конструктивными помехами, но имеет другие свойства при распространении радиоволн вокруг нейтронной звезды.
«Типичная дифракционная картина давала бы равномерно распределенные полосы, если бы у нас была только нейтронная звезда в качестве защитного экрана», — сказал исследователь из Университета Калифорнийского университета. «Но здесь магнитное поле нейтронной звезды создает заряженные частицы, которые образуют плотную плазму, которая меняется в зависимости от расстояния от звезды».
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
«Когда радиоволна распространяется через плазму, она проходит через разреженные области, но отражается от плотной плазмы. Это отражение варьируется в зависимости от частоты: низкие частоты отражаются от больших радиусов и отбрасывают большую тень, тогда как высокие частоты создают меньшие тени, что приводит к разным краевым расстояниям».
Таким образом, Медведев определил, что плазменное вещество пульсара в Крабе вызывает дифракцию электромагнитных импульсов, ответственных за уникальный узор зебры нейтронной звезды.
«Эта модель — первая, которая может измерять эти параметры», — сказал Медведев. «Анализируя полосы, мы можем сделать вывод о плотности и распределении плазмы в магнитосфере. Это невероятно, потому что эти наблюдения позволяют нам преобразовывать полосовые измерения в распределение плотности плазмы, по сути, создавая изображение или томографию магнитосферы нейтронной звезды».
Далее Медведев заявил, что его теорию можно проверить, собрав больше данных о пульсаре в Крабе, и уточнить, приняв во внимание его сильные и странные гравитационные и поляризационные эффекты. Новое понимание того, как плазменная материя изменяет сигнал пульсара, изменит то, как астрофизики понимают другие пульсары.
«Пульсар в Крабе в некотором смысле уникален — он относительно молод по астрономическим меркам, ему всего около тысячи лет, и он чрезвычайно энергичен», — сказал он. «Но это не одиноко; мы знаем сотни пульсаров, более дюжины из которых также молоды».
«Известные двойные пульсары, которые использовались для проверки общей теории относительности Эйнштейна, также можно исследовать с помощью предлагаемого метода. Это исследование действительно может расширить наше понимание и методы наблюдения за пульсарами, особенно молодыми и энергичными».
Информация от: Университетом Канзаса
