Исследователи обнаружили самые энергичные из когда-либо зарегистрированных гамма-лучей, испускаемых пульсаром, с мощностью 20 тераэлектронвольт (ТэВ). Эти лучи, генерируемые пульсаром Vela, расположенным в 1000 световых лет от Земли, в 10 млрд. раз энергичнее пучка видимого света и в 200 раз энергичнее гамма-излучения, испускаемого обычным пульсаром. Эти экстремальные лучи бросают вызов нашим знаниям об этих космических объектах и противоречат существующим теоретическим моделям.
Пульсары, или нейтронные звезды, представляют собой остатки массивных звезд, взорвавшихся в конце своей жизни в виде сверхновых. В результате взрыва звезды образуется ядро, размер которого в среднем едва превышает размеры небольшого города (около 20 км в диаметре), вращающееся с большой скоростью (до 700 оборотов в секунду). Плотность такого ядра настолько высока, что одна чайная ложка его вещества имеет массу более 5 млрд. тонн.
Мощные магнитные поля пульсаров направляют вещество в нужное русло. Затем частицы ускоряются (до скоростей, близких к скорости света) и выбрасываются в виде двух гигантских цилиндрических пучков электромагнитного излучения. Это излучение исходит от полюсов в противоположных направлениях. С нашей точки зрения, мы видим вспышки света, колеблющиеся через равные промежутки времени, как луч света от маяка.
Астрономы полагают, что эти лучи генерируются электронами, ускоряющимися в магнитосфере пульсара по мере их движения к его периферии. Бронек Рудак из Астрономического центра имени Николая Коперника (CAMK PAN) в Польше объясняет, что "на своем пути электроны приобретают энергию и высвобождают ее в виде пучков излучения, которые мы наблюдаем". Однако до сих пор нет единого мнения о достоверности этой гипотезы.
Излучение, испускаемое пульсарами, охватывает широкий диапазон электромагнитного спектра — от радиоволн до очень высокоэнергетического гамма-излучения. Гамма-излучение, испускаемое Vela (или PSR B0833 45), привлекло внимание Рудака и его коллег из Национального центра научных исследований (CNRS) из-за своей беспрецедентной мощности. Будучи одним из ближайших к нашей планете пульсаров, этот объект является одним из наиболее изученных в своем классе.
Находясь на расстоянии около 1000 световых лет от Земли, Vela испускает гигантское гамма-излучение, распространяющееся на расстояние до 0,7 световых лет за ее полюсами, что в 15 млн. раз больше расстояния между Землей и Луной. Имея скорость вращения 11 раз в секунду, он является самым ярким из когда-либо наблюдавшихся в радиодиапазоне электромагнитного спектра, а также самым ярким в гамма-диапазоне.
К настоящему времени в радиодиапазоне зарегистрировано более 3 000 пульсаров, в то время как гамма-излучателей высокой энергии, или HE (от 100 мегаэлектронвольт до 100 гигаэлектронвольт), в нашей истории насчитывается всего 270. Еще реже встречаются гамма-излучатели очень высоких энергий - VHE (более 100 гигаэлектронвольт). Однако они не обнаруживаются космическими телескопами.
Поэтому для наблюдения PSR B0833 45 ученые из новой работы использовали Черенковскую наземную решетку (CT1-5) Стереоскопической системы высоких энергий (H.E.S.S.), состоящую из 5 атмосферных телескопов, расположенных в Намибии. Ее мощные детекторы способны регистрировать энергию в диапазоне от нескольких десятков ГэВ до десятков ТэВ. Подробности наблюдений опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Исследователи с удивлением обнаружили, что выше порогового значения энергии HE излучение Vela как бы резко прекращается. Гипотеза состоит в том, что когда электроны пересекли границы ее магнитосферы, они просто вырвались из нее и свободно рассеялись в пространстве. Еще более необычным является то, что если энергия гамма-излучения обычных пульсаров обычно ограничивается несколькими ГэВ, то PSR B0833 45 испускает феноменальное гамма-излучение с энергией 20 ТэВ, что примерно в десять тысяч миллиардов раз превышает энергию видимого света.
"Это примерно в 200 раз энергичнее, чем любое излучение, когда-либо ранее обнаруженное от подобного объекта", —
объясняет Кристо Вентер из Северо-Западного университета в Южной Африке, который также принимал участие в исследовании. Эти VHE-излучения колебались с той же скоростью, что и HE-излучения. До Vela единственный обнаруженный VHE-пульсар находился в Крабовидной туманности, но он испускал излучение, лишь робко приближающееся к ТэВ. Сверхвысокоэнергетическое гамма-излучение (более 100 ТэВ), по-видимому, исходит от этого же объекта, также было обнаружено. Но пока истинное происхождение этого колоссально энергичного излучения остается предметом споров.
По мнению авторов исследования, мощность PSR B0833 45 не согласуется ни с предыдущими наблюдениями, ни с современными теоретическими моделями, объясняющими происхождение пульсарного излучения. Одна из них заключается в том, что электроны ускоряются вдоль линий магнитного поля, внутри или немного за пределами магнитосферы. Чтобы достичь таких энергий (20 ТэВ), электроны должны пролететь гораздо большее расстояние, сохраняя при этом быструю траекторию вращения пульсара.
"Возможно, мы наблюдаем ускорение частиц благодаря процессу, известному как магнитное пересоединение за пределами светового цилиндра, при котором каким-то образом сохраняется характер вращения",
— предполагает ведущий автор исследования Араче Джаннати-Атаи из лаборатории Astroparticles & Cosmology (APC). Однако даже такой сценарий наталкивается на трудности и несоответствия.
"Наши результаты ставят под сомнение наши прежние знания о пульсарах и требуют переосмысления работы этих естественных ускорителей частиц", — заключает он.