|
Новое объяснение быстрым радиовсплескам
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые провели первое глобальное моделирование чудовищных толчков — одних из сильнейших во Вселенной — и показали, как эти экстремальные явления в магнитосферах магнетаров могут быть ответственны за возникновение быстрых радиовсплесков (FRB).
|
|
|
|
Магнетары - это молодые нейтронные звезды с чрезвычайно сильными магнитными полями, достигающими на их поверхности 1015 Гаусс. Эти космические электростанции производят интенсивную рентгеновскую активность и стали кандидатами для объяснения FRB - загадочных радиовсплесков миллисекундной длительности, обнаруживаемых со всего космоса. Связь между магнетарами и FRB укрепилась в 2020 году, когда от галактического магнетара SGR 1935+2154 наблюдался одновременный всплеск рентгеновского излучения и радиоизлучения.
|
|
|
|
Исследование, проведенное под руководством Доминика Бернарди, аспиранта Вашингтонского университета в Сент-Луисе, исследует формирование гигантских ударных волн в реалистичной геометрии магнитосферы.
|
|
|
|
"Магнетары молоды (обычно им всего несколько тысяч лет), это коллапсировавшие остатки звезд с одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной", - сказал Бернарди Phys.org. "Поскольку они молоды, их внутренности еще не полностью восстановились после их бурного формирования, и они могут вызывать сильные волны в окружающей их плазме".
|
|
|
|
|
|
|
От волн до чудовищных ударов
|
|
|
|
Эти волны, известные как быстрые магнитозвуковые волны, естественным образом возникают в магнетарных магнитосферах благодаря различным механизмам - от звездотрясений и смещений земной коры до процессов преобразования мод в более отдаленных областях магнитосферы.
|
|
|
|
Когда эти волны распространяются наружу через магнитосферу, происходит нечто удивительное: в то время как амплитуда волны уменьшается с увеличением радиуса, фоновое магнитное поле уменьшается еще быстрее. Это приводит к росту относительной амплитуды волны, пока она не становится сравнимой с самим фоновым полем.
|
|
|
|
"Было показано, что волны магнитного давления в этой среде могут превращаться в сильнейшие толчки во Вселенной", - сказал Бернарди. "Эти "чудовищные толчки" создают когерентное радиоизлучение, многообещающий механизм для создания важного космологического переходного процесса - быстрой радиовсплеска".
|
|
|
|
Что качественно отличает эти чудовищные толчки от других астрофизических потрясений, так это их уникальный механизм образования.
|
|
|
|
"Плазма перед ударной волной "всасывается" во фронт ударной волны подобно пылесосу", - объяснил Бернарди. "Именно на этой стадии вакуумирования плазма разгоняется до чрезвычайно высоких энергий, и эта энергия высвобождается, когда ускоренная плазма ударяется о ударную волну".
|
|
|
|
В сочетании с исключительно сильными магнитными полями магнетаров чудовищные толчки рассеивают магнитную энергию гораздо эффективнее, чем другие астрофизические толчки.
|
|
|
|
Предыдущие исследования изучали чудовищные толчки только в упрощенной геометрии — в частности, толчки, распространяющиеся перпендикулярно магнитному полю в экваториальной плоскости. В ходе текущего исследования было выполнено первое глобальное 2D-моделирование методом частиц в ячейках (PIC) образования гигантского ударного разряда в реалистичной дипольной магнитосфере с использованием кода Aperture code.
|
|
|
|
Эти симуляции охватывали как крупномасштабную структуру магнитосферы, так и физику ударного разряда в крошечных кинетических масштабах.
|
|
|
|
"Самая большая проблема заключается в разработке модели, которая может учитывать как глобальный масштаб структуры, так и крошечный масштаб кинетики плазмы", - объяснил Бернарди. Команда использовала осесимметрию (сведение к 2D), логарифмические радиальные сетки и масштабирование параметров с помощью аналитических соотношений, чтобы свести масштабы к минимуму.
|
|
|
|
Моделирование подтвердило, что мощные толчки ускоряют плазму в восходящем потоке до экстремальных значений коэффициента Лоренца, которые линейно изменяются в зависимости от фоновой намагниченности и длины волны-предшественника. Ускорение оказалось немного более эффективным, чем предсказывалось ранее с помощью МГД. Они также выявили трехмерную структуру ударных волн, ограничивающую когерентное излучение-предшественник ГГц узкой экваториальной полосой (от 7 до 23 градусов широты, в зависимости от длины волны).
