УДК 524.354.4-337
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАДИОПУЛЬСАРОВ
© 2015 г. В. М. Конторович*
Радиоастрономический институт Национальной академии наук Украины, Харьков, Украина Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, Харьков, Украина Поступила в редакцию 10.09.2014 г.; принята в печать 24.09.2014 г.
По высокочастотному обрыву (излому) спектра пульсара в предположении генерации радиоизлучения в полярном зазоре определены магнитные поля в области полярной шапки для 33 одиночных пульсаров из Пущинской выборки. В модели преобладающих магнитодипольных потерь для пульсаров этой выборки найдены углы между осями. Близость значительного числа углов к 90° в отсутствие интеримпульсов для этих пульсаров может поставить под сомнение преобладание магнитодипольных потерь. В случае токовых потерь по высокочастотному излому может быть определен продольный ток через магнитосферу пульсара.
DOI: 10.7868/80004629915040040
1. ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей характеристикой пульсаров является значение напряженности магнитного поля на поверхности звезды. В отличие от рентгеновских пульсаров, где наблюдение циклотронной линии в спектре позволяет определить значение магнитного поля, в радиопульсарах поле оценивается косвенно по произведению периода на его производную в предположении магнитодипольных потерь. Эти значения поля фигурируют во всех каталогах пульсаров. Между тем, в литературе уже давно высказывались опасения, что эти значения поля не соответствуют действительности, так как существует целый ряд диссипативных механизмов, которые приводят к потерям, в определенных ситуациях превышающим магнитодипольные. Об этом свидетельствует также индекс торможения, существенно отличающийся от магнитодипольного значения у многих пульсаров (см. ссылки и уточнения ниже и в Заключении).
Возможность наблюдения циклотронной линии железа в спектре рентгеновских пульсаров была предсказана Гнединым и Сюняевым [ 1]. Благодаря ее наблюдению Трюмпером и др. [2] удалось определить магнитное поле нейтронной звезды, входящей в состав рентгеновского пульсара.
В случае радиопульсаров такая возможность отсутствует. Для них характерен сплошной степенной спектр без линий. Тем не менее мы попытаемся определить магнитное поле радиопульсара по особенностям спектра радиоизлучения (рис. 1) в
E-mail: vkont@rian.kharkov.ua
том случае, когда преобладает излучение за счет продольного ускорения в полярном зазоре.
Предлагается использовать для определения магнитного поля одиночных радиопульсаров такие особенности спектра радиоизлучения одиночных пульсаров, как высокочастотный обрыв спектра и (или) низкочастотный завал (положение максимума спектра), детально изучавшиеся в ПРАО [3—5] (см. также обсуждение этой проблемы в [6]). При этом предполагается, что радиоизлучение в пульсарах данной выборки с изломом спектра возникает в полярном зазоре [8], причем мы ограничимся случаем, когда оно возникает за счет продольного ускорения электронов [9, 10]. Так как "каталожное"1 магнитное поле [11] в качестве множителя2 содержит синус угла между осью вращения и магнитной осью, а поле, определяемое по высокочастотному завалу спектра, содержит косинус этого угла, их отношение в модели магнитодипольных потерь представляет собой тангенс угла между осями. После этого находится как угол, так и абсолютная величина магнитного поля.
Поскольку оказалось, что значительное число пульсаров, согласно данной схеме, имеет углы, достаточно близкие к 90° или к 0°, среди них должны были бы преобладать пульсары с интеримпульсами. Этого, однако, не наблюдается. Так, из 6 пульсаров списка с углами, большими 75°, только 2 имеют интеримпульсы. Поэтому преобладание
'Удвоенное, так как нас интересует магнитное поле в области полярной шапки, а не на экваторе, если считать магнитное поле пульсара чисто дипольным.
2За излучение в этом механизме ответственна ортогональная к оси вращения компонента магнитного поля.
Е, 10-29 Дж м-2 Гц-1 103
102
101
100
10-
10-
10-
10-
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
Интенсивность, фот./см2 с кэВ
Нег Х-1
РБЯ1929
100
101
ГГц
10-
10-
10-
10-
п
50 100 150 200 Энергия фотонов,кэВ
Рис. 1. Слева — пример спектра с высокочастотным изломом и низкочастотным завалом [1, 2] из каталога Малофеева [4]. Для 32 пульсаров, у которых наблюдается и высокочастотный излом, и низкочастотный завал спектра, из наблюдений [3] следует связь между этими частотами. Справа — гиролиния железа 56 кэВ в спектре Геркулеса Х-1 [2]. Магнитное поле на поверхности нейтронной звезды оказалось равным 5 х 1012 Гс [7].
0
магнитодипольных потерь оказывается проблематичным (ср. с работой [6])3.
В случае если преобладает токовый механизм потерь, определенное нами отношение полей описывает продольный ток через магнитосферу, являющийся ключевым параметром в такой модели [12]. Для определения величины поля в этом случае требуется знать угол между осями, найденный по другим данным (см., например, [5, 13, 14]).
В заключение обсуждаются перспективы и ограничения предлагаемого метода.
2. ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ
Физический механизм, лежащий в основе предлагаемого способа определения магнитного поля одиночных радиопульсаров, связан с тем, что ускоряющее электрическое поле в зазоре своим происхождением обязано магнитному полю и вращению. Механизм излучения во внутреннем зазоре за счет продольного ускорения [9, 10] приводит к обрыву
3Впрочем для окончательного вывода необходим более детальный анализ поведения продольного электрического поля вблизи поверхности полярной шапки (см. далее сноски 4 и 5). Для уверенных оценок следует также учитывать ширину диаграммы излучения.
спектра на высоких частотах, связанному с выключением этого процесса излучения по достижении электроном релятивистских скоростей [9]. При этом происходит смена механизма излучения, проявляющаяся в высокочастотном изломе спектра, положение которого зависит как от периода, так и магнитного поля, что и предлагается использовать для его определения [15]. Излучение за счет продольного ускорения в полярном зазоре, по нашему мнению, является преобладающим для Пущинской выборки пульсаров [3—5] с высокочастотным изломом спектра. В пользу этого говорит совпадение вычисленной (см. далее ф-лу (1)) и наблюдаемой (см. далее ф-лу (3)) зависимости положения высокочастотного излома от периода, что позволяет связать наблюдаемые изломы спектра с магнитным полем. Дополнительным критерием применимости может служить существование корреляции {Щг) = ) высокочастотного излома и низ-
кочастотного завала [5], связанной, по-видимому, с особенностями ускорения частиц в зазоре [10] при свободном выходе электронов с поверхности звезды.
Таким образом, радиоизлучение пульсаров в полярном зазоре за счет продольного ускорения объясняет положение высокочастотного излома и частоту максимума и их зависимости от параметров
г
Рис. 2. Ускорение электронов т в полярном зазоре в нарастающем от нуля на поверхности пульсара продольном электрическом поле проходит через максимум и стремится к нулю по мере приближения скорости электрона к скорости света (г — высота над поверхностью) [9, 10].
пульсара для Пущинской выборки. Аналитическое выражение для частоты высокочастотного излома и частоты максимума радиоизлучения в пульсарах со свободным выходом электронов с поверхности при этом механизме, согласно [9, 10], имеет вид
"о/
= л/2 х 109 Гц
В
1 с
2 х 1012 Гс Р '
Щг
"о/
2УД
1п
4с2
0.1^
о/
, 4с2
Ш -?г
9.2
(1
(2)
Связь частот высокочастотного излома и низкочастотного завала спектра при условии преобладания обсуждаемого механизма радиоизлучения [16] является следствием того же механизма ускорения в нарастающем от нуля поле на поверхности пульсара. Приведенные формулы служат теоретическим объяснением зависимостей, обнаруженных Малофеевым и Маловым [5] при анализе данных Пущинского каталога спектров пульсаров. Напомним, что при данном механизме практически вся мощность попадает в радиодиапазон, и излучение гигантских радиоимпульсов и гамма-излучение (за счет обратного комптоновского рассеяния) высвечиваются через просветы в магнитосфере (в том числе через волновод вблизи магнитной оси и слоты), приводя к зависимости частоты появления гигантских импульсов от фазы импульса [17] и к корреляции радио- и гамма-излучения [8, 9, 18].
Как было упомянуто выше, характерной особенностью предложенного механизма излучения в зазоре является ограничение возникающего радиоизлучения по частоте. Для Пущинской выборки
Спектральная плотность энергии
Рис. 3. Спектр излучения ускоряемого в нарастающем электрическом поле электрона [9] обрывается по достижении электроном релятивистских энергий. В этом физическая причина высокочастотного излома, когда на смену излучению при продольном ускорении приходят другие, более слабые в этом диапазоне механизмы излучения. Изображенная на графике зависимость при усреднении по полярной шапке приводит к степенному спектру с высокочастотным обрывом [9].
сильных пульсаров это, по нашему мнению, проявляется в виде высокочастотного излома спектра на частоте (1). (При этом в игру вступает следующий по мощности механизм излучения из достаточно богатого набора возможных механизмов излучения для пульсаров). Согласно наблюдательным данным [3—5] частота излома зависит от периода и коррелирует с частотой низкочастотного завала (максимума в спектре):
0.46±0.18
ММ , (3)
(ис/) = 1.4 х 10 Гц ( —
(игг) =0.1 {Ус/) .
(4)
Связь частот высокочастотного излома и низкочастотного завала (4) для Пущинской выборки
[5] играет принципиальную роль в рассматриваемом нами механизме и объясняется особенностями ускорения частиц в зазоре [10]. Обсуждаемая теория подтверждает зависимость (3) частоты излома от периода пульсара и корреляцию (4) с частотой максимума и предсказывает зависимость частоты излома от магнитного поля (1) [9]. Для перехода от теоретической зависимости (1)—(2) к наблюдаемым закономерностям (3)—(4) требуется провести усреднение по магнитным полям (чему соответствуют угловые скобки в (3)—(4)).
Ускорение электрона, имеющего малые тепловые скорости на поверхности пульсара, проходи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.