Известия науки, 11 июня 2010.

Пульсар 0531+21: чем в Крабовидной туманности определяется форма куполов?

Федосин С. Г.

г. Пермь, Пермский край, Россия

e-mail intelli@list.ru

Обнаруженные вблизи пульсара 0531+21 в Крабовидной туманности купола странной формы объясняются структурой магнитного поля, вращающегося вместе с пульсаром. Расчёты величины магнитного поля согласуются также с энергиями фотонов синхротронного излучения от электронов вблизи куполов.

Изображение Крабовидной туманности в условных цветах (синий — рентгеновский, красный — оптический диапазон). В центре туманности — пульсар ( NASA)

Синхротронное или магнитотормозное излучение связано с центростремительным ускорением заряженных частиц в магнитном поле и широко распространено в космосе, особенно возле замагниченных звёзд. Радио и оптическое синхротронное излучение как правило сильно поляризовано, имеет непрерывный спектр и тем самым легко обнаруживается. Одним из ближайших мощных источников такого излучения является Крабовидная туманность в Тельце, расстояние до неё порядка 1,9 кпк. В этой туманности находится пульсар PSR 0531+21. Пульсар является молодой нейтронной звездой с быстрым вращением, с периодом порядка 33 мс. Туманность появилась в 1054 году после вспышки сверхновой, породившей нейтронную звезду, и сейчас расширяется со скоростью порядка 1000 км/с. В настоящее время размер туманности около 1 пк. Синхротронное излучение из туманности означает, что в ней присутствует значительное магнитное поле, происходящее от самого пульсара и переносимое в том числе ветром заряженных частиц. Анализ рентгеновского излучения со спутника CHANDRA показывает наличие в туманности дисковидной структуры в экваториальной плоскости пульсара. Кроме этого, видно нечто вроде джетов в районе полюсов, но они очень странной формы – они быстро расходятся в стороны от полюсов, напоминая широкие конусы в виде куполов.

Поскольку объяснения формы куполов до сих пор не найдено, следует рассмотреть, каково магнитное поле вдалеке от пульсара. На достаточно больших расстояниях магнитное поле с необходимостью приобретает тороидальную компоненту, поскольку магнитные линии не успевают вращаться вслед за звездой. В работе [1] магнитный дипольный момент пульсара моделируется как результат вращения множества зарядов в кольце, плоскость которого перпендикулярна направлению магнитного момента. С целью электрической нейтральности модели в центр кольца помещается электрический заряд q противоположного знака. Заряды кольца вращаются с той же угловой скоростью , что и сам пульсар. Для расчёта магнитного поля вдалеке от пульсара нужно проинтегрировать вклады в магнитное поле от каждого заряда по всей длине кольца, с учётом эффекта запаздывания распространения электромагнитного взаимодействия. Следовательно, необходимо учитывать положения и скорости зарядов в ранние моменты времени, зависящие от расстояния R до точки наблюдения.

Расчёт показывает, что кроме магнитного поля появляется и электрическое поле. В выражениях для полей есть члены, спадающие обратно пропорционально кубу и четвёртой степени расстояния. Эти члены будут равны друг другу при условии: , где – скорость света. Для пульсара в Крабе = 188 рад/c, откуда граничное расстояние равно м.

При расстояниях, существенно превышающих , у магнитного поля остаются только компоненты и (если считать, что магнитный момент направлен вдоль оси OZ). Они прямо пропорционально зависят от частоты вращения звезды.

При больших расстояниях магнитное поле стремится к нулю в экваториальной плоскости при z = 0, и направлено так, как будто оно вращается по окружностям относительно магнитной оси звезды. Поле имеет тороидальный характер, так как оно параллельно параллелям на сфере радиуса R. Оно больше всего в тех точках пространства, где x = y = z, то есть на конусе с углом 45 градусов к оси OZ. Знаки поля противоположны в северной и южной полусферах. Таким образом полученное магнитное поле позволяет объяснить удивительные купола, наблюдаемые на рентгеновских снимках пульсара в Крабе. Купола повторяют форму конусов с углом 45 градусов, где магнитное поле максимально. Здесь заряды, главным образом электроны, должны двигаться вдоль магнитных силовых линий по окружностям на конусе. При этом заряды вращаются около этих линий, давая синхротронное и рентгеновское излучение и показывая форму куполов. Аналогичная форма наблюдается у звезды Eta Carinae [6] и ряда других звёзд.