|
|
|
|
"Используя моделирование на основе первых принципов, мы впервые демонстрируем масштабы этих мощных толчков в реалистичной магнитосфере", - сказал Бернарди. "Наше моделирование показывает пространственную структуру этих ударных волн, что позволяет нам ограничить угловой диапазон, в котором может быть произведено когерентное излучение".
|
|
|
|
Вблизи магнитного экватора, где ударные волны остаются квазиперпендикулярными полю, ускоренная плазма образует солитоны - когерентные пики плотности/магнитного поля. "Заряженные частицы начинают вращаться по фазе, образуя когерентные структуры, называемые солитонами, которые генерируют излучение в ГГц, которое мы наблюдаем как волны-предшественницы", - объяснил Бернарди. На более высоких широтах выравнивание поля подавляет этот механизм синхротронного мазера.
|
|
|
|
Объединив результаты своего моделирования с аналитическими масштабными соотношениями, исследователи смогли предсказать свойства волн-предшественников в реалистичных условиях магнетара.
|
|
|
|
В качестве типичных параметров рассмотрим магнетар с поверхностным магнитным полем около 1015 гаусс, создающий рентгеновскую вспышку со светимостью 1042 эрг/с. Механизм monster shock mechanism предсказывает пик радиоизлучения на частоте приблизительно 0,22 ГГц, при яркости около 1038 эрг/с и длительности отдельных толчков около 0,5 мс.
|
|
|
|
"Наши результаты являются первыми, которые демонстрируют эффективность этих чудовищных ударов непосредственно с помощью моделирования, подтверждая, что они действительно способны ускорять плазму до ультрарелятивистских энергий", - сказал Бернарди. "После такой экстраполяции многое хорошо согласуется с наблюдениями: частоты волн-предшественников, по-видимому, совпадают с тем, что мы видим в FRB".
|
|
|
|
Для SGR 1935+2154 — галактического магнетара, расположенного позади FRB 200428, — прогнозируемая частота излучения составляет около 1,4 ГГц, что соответствует данным STARE2, обнаруженным на частоте от 1,281 до 1,468 ГГц. Значения яркости согласуются с наблюдениями CHIME и STARE2.
|
|
|
|
Важным аспектом является эффективность излучения. В сильно намагниченных средах, таких как магнетарные магнитосферы, традиционная физика ударных волн предполагает, что генерация волн-предшественников должна быть крайне неэффективной, слишком слабой, чтобы объяснить FRB. Однако механизм гигантских ударных волн коренным образом меняет эту картину.
|
|
|
|
"В случае мощных ударных волн, поскольку плазма эффективно ускоряется до того, как попадает в зону ударной волны, это значительно повышает эффективность когерентного излучения до такой степени, что может разумно объяснить некоторые наблюдаемые FRB", - отметил Бернарди. "Мы считаем, что все эти аспекты в совокупности усиливают связь этих чудовищных толчков с наблюдаемыми FRB".
|
|
|
|
Исследование также показало, что последовательные длины волн серии быстрых волн могут вызывать множественные толчки, что потенциально может привести к образованию субструктуры в наблюдаемых всплесках на временных масштабах около 0,6 миллисекунд. Это соответствует подструктурам, наблюдаемым в некоторых наблюдениях FRB.
|
|
|
|
Дальнейшие направления
|
|
|
|
Несмотря на многообещающий характер для некоторых FRB, этот механизм имеет свои ограничения. Космологические вспышки с высокой яркостью, такие как FRB 20220610A (1045 эрг/с), могут привести к образованию оптически плотных огненных шаров, выход радиоизлучения из которых маловероятен.
|
|
|
|
"До сих пор неясно, смогут ли FRB, образовавшиеся таким образом, покинуть магнитосферу", - сказал Бернарди. "Чтобы понять это, потребуется крупномасштабное моделирование, которое изучит долгосрочную эволюцию этих толчков и излучение, которое они производят".
|
|
|
|
Исследователи также подчеркивают необходимость систематического изучения волн-предшественников ударных волн при различных наклонах магнитного поля для получения более точных прогнозов радиоспектров и поляризации. Кроме того, плазма, находящаяся ниже по течению, должна производить некогерентное рентгеновское и гамма-излучение, которое может приводить в действие некоторые рентгеновские вспышки, наблюдаемые от магнетаров.
|
|
|
|
"Чудовищные толчки являются многообещающим механизмом для создания FRB, поскольку когерентное излучение, испускаемое ударами, естественным образом воспроизводит многие наблюдаемые свойства всплесков", - заключил Бернарди. "Наши результаты подтверждают связь мощных толчков с быстрыми радиовсплесками и определяют важные шаги, которые необходимо предпринять, чтобы понять излучение от мощных толчков и глобальных потрясений в целом".
|
|
|
|
Источник
|
