Астрофізики пояснили, чому відбуваються збої у частоті обертання пульсарів

Іноді у пульсарів спостерігають дивну особливість: частота обертання раптово збільшується, а потім поступово знижується і відновлюється практично до вихідних значень. Довгий час дослідники достеменно не знали, чому виникає цей феномен. Астрофізики з Індії та Франції, ймовірно, наблизилися до розгадки таємниці. Їх відкриття дозволить більше дізнатися про внутрішню будову таких об’єктів та фізичні процеси в їх надрах.

Пульсари – космічні джерела імпульсного магнітного випромінювання. Заведено вважати, що вони являють собою нейтронні зірки, що швидко обертаються, з потужним магнітним полем. Ці об’єкти генерують потоки оптичного, рентгенівського, радіо та гамма-випромінювань, які для земних спостерігачів виглядають як короткочасні спалахи випромінювання. Відбувається це через обертання полюсів нейтронних зірок. Спостерігачеві здається, що випромінювання від зірки блимає — то зникає, то з’являється знову, причому така «пульсація» виникає із стійкою періодичністю.

Коли вчені почали відкривати ці космічні джерела, вони помітили одну дивність. Частота обертання пульсарів іноді різко змінювалася, через що періодичність «пульсацій» порушувалася: спочатку ця частота збільшувалася, а потім відновлювалась до вихідних значень. Періоди поступового відновлення могли тривати від кількох годин до кількох років. Збої в обертанні пульсарів стали називати глітчем. 

Поки астрофізики спостерігали глітчі всього у кількох пульсарів, серед них — PSR B0531+21 у Крабовидній туманності, на відстані 6,5 тисяч світлових років від Землі, і пульсар Вела, який розташований у 800 світлових років. Точна причина того, чому виникають глітчі, тривалий час залишалася невідомою. 

Передбачається, що у пульсарів є внутрішні шари, тверда кора і надтекуче зовнішнє ядро, яке обертається набагато швидше за кору. Внутрішні шари цих нейтронних зірок складаються з надпровідних протонів та надтекучих нейтронів. Всі ці шари поміщені у зовнішню тверду оболонку з електронів та іонів (кора).

Протягом останнього десятиліття фізики припускали, що збої в обертанні виникають, коли мікроскопічні вихори в надплинній нейтронній рідині переміщаються в інший зовнішній шар пульсара, в результаті чого відбувається різка віддача кутового моменту від ядра до кори і, як наслідок, прискорення обертання. 

Однак ця гіпотеза не отримала підтвердження. Змоделювати такий процес дуже складно. Саме тому вчені часто робили приблизні розрахунки чи опускали деякі змінні. 

Група індійських і французьких астрофізиків під керівництвом Марка Браше (Marc Brachet) з Вищої педагогічної школи Парижі врахувала всі неточності, допущені попередніми дослідниками, і побудувала практично повну комп’ютерну модель, яка пояснює причину збою в частоті обертання пульсарів. Про це вчені розповіли у статті, опублікованій на сайті електронного архіву препринтів arXiv. 

Дослідники дійшли висновку, що глітчі з’являються через взаємодію між мікроскопічними вихорами в нейтронній надплинній рідині та магнітними «трубками» — паралельними лініям сильного магнітного поля (flux tubes), які розташовані у шарі надпровідних протонів. Такі «трубки» є схожою на трубку (у формі циліндра) область простору, що містить магнітне поле, яке уповільнює вихори, що породжують глітчі.

Шар, що обертається, надпровідних протонів генерує однорідне магнітне поле, яке змінює розподіл поля всередині «трубок». В результаті виникає тяжіння між мікроскопічними вихорами в нейтронній надплинній рідині та магнітними «трубками». При сильному зовнішньому магнітному полі «трубки» кріпляться на корі, тоді як мікроскопічні вихори залишають нейтронну надтекучу рідину, що призводить до зміни кутового моменту кори — різкого її розкручування, тобто збільшення частоти обертання пульсара. 

У комп’ютерній моделі Браше та його колеги залучили лише кілька десятків вихорів, що відносно мало для підтвердження гіпотези: насправді кількість вихорів, що перебувають у русі всередині пульсара, зазвичай становить близько 10 трильйонів. Проте результати нового дослідження збіглися з результатами спостережень за пульсарами, які проводили інші групи вчених. Це говорить про те, що команда астрофізиків з Індії та Франції виявила саме ті необхідні для «приготування» глітча «інгредієнти».

Відкриття дозволить краще розібратися у внутрішній будові пульсарів і дізнатися більше про фізичні процеси в їх надрах. Тепер Браше з командою збирається покращити свої симуляції та вивчити за допомогою них інші загадкові явища пульсарів, наприклад, різка зміна магнітних властивостей таких об’єктів.