ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2011, том 37, № 4, с. 303-308
УДК 524.354
О ПРИРОДЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ МАГНИТАРОВ
С БОЛЬШОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ
© 2011 г. А. В. Степанов1*, В. В. Зайцев2, Э. Валтаойя3
1 Главная астрономическая обсерватория РАН, Пулково 2Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород 3Университет Турку, Обсерватория Туорла, Финляндия Поступила в редакцию 21.06.2010 г.
Предложена модель высокочастотных (20—2400 Гц) квазипериодических пульсаций магнитаров на основе представления корональных магнитных петель в виде эквивалентных электрических НЬС-контуров. Дано объяснение наблюдаемых периодов квазипериодических пульсаций и их высокой добротности Q « 104—105. Из модели следует возможность возбуждения квазипериодических пульсаций не только в "хвосте" вспышки, но и перед основным импульсом. Оценены параметры источника пульсаций на стадии "звенящего хвоста" вспышки БОН 1806—20 27 декабря 2004 г.: величина электрического тока I« 3 х 1019 А, минимальное значение магнитного поля Вт;п ~ 1013 Гс и концентрация электронов п « 2 х 1016 см~3.
Ключевые слова: магнитары, квазипериодические осцилляции, корональные петли.
ВВЕДЕНИЕ
Три гигантских вспышки нейтронных звезд, произошедшие 5 марта 1979 г. (БОН 0526—66), 27 августа 1998 г. (БОН 1900+14) и 27 декабря 2004 г. (БОН 1806—20), с энерговыделением 1044—1046 эрг сопровождались высокочастотными (десятки-тысячи Герц) квазипериодическими пульсациями (КПП) рентгеновского излучения (Барат и др., 1983; Израэль и др., 2005; Вьетри и др., 2007; Уоттс, Штромайер, 2007; Бо Ма и др., 2008). Такие пульсации наблюдались не только на "хвостах" вспышек, спустя 100—300 с после основного импульса длительностью с, но и на фазе роста основного импульса (Барат и др., 1983; Палмер и др., 2005; Терасава и др., 2005). Наибольшее разнообразие пульсаций, с частотами от 18 до 2384 Гц, зарегистрировано космическими обсерваториями НХТЕ и ННЕББ1 на "звенящем хвосте" вспышки БОН 1806—20 (Штромайер, Уоттс, 2006). Амплитуда высокочастотных пульсаций модулируется вращением магнитара со "спиновым" периодом порядка нескольких секунд (Штромайер, Уоттс, 2006).
Модель высокочастотных пульсаций должна объяснять не только их период и механизм возбуж-
Электронный адрес: stepanov@gao.spb.ru
дения, но и их высокую добротность, Q ^ 104—105. Так, в ходе вспышки БОН 1806—20 27 декабря 2004 г. пульсации с частотой 1840 Гц наблюдались в течение 50 с, а пульсации с частотой 625 Гц длились 200 с (Вьетри и др., 2007). Значительная часть существующих моделей не в состоянии объяснить полный набор наблюдаемых характеристик пульсаций с частотами от 20 до 2400 Гц. Наш подход основан на представлении источника пульсаций — горячей электронно-позитронной плазмы, захваченной магнитным полем, в виде системы магнитных петель с электрическим током (Белобородов, Томпсон, 2007) и по аналогии со вспышечной аркой эквивалентным ЕЬС-контуром (Альвен, Карлквист, 1967; Зайцев, Степанов, 1992, 2008). В качестве иллюстрации эффективности предложенной модели проведена диагностика короны магнитара БОН 1806—20.
КРАТКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ
По современным представлениям гигантские вспышки БОН — одиночных нейтронных звезд с радиусом ~ 10—30 км, массой ~1.5М®, магнитным полем В ~ 1014—1015 Гс возникают вследствие внезапных возмущений металлической коры звезды: движений "тектонических плит" (Рудерман,
Схематическое изображение токонесущей корональ-ной магнитной петли, вмороженной в поверхность нейтронной звезды. Электрический ток инициируется звездотрясениями, которые приводят к скручиванию одного или двух оснований петли. Ток течет вдоль петли и замыкается в металлической коре магнитара (Белобородов, Томпсон, 2007).
1991), звездотрясений, инициирующих катастрофическую перестройку электрических токов и полей магнитосферы, которая сопровождается громадным энерговыделением, 1044—1046 эрг. Формирующийся горячий плазменный "пузырь" (fireball-''пузырь") горячей (~1 МэВ) электронно-позитронной плазмы и высокоэнергичных фотонов (Томпсон, Данкен, 2001) является источником основного импульса вспышки, длящегося доли секунды. Горячий плазменный "пузырь" покидает поверхность звезды со скоростью света. Остающийся "осадок" — захваченный горячий "пузырь" (trapped fireball), т.е. плазма, захваченная вмороженным в кору звезды магнитным полем, распадается в течение нескольких минут и обеспечивает "хвост" вспышки, на котором наряду со "спиновыми" секундными осцилляциями ярко проявляются высокочастотные КПП.
