Звезды-хамелеоны сбивают с толку астрономов

Пульсары – это крошечные вращающиеся звезды, которые озадачивают ученых с момента их открытия в 1967 году. По размеру они меньше среднего земного города, зато весят больше Солнца.

Новые наблюдения международной команды ученых, включая астрофизика из Университета Вермонта Джоанну Ранкин, делают эти причудливые звезды еще более непонятными.

Ученые обнаружили пульсар, который может резко менять свое излучение. Всего за несколько секунд звезда может приглушить свои радиоволны, но в то же время ее рентгеновское излучение становится намного ярче.

Исследование «бросает вызов всем предложенным теориям излучений пульсаров», утверждает группа ученых в последнем выпуске журнала Science и вновь открывает дебаты о том, как же устроены эти звезды.


Подобно мощнейшим маякам Вселенной, пульсары излучают радиоволны и другие виды излучения за триллионы километров. Поскольку эти сильно намагниченные нейтронные звезды быстро вращаются, их лучи изгибаются, появляясь в земных телескопах в виде вспышек или пульсаций.

Используя спутниковый рентгеновский телескоп, скоординированный с двумя радиотелескопами на Земле, команда ученых наблюдала за пульсаром, который, как было ранее известно, «переключался» каждые несколько часов от сильного (или яркого) к слабому (или тихому) излучению радиоволн.

Наблюдая одновременно за рентгеновскими лучами и радиоволнами, команда обнаружила, что в диапазоне рентгеновских лучей данный пульсар демонстрирует такое же поведение, но обратное радиоволнам.

Впервые у пульсара было замечено подобное переключение между испусканием волн рентгеновского спектра.

Ни одна из существующих моделей пульсаров не способна объяснить такое переключающееся поведение. Все теории, существовавшие до настоящего времени, предполагают, что рентгеновское излучение должно следовать за радиоизлучением. Однако новые наблюдения показывают противоположное


«Существует общее соглашение о происхождении радиоизлучения пульсаров: оно вызвано высокоэнергетическими электронами, позитронами и ионами, которые движутся вдоль силовых линий магнитного поля пульсара», – объясняет Вим Хермсен из Нидерландского института космических исследований в Утрехте. «Однако как именно эти частицы отрываются от поверхности нейтронной звезды и достигают такой высокой энергии, все еще неясно», – добавляет он.

Путем изучения излучений пульсара в различных диапазонах исследование ученых должно было выяснить, какой из возможных физических процессов протекает около магнитных полюсов пульсаров.

Однако вместо того, чтобы сузить возможные механизмы, предложенные вышеупомянутой теорией, новые результаты наблюдений бросают вызов всем существующим теориям излучений пульсаров.

До настоящего времени было обнаружено более 2000 пульсаров, и многие из них демонстрируют неустойчивое излучение, которое может ослабнуть или исчезнуть в течение нескольких секунд, но спустя несколько минут или часов неожиданно вернуться.

B0943+10 – одна из этих неустойчивых звезд. Эта звезда, обнаруженная Светланой Сулеймановой в 1980-х годах в Радиоастрономической обсерватории Пушкино, «словно имеет два разных лица», говорит Ранкин. «Но мы все еще не знаем, что заставляет этот и другие пульсары переключаться от одной модели к другой», – добавляет он.

Недавние исследования показывают, что переключение между «радио-ярким» и «радио-тихим» состояниями связано с динамикой пульсара. По мере вращения пульсаров их период вращения постепенно замедляется; в некоторых случаях было замечено, что этот процесс замедления ускорялся и снова замедлялся, при этом это было связано с переключениями пульсара между ярким и тихим состояниями.

Эта взаимосвязь между вращением пульсара и его излучением заставила астрономов задаваться вопросом о связи между поверхностью звезды и очень большой окружающей ее магнитосферой, которая может простираться для 50 000 километров.
Эти новые наблюдения «убедительно показывают, что недалеко от магнитного поля пульсара появляется временная «горячая точка», которая включается и выключается с изменением состояния», говорит один из астрономов команды из Университета Сассекса Джефф Райт.

Но новые результаты также показывают, что что-то внезапно изменяется во всей магнитосфере полностью, а не только на полюсах или других горячих точках. «Что-то происходит глобально со звездой целиком», – говорит Ранкин.

Чтобы излучение радиоволн так радикально менялось за столь короткий промежуток времени, вся среда пульсара должна подвергнуться очень быстрому – и обратимому – преобразованию.
«Если это верно, то это означает, что вся магнитосфера является чем-то живым и взаимосвязанным по очень важным направлениям», – говорит Ранкин, которая предполагает, что изменения в базовой модели излучения пульсара происходят менее чем за секунду – быстрее, чем он оборачивается вокруг своей оси.

«Так как переключение между ярким и тихим состояниями пульсара связано с явлениями, которые происходят в местном и глобальном масштабах, полное понимание этого процесса могло разъяснить несколько аспектов физики пульсара, – говорит Хермсен. – К сожалению, мы еще не в состоянии объяснить это».


Команда надеялась отыскать ту же модель, которая наблюдалась в радиоволнах, и для рентгеновского излучения, чтобы узнать, что вызывает эти переключения. Они выбрали в качестве своего объекта PSR B0943+10 – пульсар, который известен благодаря своему переключающемуся поведению в радиоволновых частотах, а также рентгеновскому излучению, которое является более ярким, чем можно было бы предположить у этого довольно старого объекта.

Астрономы считают, что рентгеновское излучение старых планет исходит из магнитных полюсов. «Мы считаем, что от полярных областей ускоренные частицы или двигаются за пределы планеты в магнитосферу, где они испускают радиоволны, или внутрь, бомбардируя полярные зоны и создавая горячие точки, испускающие рентгеновское излучение», – добавляет Хермсен.

Существуют две главных модели, описывающие эти процессы в зависимости от того, позволяют ли электрические и магнитные поля заряженным частицам свободно покидать поверхность нейтронной звезды. В обоих случаях утверждалось, что испускание рентгеновских волн следует за испусканием радиоволн.

В ходе последнего исследования астрономы надеялись остановиться на одной из этих моделей.

«Рентгеновское излучение пульсара PSR B0943+10 прекрасно отражает переключения, которые наблюдаются в диапазоне радиоволн, но, к нашему удивлению, соотношение между этими двумя видами излучений кажется обратным: когда звезда сильнее всего испускает радиоволны, рентгеновское излучение достигает своего минимума, и наоборот», – говорит Хермсен.

Ни одна из существующих моделей не может объяснить такое поведение. Таким образом, ученым понадобятся новые исследования, чтобы раскрыть тайну этих «звезд-хамелеонов».