Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В физике радиопульсаров довольно подробно исследована стационарная структура магнитосферы радиопульсаров. При этом имеется в виду не вакуумная магнитосфера, а магнитосфера, заполненная плотной электрон-по-зитронной плазмой. Это связано с тем, что радиоизлучение, генерируемое в магнитосфере потоком заряженных частиц, требует для своего объяснения существования механизма производства плотной плазмы. Такой механизм, предложенный Старроком [12] и существенно развитый Рудерманом и Сазерлендом [11], состоит в том, что в сильном магнитном поле у поверхности нейтронной звезды, являющейся радиопульсаром, В ~ 1012 Гс, возможно эффективное рождение электрон-позитронной пары гамма-квантом, имеющим энергию, большую, чем удвоенная энергия покоя электрона [2]. В свою очередь, энергичные гамма-кванты излучаются электронами и позитронами при их движении в магнитосфере вдоль силовых линий магнитного поля, имеющих существенную кривизну. Такие фотоны называются изгибными. Процессы излучения фотонов и их поглощения в магнитном поле, сопровождающиеся рождением электрон-позитронных пар, позволяют построить теорию стационарного рождения плазмы в магнитосфере замагниченной вращающейся нейтронной звезды [4]. При этом плотность рождённой плазмы п значительно превышает так называемую плотность Гольдрайха-Джулиана [5], Uqj = |П-В|/2-7Гсе, которая обеспечивает стационарное вращение магнитосферы вплоть до световой поверхности, Rl = с/0,. Здесь Q — угловая частота вращения звезды, с — скорость света, е — заряд позитрона. Величина множественности рождения электрон-позитронной плазмы, Хт = n/ncj, составляет большую величину, Хт ~ 104 —105 [1]. Однако из наблюдений стационарно работающих радиопульсаров довольно трудно понять, каков механизм генерации радиоизлучения в их магнитосферах, где и как происходит рождение плазмы. Проследить динамику развития излучения на разных частотах было бы очень важно для понимания физических процессов, происходящих в магнитосфере радиопульсаров. Кроме того, в последнее время появилось много наблюдений
нестационарно работающих радиопульсаров. Это, прежде всего, так называемые выключающиеся радиопульсары, у которых радиоизлучение наблюдается только в течение определённого отрезка времени, значительно превышающего период вращения звезды. Так, пульсар PSR В1931+24 «работает» 5-10 дней, затем «молчит» 20-25 дней [6], а пульсар PSR J1832+0029 «работает» около 300 дней и «молчит» около 700 дней [7]. При этом измерено, что торможение вращения, т.е. потери энергии, существенно различно в периоды работы и молчания. Поскольку мощность радиоизлучения составляет ничтожную часть полных потерь энергии вращения нейтронной звезды, естественно пред пол ожить, что молчание связано с прекращением генерации плазмы в магнитосфере. Тогда можно различить механизм потерь, связанный с излучением магнитодипольной волны в вакууме («молчание»), от механизма потерь, связанного с излучением пульсарного ветра — потока электрон-позитронной плазмы, вытекающей из магнитосферы («работа»).
Кроме выключающихся пульсаров, давно известна группа так называемых нуллинг-пульсаров, у которых также не наблюдается радиоизлучение в течение некоторого времени, но не так регулярно, как у выключающихся, и у которых пока не измерено различие в торможении вращения. Так, из 23 пульсаров, исследованных в работе [13], у 7 пульсаров доля нуллинга превышает 40%, а у источников PSR J1502-5653 и PSR J1717-4054 она достигает 95%.
Ещё одна группа нестационарных источников радиоизлучения наблюдена в последнее время — это вращающиеся радиотранзиен-ты (RRATs), спорадически вспыхивающие радиоисточники, у которых сохраняется фаза следования вспышек и измерены соответствующие периоды, характерные для обычных радиопульсаров [10]. Нет сомнения, что это тоже вращающиеся нейтронные звезды. Тем не менее, природа их активности совершенно не ясна, о чём свидетельствует наличие множества разнородных моделей, например: модель прецессии [15], обращение направления радиоизлучения [14], реактивация «мёртвых» пульсаров [14], взаимодействие магнитосферы с диском [8], модель дрейфовых волн [9].