Наиболее популярными являются модели высокочастотных КПП, основанные на глобальных сейсмических колебаниях магнитара (см., например, Уоттс, Штромайер, 2007; Тимохин и др., 2008; Колайда и др., 2009). Популярность таких моделей обусловлена бурным развитием астеросейсмоло-гии, открывающей новые возможности в изучении внутренней структуры и коры нейтронных звезд. Ранние модели нейтронных звезд подразумевали возбуждение при звездотрясениях крутильных колебаний коры с широм. Движения коры вызывают модуляцию сверхсильных (1014—1015 Гс) магнитных полей и электрических токов в магнитосфере нейтронной звезды, обеспечивающую вариации потока рентгеновского излучения (Штромайер, Уоттс, 2006; Тимохин и др., 2008). На этом пути удается объяснить осцилляции с периодами от 30 Гц (мода n = 0, l = 2) до 1840 Гц (n = 3). Однако наблюдаемые пульсации с частотой ^20 Гц
уже не поддаются объяснению крутильными колебаниями коры с широм (Уоттс, Штромайер, 2006). В сейсмических моделях не исследуется и причина высокой добротности осцилляций. Более того, Левин (2006, 2007) обратил внимание на быстрое, за время порядка 10 осцилляций, затухание крутильных мод коры вследствие перекачки их энергии в альвеновские волны, которые эффективно затухают во внутренних слоях магнитара. Поэтому по мнению Левина либо КПП должны иметь магнито-сферное происхождение, либо выходящее из ядра магнитное поле должно обладать специальной конфигурацией перед вспышкой. В настоящее время в сейсмических моделях КПП обсуждаются роль тонкой структуры коры и особенности конфигурации магнитного поля нейтронных звезд (Андерсон и др., 2009; Колайда и др., 2009).
Возможную альтернативу механизму глобальных сейсмических колебаний, состоящую в том, что источник КПП расположен в магнитосфере, предложили Белобородов и Томпсон (2007), которые обратили внимание на то, что при формировании короны магнитара, состоящей из совокупности магнитных петель (см. рисунок), возникают нелинейные осцилляции рождения электронно-позитронных пар. Электрическое поле, возникшее в аркообразной магнитной трубке вследствие ее скручивания, и плазма короны регулируют друг друга самосогласованно. А именно, электрическое поле должно быть достаточно большим для рождения электронно-позитронных пар, но при насыщении короны плазмой поле уменьшается из-за экранировки. Затем процесс повторяется. Численный эксперимент показал, что осцилляции электрического тока в корональной петле могут быть достаточно высокочастотными, ~10 кГц (Белобородов, Томпсон, 2007). Интерпретацию КПП на основе МГД-колебаний корональных магнитных петель в короне магнитара предложили Бо Ма и др. (2008). Авторы указанной работы считают, что колебания магнитных петель возбуждает турбулентность в основаниях петель, расположенных в металлической коре звезды. При этом для объяснения наблюдаемых частот КПП в SGR 19001 + + 14 и SGR 1806-20 (18, 26, 30, 92, 150 Гц) привлекаются стоячие медленные магнитозвуко-вые волны корональных магнитных петель, модулирующие излучение SGR. Бо Ма и др. (2008) отмечают, что предложенный механизм, тем не менее, не объясняет высокочастотные пульсации, с частотой 625 и 1840 Гц. Более успешным представляется привлечение МГД-колебаний корональных магнитных петель для объяснения низкодобротных секундных пульсаций гамма-барстеров (Драневич и др., 2009).
О ПРИРОДЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ МАГНИТАРОВ
305
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПОДХОД:
ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЬС-КОНТУР
Предлагаемая нами модель высокочастотных пульсаций магнитаров основана на идеях коро-нальной сейсмологии, изучающей колебания и волны в коронах звезд (Накаряков и др., 1999). Ко-рональная сейсмология оказалась весьма эффективной в диагностике параметров корон и вспы-шечной плазмы не только Солнца, но и звезд поздних спектральных классов (Накаряков, Степанов, 2007; Зайцев, Степанов, 2008). В настоящее время в корональной сейсмологии развиваются два подхода. Первый подход, основанный на работах Зайцева, Степанова (1975) и Робертса и др. (1983), исследует МГД-колебания и волны в фундаментальных структурах корон звезд — коро-нальных магнитных арках (петлях). В таких структурах происходит вспышечное энерговыделение. Второй подход основан на идее Альвена и Карл-квиста (1967) о вспышечной петле как эквивалентном электрическом контуре. Основные положения такого подхода можно найти в обзорах Зайцева, Степанова (2008) и Ходаченко и др. (2009).
Корону магнитара и "захваченный пузырь", с которыми связывают "звенящий хвост", можно представить в виде набора токонесущих магнитных петель (см. рисунок) различного размера, собственные частоты и добротность которых выражаются известными соотношениями
= [2ттл/ЬС
-1 1 Ь
■ «=дУс- (1)
где К и С — сопротивление и емкость корональной петли, Ь — индуктивность, определяемая геометрией петли. Ее можно выразить формулой тонкой проволоки с длиной, много большей радиуса, I ^ г (Ландау, Лифшиц, 1982):
Ь = 21 [\п — — —
пг 4
(2)
Зная энергию Е = Ы2/2, выделившуюся в хвосте вспышки, можно определить ток I в корональ-ных арках "захваченный пузырь" и, следовательно, плотность корональной плазмы и величину р-компоненты магнитного поля. Наблюдаемая мощность энерговыделения Ш = К12 позволяет найти сопротивление К корональной токонесущей петли, а из частоты осцилляций оценить ее емкость С, т.е. и добротность осцилляций Q. Проиллюстрируем эффективность предложенной модели на примере наиболее мощного из известных событий БОН с развитыми КПП.
ВСПЫШКА БОН 1806-20 27 ДЕКАБРЯ 2004 г.
Выделившаяся при вспышке энергия составляла величину порядка 5 х 1046 эрг,
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.