Загадочные быстрые радиовсплески (FRB), приходящие из дальнего космоса и длящиеся доли секунды, давно интригуют астрофизиков. Главными «подозреваемыми» в их создании считаются магнитары — молодые нейтронные звезды с колоссальной силой магнитного поля. Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе провели глобальное компьютерное моделирование и выяснили, каков именно механизм превращения энергии магнитара в когерентное радиоизлучение.
Как возникает «монструозная волна»
Поскольку магнитары недавно сформировались, их внутреннее состояние еще не стабилизировалось. Звездотрясения, сдвиги коры и другие процессы непрерывно генерируют в магнитосфере звезды быстрые магнитозвуковые волны.
Распространяясь от поверхности наружу, эти волны ведут себя необычно:
- Амплитуда самой волны со временем падает, но фоновое магнитное поле магнитара ослабевает еще быстрее.
- Из-за этой разницы относительная сила волны растет, пока не становится сопоставимой с окружающим полем.
- В этот момент магнитозвуковая волна превращается в так называемую «монструозную волну» (Monster Shock) — сильнейшую ударную волну во Вселенной.
Особенности ускорения плазмы в магнитосфере
Для изучения этого процесса ученые впервые применили двухмерное глобальное PIC-моделирование (particle-in-cell) в условиях дипольной магнитосферы магнитара. Данный метод позволяет одновременно оценивать масштабные процессы в магнитосфере и кинетическую физику ударных волн.
Моделирование показало, что перед фронтом ударной волны происходит затягивание плазмы, которая ускоряется до экстремальных значений фактора Лоренца. При этом трехмерная структура «монструозной волны» концентрирует когерентное гигагерцевое излучение в узкой экваториальной зоне.
В отличие от привычных астрофизических моделей, где сильное магнитное поле мешает эффективному рождению волн-предшественников, «монстры» разгоняют плазму еще до входа в ударную волну. Это обеспечивает чрезвычайно высокий КПД сброса магнитной энергии.
Совпадение теоретической модели с наблюдениями
Расчеты физиков подтвердились реальными астрономическими данными:
- Для гипотетического магнитара с магнитным полем около 10¹⁵ Гаусс и рентгеновской светимостью 10⁴² эрг/с модель предсказала радиоимпульсы продолжительностью порядка 0,5 миллисекунды, пиковой частотой 0,22 ГГц и светимостью около 10³⁸ эрг/с.
- При расчете параметров для галактического магнитара SGR 1935+2154 (источника всплеска FRB 200428) полученная теоретическая частота составила около 1,4 ГГц. Это идеально совпадает со значениями, зафиксированными системой STARE2 в диапазоне 1,281–1,468 ГГц.
