ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 38, № 9, с. 660-676
УДК 524.354.4
ОБ АНАЛОГИИ МЕЖДУ ЗЕБРА-СТРУКТУРАМИ В РАДИОИЗЛУЧЕНИИ ^ЛН^ И ПУЛЬСАРА В КРАБОВИДНОЙ
ТУМАННОСТИ
(© 2012 г. В. В. Железняков, В. В. Зайцев, Е. Я. Злотник*
Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Поступила в редакцию 27.02.2012 г.
Исследована тесная аналогия между солнечным радиоизлучением, обладающим квазигармонической структурой спектра, и одной из компонент микроволнового радиоизлучения пульсара в Крабовидной туманности в виде так называемой "зебра-структуры". Механизм радиоизлучения этой компоненты может быть обеспечен неустойчивостью на двойном плазменном резонансе и реализован в экстраординарных для радиопульсара условиях, а именно, в нерелятивистской плазме с относительно слабым магнитным полем. Указано на возможные модели источника излучения в форме магнитной ловушки или нейтрального токового слоя с поперечным магнитным полем, локализованных в коротирующей области магнитосферы пульсара вдали от поверхности нейтронной звезды.
Ключевые слова: солнечное радиоизлучение, пульсар в Крабе, зебра-структура.
1. ВВЕДЕНИЕ
Динамические спектры радиоизлучения пульсара в Крабовидной туманности, полученные Хэн-кинсом, Эйлек (2007) и Хэнкинсом и др. (2010), содержат ценную информацию об источнике радиоизлучения и открывают новые возможности для восстановления физических процессов, ответственных за это излучение. В частности, обнаружение тонкой структуры динамического спектра в виде сравнительно узких квазигармонических полос, параллельно дрейфующих во времени, налагает существенные ограничения на выбор возможных механизмов радиоизлучения. Такая ситуация во многом аналогична положению в теории радиоизлучения Солнца, когда с появлением динамического спектрографа в 50—60-е годы удалось классифицировать и объяснить природу многих солнечных радиовсплесков (Уайлд, МасКри-ди, 1950; Железняков, 1964; Кунду, 1965). Более того, именно наличие тонкой структуры спектра солнечного радиоизлучения в виде узкополосных деталей позволило в свое время сделать выбор при интерпретации широкополосного континуума IV типа между синхротронным и плазменным механизмом в пользу последнего (Степанов, 1973; Зайцев, Степанов, 1975; Железняков, Злотник, 1975а,б). Не исключено, что получение динамических спектров радиоизлучения пульсаров также
Электронный адрес: zlot@appl.sci-nnov.ru
будет способствовать более глубокому пониманию природы этого радиоизлучения.
Динамический спектр кратковременных всплесков в промежуточном импульсе радиоизлучения пульсара в Крабе, показанный на рис. 1, во многом аналогичен так называемой зебра-структуре в спектре солнечного радиоизлучения IV типа (Эль-гарей, 1961; Слотье, 1972; Чернов и др., 1999; Аурасс и др., 2003; Чен и др., 2011), примеры которой приведены на рис. 2. Обе структуры представляют собой ряд квазигармонических полос повышенного излучения, расстояние между которыми значительно меньше самой частоты излучения и растет с увеличением частоты. В солнечном радиоизлучении зебра-структура наблюдается в диапазоне длин волн от сантиметров до метров, причем особенно часто она регистрируется в дециметровом диапазоне. Зебра-структура в пульсаре наблюдалась на волнах микроволнового диапазона. На Солнце регистрировалась зебра-структура как с ограниченным числом полос (скажем, три-пять (Слотье, 1972; Алтынцев и др., 2005)), так и с очень большим числом полос (больше десяти (Аурасс, 2003; Кузнецов, 2007)). В излучении пульсара зарегистрировано пять-десять полос в микроволновом диапазоне волн, однако ограничение по частоте сверху связано с шириной диапазона приемного устройства: возможно, что спектр с зебра-структурой простирается на более высокие частоты. Частоты полос изменяются со временем, при этом на динамическом спектре наблюдается
св
н о н о св
3 4
Время, мкс
100 t
50
0
Рис. 1. Динамический спектр типа зебра-структуры в микроволновом излучении пульсара NP 0532 (Хэнкинс, Эйлек, 2007).
(a)
OSRA-Tremsdorf-Germany^ Дата события: 25.10.200*
к^(Интенсивность) [произвольные единицы] 10: 8:20.0 10: 8:30.0 10: 8:40.0 10: 8:50.0
Я
1-ч
140 160
g 180 н
й 200
св
(б)
220
I 11 I I I I I I
1290 1300 1310 1320 1330 Время от начала смешения, с
200 400 600 800 Время, мс
Начало события14 Dec 06 22:40 06.63
100 300
Поток радиоизлучения (с.е.п.)
Рис. 2. Примеры динамических спектров зебра-структуры в солнечном радиоизлучении: (а) — событие 25.10.1994 (Аурасс и др., 2003), (б) — событие 14.12.2006; справа — частотный спектр, усредненный за период времени между 22:40:07.18 UT и 22:40:07.26 UT, отмеченный малым прямоугольником на спектре (Чен и др., 2011).
8
0
1
2
5
6
практически параллельный дрейф полос зебра-структуры.
