Astrofizyk rozwiązał tajemnicę dziwnych pasków „zebry” w sygnałach radiowych z Mgławicy Krab.
Odkrycie to rzuca światło na zachowanie A pulsar w centrum mgławicy – szybko wirująca gwiazda neutronowa który emituje potężne wiązki promieniowania. Odkrycia mogą zmienić sposób, w jaki rozumiemy te kosmiczne zjawiska.
Odkrywanie wzoru zebry w Mgławicy Krab
Astrofizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Kansas mógł rozwikłać prawie 20-letnią tajemnicę dotyczącą pochodzenia osobliwego wzoru „zebry” w impulsach radiowych o wysokiej częstotliwości z Mgławicy Krab.
Wyniki badań opublikowano niedawno w prestiżowym czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznegooferuje przełomowy wgląd w to kosmiczne zjawisko.
W sercu Mgławicy Krab znajduje się szeroka na 20 km gwiazda neutronowa, znana jako pulsar, wirująca szybko i emitująca wiązki promieniowania elektromagnetycznego, które omiatają wszechświat niczym kosmiczna latarnia morska.
Obserwacje Pulsara Kraba
„Emisja przypominająca wiązkę latarni morskiej wielokrotnie przelatuje obok Ziemi w miarę obrotu gwiazdy” – powiedział główny autor Michaił Miedwiediew, profesor fizyki i astronomii na ALK. „Obserwujemy to jako emisję impulsową, zwykle z jednym lub dwoma impulsami na obrót. Konkretny pulsar, o którym mówię, znany jest jako Pulsar Kraba i znajduje się w centrum Mgławicy Krab, 6000 lat świetlnych od nas.
Mgławica Krab jest pozostałością po supernowej, która pojawiła się w 1054 roku.
„Zapisy historyczne, w tym chińskie, opisują niezwykle jasną gwiazdę pojawiającą się na niebie” – powiedział badacz z KU.
Unikalna charakterystyka Pulsara Kraba
Jednak w przeciwieństwie do innych znanych pulsarów Miedwiediew powiedział, że Pulsar Kraba charakteryzuje się wzorem zebry – niezwykłym odstępem pasm w widmie elektromagnetycznym proporcjonalnym do częstotliwości pasm oraz innymi dziwnymi cechami, takimi jak wysoka polaryzacja i stabilność.
„Jest bardzo jasno, praktycznie we wszystkich pasmach fal” – powiedział. „To jedyny obiekt, o którym wiemy, który wytwarza wzór zebry i pojawia się tylko w jednej składowej emisji z Pulsara Kraba. Główny impuls jest impulsem szerokopasmowym, typowym dla większości pulsarów, z innymi składnikami szerokopasmowymi typowymi dla gwiazd neutronowych. Jednakże interimpuls o wysokiej częstotliwości jest wyjątkowy i mieści się w zakresie od 5 do 30 gigaherców – częstotliwości podobnych do częstotliwości w kuchence mikrofalowej.
Ponieważ wzór ten odkryto w artykule z 2007 roku, badacz z ALK stwierdził, że okazał się on dla badaczy „zaskakujący”.
„Naukowcy zaproponowali różne mechanizmy emisji, ale żaden nie przekonująco wyjaśnił zaobserwowane wzorce” – powiedział.
Nowe spostrzeżenia z optyki falowej
Wykorzystując dane z Crab Pulsar, Miedwiediew opracował metodę wykorzystującą optykę falową do pomiaru gęstości pulsara osocze – „gaz” naładowanych cząstek (elektronów i pozytonów) – wykorzystujący wzór prążków występujący w impulsach elektromagnetycznych.
„Jeśli masz ekran i obok niego przechodzi fala elektromagnetyczna, nie rozchodzi się ona prosto” – powiedział Miedwiediew. „W optyce geometrycznej cienie rzucane przez przeszkody rozciągałyby się w nieskończoność – jeśli jesteś w cieniu, nie ma światła; poza nim widzisz światło. Jednak optyka falowa wprowadza inne zachowanie – fale zaginają się wokół przeszkód i interferują ze sobą, tworząc sekwencję jasnych i ciemnych prążków w wyniku konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji”.
To dobrze znane zjawisko prążków jest spowodowane stałą interferencją konstruktywną, ale ma inną charakterystykę, gdy fale radiowe rozchodzą się wokół gwiazdy neutronowej.
„Typowy obraz dyfrakcyjny wytworzyłby równomiernie rozmieszczone prążki, gdybyśmy mieli gwiazdę neutronową jako tarczę” – powiedział Miedwiediew. „Ale tutaj pole magnetyczne gwiazdy neutronowej generuje naładowane cząstki tworzące gęstą plazmę, która zmienia się wraz z odległością od gwiazdy. Gdy fala radiowa rozchodzi się przez plazmę, przechodzi przez obszary rozcieńczone, ale jest odbijana przez gęstą plazmę. Odbicie to różni się w zależności od częstotliwości: niskie częstotliwości odbijają się na dużych promieniach, rzucając większy cień, podczas gdy wysokie częstotliwości tworzą mniejsze cienie, co skutkuje różnymi odstępami prążków”.
Implikacje dla badań astrofizycznych
W ten sposób Miedwiediew ustalił, że materia plazmy Pulsara Kraba powoduje dyfrakcję impulsów elektromagnetycznych odpowiedzialnych za wzór pojedynczej zebry gwiazdy neutronowej.
„Ten model jest pierwszym, który może zmierzyć te parametry” – powiedział Miedwiediew. „Analizując prążki, możemy wydedukować gęstość i rozkład plazmy w magnetosferze. To niesamowite, ponieważ te obserwacje pozwalają nam przekształcić pomiary prążków w rozkład gęstości plazmy, zasadniczo tworząc obraz lub wykonując tomografię magnetosfery gwiazdy neutronowej.”
Następnie Miedwiediew powiedział, że jego teorię można przetestować, gromadząc więcej danych z Crab Pulsar i udoskonalić, biorąc pod uwagę jego potężne i dziwne efekty grawitacyjne i polaryzacyjne. Nowe zrozumienie tego, jak materia plazmy zmienia sygnał pulsara, zmieni sposób, w jaki astrofizycy rozumieją inne pulsary.
„Crab Pulsar jest w pewnym sensie wyjątkowy — jest stosunkowo młody jak na standardy astronomiczne, ma zaledwie około tysiąca lat i jest bardzo energiczny” – powiedział. „Ale nie jest sam; znamy setki pulsarów, w tym kilkanaście młodych. Za pomocą proponowanej metody można również badać znane pulsary podwójne, które wykorzystano do przetestowania ogólnej teorii względności Einsteina. Badania te rzeczywiście mogą poszerzyć naszą wiedzę i techniki obserwacji pulsarów, szczególnie młodych i energetycznych.”
Odniesienie: „Origin of Spectral Bands in the Crab Pulsar Radio Emission” autorstwa Michaiła V. Miedwiediewa, 15 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.205201
Niniejszy materiał opiera się na pracach wspieranych przez National Science Foundation w ramach nagrody nr PHY-2409249 i PHY-2010109.
