Более 20 лет астрономов озадачивал поразительный узор из ярких, равномерно расположенных полос в радиоволнах, исходящих от Крабовидного пульсара — плотного остатка сверхновой, зарегистрированного китайскими и японскими астрономами в 1054 году.
В 2024 году астрофизик-теоретик из Канзасского университета предложил решение, которое объяснило большую часть этого необычного «зебровидного» рисунка. Теперь, благодаря уточненному анализу, он определил эффект гравитационного линзирования как последний недостающий элемент, необходимый для полного объяснения этого явления.
«Гравитация меняет форму пространства-времени», — заявил Михаил Медведев, профессор физики и астрономии Канзасского университета, который представит свои выводы на Всемирном физическом саммите Американского физического общества 2026 года, который пройдет с 15 по 20 марта в Колорадском конференц-центре в Денвере.
Соответствующая статья, принятая к публикации в рецензируемом журнале Journal of Plasma Physics, в настоящее время доступна на сайте препринтов arXiv.
«Свет не распространяется по прямой линии в гравитационном поле, потому что само пространство искривлено», — сказал он. «То, что было бы прямым в плоском пространстве-времени, искривляется при наличии сильной гравитации. В этом смысле гравитация действует как линза в искривленном пространстве-времени».
Гравитация и плазма создают уникальное космическое противостояние.
Хотя гравитационное линзирование хорошо известно в исследованиях черных дыр, Медведев говорит, что это первый наблюдаемый случай, когда гравитация и плазма совместно формируют сигнал, обнаруженный из космоса.
«На изображениях черных дыр структура формируется исключительно за счет гравитации, — сказал он. — В пульсаре Краба гравитация и плазма действуют совместно. Это первое реальное применение этого комбинированного эффекта».
Пульсар Краба расположен в центре туманности Краба в рукаве Персея Млечного пути, примерно в 6500 световых годах от Земли. Его относительно небольшое расстояние и хорошая видимость делают его ключевым объектом для изучения нейтронных звезд, остатков сверхновых и туманностей.
Странный сигнал, непохожий ни на один другой пульсар.
Медведев описывает сигнал пульсара как крайне необычный. Вместо непрерывного спектра, как у солнечного света, который плавно распределяется по всем цветам, пульсар Краба производит отчетливые, разделенные полосы.
«В спектре Пульсара наблюдается удивительная закономерность, — сказал Медведев. — В отличие от обычных широких спектров, таких как солнечный свет, который содержит непрерывный диапазон цветов, высокочастотный межимпульсный спектр Крабовидной галактики демонстрирует дискретные спектральные полосы. Если бы это была радуга, то создавалось бы впечатление, что присутствуют только определенные «цвета», без каких-либо промежуточных оттенков».
Большинство пульсаров излучают радиоволны, которые являются шумными и рассеянными в разных частотах. Пульсар Краба выделяется на фоне остальных, имея четко очерченные полосы, разделенные полной темнотой.
«Полосы абсолютно чёткие, между ними полная темнота, — сказал Медведев. — Сначала яркая полоса, потом ничего, яркая полоса, потом снова ничего. Ни один другой пульсар не демонстрирует такой полосатости. Эта уникальность сделала Крабовидный пульсар особенно интересным — и сложным — для понимания».
Гравитация — недостающий элемент.
Более ранние версии модели Медведева могли воспроизводить полосатый узор, но им не удавалось достичь того сильного контраста, который наблюдался в реальных условиях. Его исследования показали, что плазма вокруг пульсара преломляет и распространяет электромагнитные волны посредством дифракции, способствуя формированию этого узора.
Теперь, добавив в модель теорию гравитации Эйнштейна, он учел недостающий контраст.
«Предыдущая теоретическая модель могла воспроизводить полосы, но не с наблюдаемым контрастом. Учет гравитации восполняет недостающий элемент», — сказал Медведев. «Плазму в магнитосфере пульсара можно рассматривать как линзу — но линзу, расфокусирующую свет. Гравитация, напротив, действует как фокусирующая линза. Плазма стремится рассеять световые лучи; гравитация притягивает их внутрь. Когда эти два эффекта накладываются друг на друга, существуют определенные пути, где они компенсируют друг друга».
Интерференционные картины создают полосы зебры.
Взаимодействие плазмы и гравитации создает множество путей для радиоволн пульсара. Когда эти пути совпадают, волны могут либо усиливать, либо взаимно компенсировать друг друга, образуя узор из светлых и темных полос.
Исследователь из Канзасского университета заявил, что сочетание расфокусирующей магнитосферной плазмы и фокусирующей гравитации создает синфазные и противофазные интерференционные полосы интенсивности радиоволн, которые выглядят как зебровые полосы пульсара Краба.
«В силу симметрии, существует по меньшей мере два таких пути для света, — сказал он. — Когда два почти идентичных пути доставляют свет к наблюдателю, они образуют интерферометр. Сигналы объединяются. На некоторых частотах они усиливают друг друга (в фазе), создавая яркие полосы. На других они взаимно компенсируются (вне фазы), создавая темноту. В этом и заключается суть интерференционной картины».
Новый инструмент для изучения нейтронных звёзд
Медведев считает, что основной механизм, лежащий в основе полос зебры, в значительной степени изучен, хотя дальнейшие усовершенствования могут повысить точность.
«По-видимому, для качественного объяснения полос не требуется никаких дополнительных физических расчетов, — сказал Медведев. — Количественно могут потребоваться уточнения. Например, в текущем подходе гравитация учитывается в статическом приближении низшего порядка. Пульсар вращается, и учет вращательных эффектов может привести к количественным изменениям, хотя и не к качественным».
Эта новая модель может предоставить ученым мощный инструмент для изучения вращающихся гравитационных систем и лучшего понимания пульсаров, которые обычно трудно визуализировать напрямую. Она также может помочь составить карту распределения материи вокруг нейтронных звезд и даже дать подсказки об их внутренней структуре через их гравитационное воздействие.
Источник: www.sciencedaily.com
