Пресс-релиз статьи

«Холодный» ветер релятивистской плазмы от пульсара Краб генерирует пульсирующее гамма -излучение сверхвысокой энергии

            Пульсар Краб является ярчайшим источником гамма-излучения, от которого недавно было обнаружено пульсирующее гамма-излучение  сверхвысокой энергии.  Выпускники МИФИ Феликс Агаронян (Макс Планк институт  Ядерной физики, Германия; Дублинский институт передовых исследований, Ирландия), Сергей Боговалов (НИЯУ МИФИ, Россия)  и Дмитрий Хангулян (Институт космических исследований и аэронавтики, Япония) предложили объяснение этого излучения.  Оно основано на быстром ускорении ветра «холодных» электронов и позитронов, которое происходит на расстоянии от пульсара примерно равном  диаметру Земли (http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10793.html).

            Пульсар Краб – быстро вращающаяся, сильно замагниченная нейтронная звезда, которая образовалась в результате взрыва сверхновой в созвездии Тельца в 1054 году.  Ее масса составляет 1.4-2 солнечных масс, а диаметр составляет 28-30 км.  Вместе с окружающей пульсар туманностью это один из наиболее тщательно исследованных астрономических объектов (Рис.1).

            Общепринято считать, что пульсары испускают релятивистский ветер электронов и позитронов (релятивистский аналог солнечного ветра), которые образуются в магнитосфере пульсара. Эволюция ветра проходит три последовательных процесса(Рис. 2):  в пределах 1000 км от пульсара энергия вращения почти полностью трансформируется в энергию  электромагнитного поля ветра, которая затем трансформируется в энергию поступательного движения частиц ветра, т. е. происходит ускорение частиц ветра.  В конце концов ветер останавливается давлением  межзвездной среды с образованием ударной волны на расстоянии 0.3 световых года от пульсара.  В результате этих процессов  электроны и позитроны ускоряются до экстремально высоких энергий образуя  пространственно распределенный источник: Крабовидную туманность.  Все три процесса должны происходить с невероятно высокой эффективностью (близкой к 100%) для того, чтобы объяснить наблюдения.

            Пульсар Краб и Крабовидная туманность являются ярчайшими гамма-источниками.  В то время как пульсар излучает преимущественно в области гамма-квантов высоких энергий,  Крабовидная туманность излучает в основном  гамма-кванты сверхвысокой энергии.  А ветер, который переносит энергию от пульсара  в Крабовидную туманность остается  до сих пор «невидимой субстанцией».  Удивительно, но несмотря на релятивистские скорости ветра,  в системе отсчета, связанной с поступательным движением ветра, электроны являются холодными.  Они движутся  вместе с магнитным полем ветра и не производят синхротронного излучения.  Тем не менее, ветер может излучать гамма-кванты сверхвысокой энергии за счет механизма обратного Комптоновского рассеяния релятивистских электронов    и позитронов на рентгеновских фотонах, излучаемых в магнитосфере пульсара и/или поверхностью нейтронной звезды.  В статье, опубликованной в Nature, Феликс Агаронян, Сергей Боговалов  и Дмитрий Хангулян ( все являются выпускниками МИФИ, а С.В. Боговалов в настоящее время является профессором каф. № 10  НИЯУ МИФИ)  показали, что недавние  удивительные  наблюдения пульсирующего гамма-излучения сверхвысокой энергии от Краба атмосферными Черенковскими телескопами  VERITAS и MAGIC  лучше всего объясняются обратным Комптоновским рассеянием.  Пульсирующие рентгеновские фотоны пульсара взаимодействуют с  релятивистскими электронами ветра преимущественно в области их ускорения.  Ветер, таким образом, является источником пульсирующего гамма-излучения и это объясняет  наблюдения  при варьировании всего трех параметров: места ускорения ветра, максимальной энергии ускорения и уровня анизотропии ветра, которые определяются наблюдениями практически однозначно.

            Если предложенная интерпретация верна, тогда регистрация пульсирующего гамма-излучения означает первое наблюдательное свидетельство образования «холодного» электрон-позитронного ветра от пульсара Краб.  Новые данные позволяют нам локализовать в довольно узкой области место ускорения ветра и оценить темп с которым энергия электромагнитного поля трансформируется в кинетическую энергию поступательного движения ветра.  Ускорение ветра должно происходить резко в узкой цилиндрической зоне  радиусом от 20 до 50 тысяч километров от оси вращения.  Интересно, что хотя ускорение ветра до сверхвысоких энергий укладывается в общепринятую точку зрения,  требование быстрого ускорения ветра в узкой области и на небольших расстояниях от пульсара является вызовом для теоретиков.

Рис. 1: Крабовидная туманность (М1) в созвездии Таурус. Изображение получено  орбитальным Хаббловским телескопом (левая панель).  На правой панели показано наложение изображение центральной части Крабовидной туманности в видимом свете (красный) и рентгеновских лучах (голубой) с пульсаром в центре.  На расстоянии  0.3 световых года от пульсара ветер сталкивается с окружающей его туманностью (Источник: NASA)

Рис.2.  Схематическая эволюция пульсарного ветра (электронов и позитронов). Гамма-кванты высоких энергий (γ) образуются в зоне ускорения за счет обратного Комптоновского рассеяния пульсарного ветра на рентгеновских фотонах (X).