Ещё одна особенность описанных нестационарных источников состоит в том, что некоторые из них обладают сильными магнит-
ными полями, напряжённость которых на один-два порядка выше характерной напряжённости поля типичных пульсаров. Скажем, данные по таймингу RRAT J1819-1458 позволяют заключить, что напряжённость магнитного поля на поверхности звезды приблизительно равна 5 х 1013 Гс [10], т.е. превышает швингеровское, или критическое, поле
9 Ч
Bcr = -^- w 4.414 х 1013 Гс, еп
где гпе — масса электрона, е — заряд позитрона, с — скорость света, h — постоянная Планка.
В этом отношении ещё более экзотическими объектами являются магнитары — нейтронные звёзды, обладающие сверхсильным магнитным полем Во ~ 1014 —1015 Гс на поверхности звезды. Это на два-три порядка превышает значение напряжённости поля, характерное для радиопульсаров, 1012 Гс. Так же как и радиопульсары, магнитары замедляют свое вращение, Р > 0, но со значительно большей скоростью, Р ~ Ю-12 — Ю-10, в то время как для радиопульсаров характерное значение торможения вращения составляет величину Р ~ Ю-15. Периоды вращения Р магнитаров также больше периодов вращения радиопульсаров и лежат в пределах Р~2-12 с.
Первоначальное отсутствие радиоизлучения от магнитаров в обычном диапазоне частот, на которых наблюдаются радиопульсары, v ~ 0.5 — 3 ГГц, заставляло предполагать, что в магнитосфере магнитаров нет плотной плазмы, потоки которой генерировали бы радиоизлучение, как это имеет место в магнитосферах радиопульсаров. Но наблюдения на низких радиочастотах 60 — 110 МГц, проведённые в Пущинской радиоастрономической обсерватории, показали, что излучение от некоторых магнитаров существует [3], хотя и имеет отличные от радиопульсаров характеристики.
Для понимания активности упомянутых выше радиоисточников необходимо выяснить, как происходит генерация и накопление электрон-позитронной плазмы в их магнитосферах и что может подавлять её эффективное рождение. В свете вышесказанного, представленные исследования являются актуальными.
Цели работы. Основной целью диссертационной работы является исследование процессов заполнения электрон-позитронной плазмой магнитосферы нейтронных звёзд с сильными магнитными полями Во > 1012 Гс на поверхности. Помимо этого, целью работы является исследование процессов генерации плазмы в сверхсильном магнитном поле Во ~ 1014 — 1015 Гс. В соответствии с общей целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:
Исследовать процессы рождения фотонами релятивистских электронов и позитронов в сверхсильном магнитном поле магнита-ров, процессы расщепления фотонов в таком поле и их влияние на рождение пар. С учётом этого получить выражения для функции распределения частиц и их плотности, вычислить множественность Хт и найти критерий эффективного рождения плазмы.
Исследовать движение и первичное накопление частиц в вакуумной магнитосфере нейтронной звезды с учётом эффектов самодействия. Рассмотреть процессы захвата частиц бессиловой поверхностью. Оценить плотность накапливающейся электрон-позитронной плазмы. Найти критерий перехода магнитосферы из вакуумного состояния в состояние, заполненное плазмой.
Исследовать процессы заполнения плазмой магнитосферы нейтронной звезды. Рассмотреть формирование «молний», запускаемых поглощающимися в магнитосфере фотонами внешнего космического гамма-фона. Вычислить самосогласованный источник элек-трон-позитронных пар с учётом рождения частиц изгибными и син-хротронными фотонами. Рассмотреть процессы динамической экранировки внешнего продольного электрического поля. Вычислить продольные распределения электронов и позитронов, полное количество электрон-позитронных пар, рождённых за время существования плазменной трубки, найти ограничения на множественность Хт и оценить характерное время заполнения.
Научная новизна.