Приведём формулы в системе СИ для компонент электрического и магнитного полей в рассматриваемой модели на расстояниях более (заряды, создающие магнитный момент P электрически нейтральной звезды, вращаются так же, как сама звезда с угловой скоростью ):

, , ,

, , . (1)

Как указывается в [2], до сих пор однозначно не решён вопрос о том, каким образом происходит замедление вращения быстрых пульсаров. Как конкретно пульсары передают энергию своего вращения окружающей среде, в виде быстрых частиц в окружающих их туманностях, и излучения в широком диапазоне электромагнитных волн? Не ясно и происхождение радиоимпульсов от пульсаров. Имеются две различающиеся позиции. В одной из них магнитные полюса сдвинуты относительно оси вращения и могут давать для наблюдателя переменное радиоизлучение с частотой вращения звезды, если на полюсах происходят процессы с выделением энергии. В другой точке зрения радиоизлучение возникает не на полюсах, а например на магнитном экваторе.

Возле пульсара в Крабе по спектру излучения обнаруживаются электроны с энергией порядка эВ. Эта энергия черпается из энергии пульсара. Для оценки скорости потерь кинетической энергии вращения пульсаров используются данные по замедлению их вращения. У пульсара в Крабе период T = 33 мс, замедление периода сек−¹, и при моменте инерции звезды кг∙м² мощность потерь энергии вращения равна:

Вт. (2)

Компоненты магнитного поля вдалеке от пульсара согласно (1) определялись для случая, когда магнитный момент звезды параллелен оси вращения. Однако считается, что магнитный момент у пульсаров несколько отклонён от оси вращения так, что имеется компонента магнитного момента, перпендикулярная оси вращения. В таком случае возникает возможность для магнитодипольного электромагнитного излучения. Оно появится, когда магнитному диполю, например рамке с током, придать вращение относительно оси, лежащей в плоскости рамки. Магнитный момент начнёт вращаться в пространстве и создаст некоторое излучение. По порядку величины это излучение равно квадрупольному электрическому излучению с энергией , а его мощность может быть получена в следующем виде:

. (3)

Из равенства (2) и (3) обычно оценивают магнитный момент пульсара: Дж/Тл.

Как было показано в [1], замагниченный шар с магнитным моментом при своём вращении приобретает эффективный заряд. Нейтронная звезда радиуса похожа на замагниченный шар, так как её магнитный момент образуется частицами вещества, основу которого составляют нейтроны. Формулы для электрического потенциала и эффективного заряда в этом случае имеют вид:

, . (4)

На поверхности звезды, где R равно радиусу звезды, потенциал достигает максимума. Знак потенциала определяется соотношением направлений магнитного момента и угловой скорости вращения (в (4) показан случай, когда оба направления совпадают). Подставляя в (4) данные угловой скорости вращения для пульсара в Крабе и значение его магнитного момента, получаем потенциал порядка В. Таким образом, заряженные частицы и электроны возле этого пульсара могут приобретать энергию до эВ, что и наблюдается в рентгеновском спектре. Преобразование энергии вращения в энергию частиц возле пульсаров происходит потому, что вращающийся магнитный момент пульсара создаёт эффективное электрическое поле вида (1). Это электрическое поле разгоняет заряженные частицы и передаёт им энергию. В свою очередь частицы высвечиваются, двигаясь в магнитных полях пульсара. Вероятно, вблизи магнитных полюсов звезды частицы движутся наиболее плотно, создавая зоны, наблюдаемые нами как импульсы радиоизлучения пульсара.

Изложенная картина подтверждается в [3], в которой даётся оценка пульсарного ветра от пульсара в Крабе порядка частиц/сек, состоящего из электронов и позитронов. На примере двух радиопульсаров в двойной системе PSR J0737-3039A,B видно, что мощный пульсар сжимает своим ветром магнитосферу другой звезды в несколько десятков раз. Только часть энергии пульсарного ветра преобразуется в электромагнитного излучение, так что в основном энергия пульсара идёт на создание релятивистских частиц. Но для магнитаров убыли вращательной энергии звезды как правило недостаточно даже для восполнения полной энергии наблюдаемого от них электромагнитного излучения от радиодиапазона до гамма-лучей. Недостаток энергии в некоторых научных статьях приписывают убыли магнитной энергии магнитара. Вместо этого в [4] предполагается, что магнитар обладает электрическим зарядом до Kл и магнитным моментом до Дж/Тл. Данные оценки получаются согласно подобию уровней материи и подобию между протоном и магнитаром [5]. Заряженная и замагниченная звезда может излучать частицы за счёт своего электрического поля, без значительной потери магнитной или вращательной энергии, являясь источником космических лучей высокой энергии.

Ссылки

1. Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

2. Michel F. Curtis. The State of pulsar theory. – arXiv: astro-ph / 0308347v1, 20 Aug 2003.

3. Истомин Я.Н. Генерация электронно-позитронной плазмы в магнитосфере нейтронных звёзд. Успехи физических наук, 2008, Т. 178, №. 8, С. 880 – 884.

4. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.

5. Подобие уровней материи – страница из энциклопедии.

6. Eta Carinae – на сайте энциклопедии «Wikipedia».

Источник: http://sergf.ru/pu.htm

На научный сайт