Излучение пульсара может линзироваться веществом, содранным со звезды-компаньона
Ученые, работающие на 300-метровом радиотелескопе в Аресибо (Пуэрто-Рико), исследовали излучение от одного из миллисекундных радиопульсаров, относящегося к классу «черных вдов». Постепенно разрушая своим мощным ветром маломассивную звезду-компаньона, этот пульсар создает плазменную оболочку вокруг двойной системы, которая, в свою очередь, действует наподобие неоднородного «стекла», собранного будто бы из множества линз. Эти линзы позволили рассмотреть пульсар детальнее и подтвердить, например, что его излучение действительно рождается в двух разных областях.
По своей физической природе радиопульсары (или просто пульсары, так как часто под этими терминами понимают одно и то же) это — нейтронные звезды (см. , главу из книги С. Попова «Суперобъекты»). Последние, в свою очередь, являются «останками» достаточно массивных (в 10–40 раз тяжелее Солнца) обычных звезд — голубых гигантов. В таких звездах термоядерное горючее исчерпывается всего лишь за несколько миллионов (десятков миллионов) лет, в результате чего его ядро коллапсирует до размеров 20–30 километров, а оболочка разлетается с сверхвысокими скоростями: происходит вспышка сверхновой. Сколлапсировавшее ядро становится нейтронной звездой. При средней массе в 1,5 солнечных и при своих крайне малых, по сравнению с «обычными» звездами, размерах, нейтронные звезды оказываются самыми плотными, самыми замагниченными, самыми яркими (в смысле яркостной температуры), самыми быстрыми (из-за асимметричности взрыва сверхновой) и — по сумме всех этих качеств — самыми загадочными объектами Галактики.
А еще нейтронные звезды очень быстро вращаются. Так, пульсар B1957+20, о котором пойдет речь дальше, совершает более 600 оборотов в секунду. Быстрое вращение также является следствием коллапса ядра звезды-прародительницы: в этом процессе сохраняется момент импульса. И важно то, что в наблюдениях можно непосредственно измерять периоды вращения этих объектов.
Дело в том, что из-за своего сильного дипольного магнитного поля радиоизлучение нейтронной звезды не изотропно, а направлено преимущественно вдоль ее магнитной оси — получаются два «луча». Если наблюдатель удачно расположен, то нейтронная звезда, вращаясь, один или два раза за оборот вокруг своей оси светит на него своим лучом (как морской маяк, рис. 2). В результате наблюдатель «видит» радиоисточник импульсного излучения (в среднем частота импульсов составляет один раз в секунду, но у некоторых пульсаров частота гораздо выше — сотни раз в секунду). За это такие источники и назвали пульсарами.
Несложно догадаться, что если ось вращения пульсара почти перпендикулярна его магнитной оси и он «задевает» своим лучом Землю, то мы будем видеть два импульса за период, попеременно наблюдая северный и южный магнитный полюса звезды. Более сильный называют главным импульсом, более слабый — интеримпульсом. Именно такая ситуация реализуется у B1957+20 — это как раз один из пульсаров с интеримпульсом.
Пульсары могут находиться в двойных системах, если у их звезды-прародительницы был более легкий (по сравнению с этой звездой) компаньон маломассивный, (который, соответственно, эволюционировал медленнее). По удачному совпадению пульсар B1957+20 находится в двойной системе. И даже гораздо интереснее! Компаньон этого пульсара — легкий коричневый карлик (этакий пере-Юпитер), находящийся на расстоянии всего в пару миллионов километров от пульсара. До взрыва сверхновой он, вероятно, мог претендовать на звание горячего юпитера и приблизился к массивной звезде еще сильнее из-за трения о ее протяженную, хоть и разреженную, атмосферу.
Под действием сильного магнитного (и индуцированного им электрического) полей с поверхности нейтронной звезды во все стороны постоянно вырываются потоки релятивистских заряженных частиц — так называемый пульсарный ветер. Эти частицы уносят энергию вращения нейтронной звезды, но они же сильно воздействуют и на атмосферу ее компаньона: пульсарный ветер понемногу «сдувает» верхние слои коричневого карлика и со временем сможет развеять его по космическому пространству целиком. Пульсар, по сути, понемногу уничтожает своего соседа, за что и был прозван «Черной Вдовой» (Black Widow Pulsar). На сегодняшний день известно уже несколько подобных систем, но B1957+20 был открыт первым 30 лет назад.