Кроме того, расстояние между полосами и в солнечном излучении, и в излучении Краба не постоянно: при переходе от одной полосы к другой оно увеличивается с ростом частоты (Злотник и др., 2003; Хэнкинс, Эйлек, 2007). Это свойство регулярной неэквидистантности в обоих объектах является очень важной деталью при выборе механизма радиоизлучения. На первый взгляд, зебра-структура с почти эквидистантными полосами представляет собой результат излучения на гармониках некоторой фундаментальной частоты. В солнечной короне зебра-структуру можно связать с гармониками электронной гирочастоты, соответствующей магнитным полям в короне. Однако, как показал анализ, все особенности спектра зебра-структуры в радиоизлучении Солнца невозможно объяснить излучением в однородном источнике на гармониках гирочастоты: такой гипотезе противоречат, во-первых, слишком малое расстояние между наблюдаемыми полосами (Железняков, Злотник, 1975а,б; Злотник, 2009), во-вторых, отмеченная выше неэквидистантность полос. Как показал анализ, проведенный в работах Железня-кова, Злотник (1975а,б), Койперса (1975) и в ряде
последующих работ, наиболее вероятной причиной появления динамического спектра типа зебра-структуры является эффект двойного плазменного резонанса (ДПР) (Холл и др., 1965; Перлстейн и др., 1966). Эффект состоит в том, что плазменный резонанс, в результате которого возбуждаются продольные плазменные волны, усиливается в тех областях неоднородного источника, где верхняя гибридная частота совпадает с гармониками электронной гирочастоты (см. подробнее раздел 2). Именно на таких частотах и наблюдаются полосы повышенной интенсивности в радиоизлучении Солнца. Существенными аргументами в пользу такого механизма происхождения солнечной зебра -структуры является следующая из теории близость параметров плазмы к реальным значениям плотности и магнитных полей в солнечной короне, известным из независимых наблюдений, а также неэквидистантность полос зебра-структуры (в том числе, наблюдаемое возрастание частотного разнесения с ростом частоты), связанная с генерацией разных полос в разных областях протяженного неоднородного источника. Последнее было подтверждено прямыми наблюдениями (Чен и др., 2011).
Одна из возможных схем происхождения частотных спектров с зебра-структурой в радиоизлу-
чении пульсара в Крабе была предложена Лютиковым (2007), который связал наблюдаемую структуру спектра с неустойчивостью релятивистских электронов на аномальном эффекте Доплера ш — — кцУц = вшв/ч, 5 < 0, где ш — круговая частота волны, шв — гирочастота электронов, кц и гц — компоненты волнового вектора и скорости частицы вдоль магнитного поля, в — номер гармоники, 7 — лоренц-фактор излучающих частиц. Для того чтобы излучение соответствовало микроволновому диапазону, необходимо предположить для излучающих частиц величину лоренц-фактор 7 ~ 7 х х 107 и концентрацию плазмы в области излучения, превышающую на фактор 3 х 105 концентрацию Голдрейха—Джулиана (1969). Кроме того, ультрарелятивистские электроны вряд ли способны обеспечить генерацию радиоизлучения с узкополосными деталями в виде разрешенных полос зебра структуры с расстоянием между ними, существенно меньшим самой частоты.
Аналогия частотных спектров зебра-структуры в радиоизлучении Солнца и пульсара в Крабе позволяет предположить, что и механизмы, ответственные за происхождение "полосатых" динамических спектров, могут быть в обоих случаях одинаковыми (см., в частности, работу Хэнкин-са, Эйлек (2007), где такой механизм упоминался среди других возможных механизмов). Однако общепринятые значения магнитных полей в окрестности пульсара (от значений В ~ 1012 Гс вблизи поверхности нейтронной звезды до В ~ 106 Гс около светового цилиндра) никак не попадают в наблюдаемый микроволновый диапазон излучения со спектром в виде зебра-структуры: частотам f ~ ~ 6—10 ГГц, соответствующим относительно низким гармоникам электронной гирочастоты, отвечают значительно меньшие магнитные поля В ~ ~ 102 Гс. Отметим, что реализация условий ДПР предъявляет и другие весьма жесткие требования к источнику излучения (см. подробнее ниже), которые в рамках обсуждаемых в литературе моделей и параметров Краба выглядят необычными для магнитосферы пульсара. Однако присутствие в спектрах узкополосных деталей в виде зебра-структуры, а также возможность объяснить на основании эффекта ДПР существование параллельных квазигармонических полос повышенного излучения, расстояние между которыми увеличивается с частотой, указывают на принципиальную возможность существования в магнитосфере пульсара источника со слабым магнитным полем и относительно плотной нерелятивистской электронно-протонной плазмой.
Поскольку строение магнитосферы нейтронной звезды неизвестно и в настоящее время не существует ее общепринятой модели, мы сочли целесообразным рассмотреть механизм радиоизлуче-
ния пульсара в Крабе со спектром в виде зебра-структуры без анализа вопроса о том, как образуются магнитные поля и частицы, необходимые для реализации предлагаемого механизма. В данной работе мы исходим только из наблюдаемых свойств радиоизлучения, объясняем их происхождение на основе эффекта ДПР и получаем оценки параметров источника. Напомним, что именно с работами в такой постановке были связаны первые успехи в теории происхождения солнечного радиоизлучения: например, быст
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.