Астрономы разгадали загадку полосатого узора Крабовидного пульсара

Фото из открытых источников

Двадцать лет астрономическое сообщество гадало, почему Крабовидный пульсар — остаток звезды, образовавшийся в результате сверхновой, задокументированной китайскими и японскими астрономами в 1054 году, — излучает радиоволны с узором из ярких и темных полос, настолько резким, что исследователи назвали его «зебровым узором». Теперь физик-теоретик из Канзасского университета усовершенствовал свою модель до такой степени, что последний элемент головоломки, гравитационное линзирование, идеально подходит для объяснения этого явления в целом.

Михаил Медведев, профессор физики и астрономии этого учреждения, представит свои выводы на Всемирном физическом саммите Американского физического общества, который состоится с 15 по 20 марта 2026 года в Колорадском конференц-центре в Денвере, и уже опубликовал соответствующую статью в журнале Journal of Plasma Physics.

Медведеву удалось продемонстрировать, что гравитация, деформируя ткань пространства-времени, действует как линза, взаимодействующая с плазмой в магнитосфере пульсара и генерирующая интерференционные полосы, которые радиотелескопы обнаруживают с поразительной четкостью.

Как объясняет исследователь, гравитация не просто притягивает массивные объекты, но и изменяет геометрию Вселенной. Гравитация меняет форму пространства-времени, утверждает Медведев, добавляя, что свет не распространяется по прямой линии в гравитационном поле, потому что само пространство искривлено. То, что в плоском пространстве было бы прямой траекторией, становится искривленным при сильной гравитации, и в этом смысле гравитация действует как линза в искривленном пространстве-времени.

Хотя концепция гравитационного линзирования широко используется в контексте черных дыр, случай Крабовидного пульсара — единственный, в котором астрономы могут наблюдать своего рода противостояние между плазмой и гравитацией, формирующее регистрируемый сигнал. На изображениях черных дыр гравитация действует одна; в Крабовидном пульсаре оба эффекта сочетаются, и это представляет собой первое реальное применение этого совместного явления в астрофизическом объекте.

Пульсар Краба расположен относительно недалеко по астрономическим меркам, в центре туманности Краба, в рукаве Персея Млечного пути, примерно в 6500 световых годах от Земли, и его легко наблюдать. Такая близость и простота наблюдения делают его неисчерпаемым источником информации о туманностях, сверхновых и нейтронных звездах в целом.

Особенность этого пульсара заключается в его спектре, демонстрирующем необычайную структуру. В отличие от обычных спектров, таких как спектр солнечного света, который содержит непрерывный диапазон цветов, пульсар Краба показывает дискретные спектральные полосы в своих высокочастотных импульсах. Если бы это была радуга, то отображались бы только определенные цвета, и ничего между ними не было бы.

Большинство радиоизлучений пульсаров имеют более широкий спектр и более высокий уровень шума, и не демонстрируют таких четких полос, как у Крабовидной туманности. Полосы абсолютно резкие, между ними полная темнота. Одна яркая полоса, затем ничего, затем другая яркая полоса, затем снова ничего, и ни один другой известный пульсар не демонстрирует подобной полосатости.

Именно эта особенность сделала Крабовидный пульсар особенно интересным и одновременно особенно сложным для понимания. Разработанная Медведевым ранее модель смогла воспроизвести существование полос, но не смогла объяснить чрезвычайно высокий контраст, наблюдаемый в реальных условиях. На более раннем этапе своих исследований ученый установил, что вещество в виде плазмы, окружающее пульсар, вызывает дифракцию в электромагнитных импульсах, и что именно эта дифракция в первую очередь отвечает за «зебровый» узор, но чего-то все же не хватало.

Этим чем-то была теория Эйнштейна. Включив в модель гравитационные эффекты, Медведев обнаружил, что гравитация играет решающую роль. Предыдущая теоретическая модель могла создавать полосы, но не с таким наблюдаемым контрастом, и включение гравитации восполняет недостающий элемент.

Для объяснения этого явления он предлагает оптическую аналогию: плазма в магнитосфере пульсара ведет себя как линза, но рассеивающая свет, а не фокусирующая его, то есть рассеивающая линза. Гравитация, напротив, действует как собирающая линза, притягивая световые лучи внутрь. Когда эти два эффекта перекрываются, существуют определенные траектории, в которых они компенсируют друг друга.

Сочетание расходящейся магнитосферной плазмы и сходящейся гравитации генерирует интерференционные полосы, как синфазные, так и противофазные, в интенсивности радиоволн, и именно эти полосы выглядят как «зебровые полосы» пульсара. В силу симметрии, существует по меньшей мере две такие траектории для света, и когда два почти идентичных пути несут свет к наблюдателю, образуется естественный интерферометр.

Сигналы объединяются и на некоторых частотах усиливают друг друга, когда находятся в фазе, образуя яркие полосы, в то время как на других частотах они взаимно компенсируются, когда находятся в противофазе, создавая полную темноту. В этом и заключается суть интерференционной картины.

Медведев доволен, поскольку механизм, порождающий наблюдаемый «зебровидный» узор, объяснен практически полностью. По его мнению, нет необходимости добавлять много новых физических принципов для качественного объяснения полос. Количественно всегда можно внести уточнения, например, учесть тот факт, что текущая модель включает гравитацию в статическом приближении низшего порядка, в то время как пульсар вращается. Включение эффектов вращения могло бы внести количественные, хотя и не качественные, изменения в модель.

Значение этой работы выходит за рамки простого понимания любопытного явления. Медведев отмечает, что это открытие может позволить ученым исследовать вращающиеся гравитационные объекты более прямым способом, чем это было возможно ранее. Более того, новое понимание этого явления может привести к более глубокому пониманию пульсаров в целом, которые представляют собой малые объекты, которые трудно визуализировать.

Эта модель также предоставляет уникальную площадку для проверки теории пульсаров и моделирования, и может стать чувствительным инструментом для изучения распределения материи вокруг нейтронных звезд и даже, благодаря их гравитационному воздействию, для исследования недр этих экзотических объектов.