Истекающее вещество коричневого карлика ионизуется под воздействием пульсарного ветра, превращаясь в плазму, окружающую всю систему. При этом орбиту, по которой оба тела системы обращаются вокруг общего центра масс, мы видим почти что с ребра. В результате, с точки зрения земного наблюдателя пульсар в ходе своего орбитального движения то оказывается впереди этого плазменного «кокона», то — позади него. То есть в этой системе имеют место своего рода затмения: радиоизлучение от пульсара на пути к наблюдателю периодически проходит сквозь кокон, который выступает в роли экрана.
А этот плазменный экран, будучи неоднородным, действует на радиоизлучение пульсара как стекло плохого качества на свет. Отдельные его области по-разному преломляют радиоизлучение, которое в результате может то ярчать, то, наоборот, угасать по мере того, как источник проходит за экраном. Попробуйте поводить фонариком за толстым неоднородным стеклом — вам будет казаться, что свет от фонарика мерцает при его перемещении.
Поэтому иногда видимая яркость импульсов от пульсара B1957+20 может очень сильно возрастать на короткое время — в те моменты, когда он, двигаясь по орбите вокруг центра масс системы, оказывается особенно удачно расположенным относительно наблюдателя.
Такие повышения яркости и были зарегистрированы в ходе наблюдательной кампании 2014 года на телескопе в Аресибо. Причем зарегистрированы, в общем, случайно. Авторы изначально хотели исследовать так называемые гигантские импульсы от этого пульсара — при таких импульсах в некоторые отдельные (единичные) периоды на короткий промежуток времени поток радиоизлучения от пульсара возрастает в тысячу и более раз. Гигантские импульсы — феномен, хорошо известный среди пульсаров вообще, хотя их природа (как и вообще детали механизма радиоизлучения пульсаров) остается пока еще неясной. Работу по гигантским импульсам от B1257+20 те же авторы опубликовали еще год назад (R. Main et al., 2017. Descattering of Giant Pulses in PSR B1957+20).
Однако, вместе с гигантскими импульсами, авторы обнаружили и другие очень яркие импульсы, которые, правда, были не похожи на «стандартные» гигантские. Во-первых, их яркость была больше яркости обычных импульсов лишь в 20–40 раз (против ~1000 раз для гигантских). Во-вторых, наблюдались целые серии этих «квазигигантских» импульсов, следующих друг за другом (рис. 3). В-третьих, в таких событиях поток излучения усиливался в течение всего периода, в то время как гигантские импульсы — очень короткие события, длительностью менее одной микросекунды. Причем, что интересно, эти странные импульсы наблюдались именно тогда, когда он только-только скрывался за плазменным экраном в системе или начинал из-за него появляться. Что и позволило сделать предположение, что это явление вызвано эффектом электромагнитного линзирования на неоднородностях экрана, а спектральные исследования этих событий позволили подтвердить эту догадку.
Почему обнаружение этого явления важно? Картина поярчания импульсов от пульсара (изменение яркости от импульса к импульсу, изменение структуры импульса и т. д.) зависит как от расположения отдельных «линз», так и от строения излучающей области пульсара. И вообще от того, как устроена его магнитосфера. А это может оказаться важным ключом к пониманию механизма его радиоизлучения, который, напомню, до сих пор до конца не понятен. Заодно проведенные наблюдения дали очень красивый результат: удалось впервые напрямую зафиксировать, что пульсар действительно имеет две излучающих области. Дело в том, что свет от двух лучей пульсара преломлялся через плазменный экран по-разному и в результате главный импульс и интеримпульс изменялись неодинаково. Это можно сравнить с первыми фотографиями обратной стороны Луны: конечно, никто не сомневался в том, что она существует, но увидеть ее непосредственно было очень важно.
Кроме того, короткие поярчания излучения в радиодиапазоне могут иметь отношение к так называемым быстрым радиовсплескам (Fast radio bursts, FRB). Это — одиночные (за исключением одного источника — FRB121102) короткие (длительностью несколько миллисекунд) и очень яркие вспышки радиоизлучения, имеющие, скорее всего, внегалактическую природу. Их механизм тоже по сей день не ясен, однако, отмечают авторы, надо помнить, что есть ряд способов усилить радиоизлучение от обычных пульсаров. И один из них как раз соответствует той ситуации, что была обнаружена в системе «Черной Вдовы» B1957+20.
Источник: Robert Main, I-Sheng Yang, Victor Chan, Dongzi Li, Fang Xi Lin, Nikhil Mahajan, Ue-Li Pen, Keith Vanderlinde & Marten H. van Kerkwijk. Pulsar emission amplified and resolved by plasma lensing in an eclipsing binary // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0133-z.
Антон Бирюков