1. При расчёте функций распределения электронов и позитронов и их плотностей в каскаде рождения электрон-позитронной плазмы в полярной области магнитосферы магнитара впервые показано, что расщепление фотона не является фактором подавления генерации плазмы. Вычислена «линия смерти» для случая сверх-
сильного магнитного поля и объяснена возможность наличия радиоизлучения магнитаров.
При расчёте динамики движения электронов и позитронов в вакуумной магнитосфере нейтронной звезды произведён учёт самодействия. Показана возможность накопления во внутренних областях магнитосферы электрон-позитронной плазмы с плотностью порядка плотности Гольдрайха-Джулиана и дальнейшей её перестройки за счёт поглощения фотонов внешнего космического гамма-фона.
Впервые показана возможность образования «молний» в магнитосфере нейтронной звезды, формирующихся из первичных электрон-позитронных пар, рождённых фотонами внешнего космического гамма-фона. Вычислено полное число частиц, рождающихся за время существования «молнии», и параметр множественности. Объяснена возможность наблюдения «молний» как радиовспышек вращающихся радиотранзиентов. Получены соответствующие оценки на период следования импульсов RRAT.
Достоверность результатов. Результаты диссертации получены путём теоретических вычислений. Их достоверность подтверждена использованием адекватных теоретических моделей и аналитических методов в рамках физически разумных приближений. Там, где это было возможно, полученные результаты и предсказания сопоставлены с имеющимися на сегодняшний день наблюдательными данными.
Научная и практическая ценность. Результаты диссертации объясняют возможность эффективной генерации вторичной электрон-позитронной плазмы в сверхсильном магнитном поле. Они могут быть использованы для объяснения наличия наблюдаемого радиоизлучения магнитаров. Результаты по движению частиц в вакуумном электромагнитном поле и их первичному накоплению на бессиловой поверхности позволяют лучше понять механизм перехода магнитосферы из вакуумного состояния в состояние, заполненное плазмой. Кроме того, они могут быть использованы для проверки численных расчётов. Результаты по формированию «молний» из первичных электрон-позитронных пар позволяют предположить возможность наблюдения от них радиоизлучения, которое может
проявляться в виде радиовспышек RRAT. Это может дать толчок к дальнейшему исследованию механизма формирования вспышек вращающихся радиотранзиентов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Рассчитаны функции распределения электронов и позитронов по продольному лоренц-фактору в полярных областях магнитосферы магнитара с учётом процессов расщепления фотонов. Вычислены соответствующие плотности частиц и параметр множественности. Проведено сравнение со случаем генерации плазмы в магнитном поле обычного радиопульсара. Найден критерий эффективности генерации плазмы в магнитосфере магнитара.
Рассчитана динамика движения, захвата и накопления электронов и позитронов в вакуумной магнитосфере нейтронной звезды с учётом самодействия. Вычислена плотность накапливающейся электрон-позитронной плазмы.
Рассчитано формирование «молний» в магнитосфере нейтронной звезды в результате запуска каскада генерации вторичной электрон-позитронной плазмы фотонами внешнего космического гамма-фона. Произведён самосогласованный учёт экранировки внешнего продольного электрического поля. Вычислено полное количество рождённых электрон-позитронных пар.
Личный вклад автора. Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор общего направления исследований, постановка рассмотренных задач и обсуждение полученных результатов осуществлялись совместно с научным руководителем, соавтором работ.
Апробация результатов и публикации. Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2006 по 2010 год и опубликованы в одиннадцати работах, в том числе в четырёх статьях в ведущих научных рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Результаты диссертационной работы были представлены на 49-й и 50-й научных конференциях МФТИ, всероссийской астрофизической конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра (НЕА-2008)» (Москва, 2008), всероссийской конференции с международным участием «Физика нейтронных звёзд — 2008» (Санкт-Петербург, 2008), международной кон-
ференции «40 Years of Pulsars: Millisecond Pulsars, Magnetars and More» (Монреаль, 2007) и 4-й международной Сахаровской конференции по физике (Москва, 2009), а также неоднократно докладывались на астрофизическом семинаре Отделения теоретической физики ФИАН (Москва) и семинаре Сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, содержит 170 с. печатного текста, в т.ч. 7 рис. и список литературы, включающий 100 наименований.
