Разработана теория, объясняющая радиоизлучение пульсаров

Ученые предложили теорию, объясняющую образование радиоизлучения пульсарами через гравитационные переходы электронов. 

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

Пульсарами называют космические источники излучения, которое периодически изменяется (имеет «пульс»). Излучение 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, и 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, предлагаемых для объяснения механизма излучения, но разработанная петербургскими учеными модель обладает большей точностью и хорошо понятным физическим смыслом. Предполагается, что радиоволны излучаются при переходе электронов между энергетическими уровнями, которые образуются при взаимодействии двойного электрического слоя с гравитационным притяжением.

Двойной слой заряженных частиц образуется 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 стороны — существует мощное гравитационное притяжение, и улететь в космическое пространство они не могут.

Стремясь к состоянию с минимумом потенциальной энергии, электроны попадают в потенциальную яму, в которой формируются определенные связанные энергетические состояния. Расстояния 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 объясняется именно переходами между уровнями: расстояние между ними постоянно.

Объясняется и направленность излучения. Магнитное поле пульсара очень сильно 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 было локальных нарушений энергетических уровней.

В результате переходы между соседними гравитационными уровнями в рамках одного уровня Ландау приводят к электро-дипольному излучению, направленному 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.