Пульсары представляют собой нейтронные звезды, обладающие мощным магнитным полем и быстрым вращением. Их магнитные поля достигают значений порядка 1012 − 1013 Гс, а частота вращения может составлять от нескольких оборотов в секунду до сотен оборотов в секунду. Эти условия формируют экстремальные электромагнитные поля, способные ускорять заряженные частицы до релятивистских энергий.
Вблизи поверхности пульсара возникает сильное электрическое поле, обусловленное несовпадением оси вращения и оси магнитного диполя. Это приводит к возникновению потенциалов порядка 1012 − 1015 В, которые могут эффективно разгонять электроны и позитроны.
Особая роль принадлежит так называемой зоне открытых силовых линий. Заряженные частицы, попавшие на линии магнитного поля, которые выходят за пределы светового цилиндра (радиус R = c/Ω, где Ω — угловая скорость вращения), больше не удерживаются магнитным полем звезды и могут покидать её окрестности, унося колоссальные энергии.
Таким образом, пульсары являются естественными кандидатами на роль мощных источников космических лучей, особенно в диапазоне высоких и сверхвысоких энергий.
Существует несколько моделей, описывающих генерацию и ускорение космических лучей вблизи пульсаров:
Модель внутренней полости (inner gap model) – ускорение частиц происходит вблизи магнитных полюсов, где напряжённость электрического поля максимальна. Здесь электроны и позитроны ускоряются и инициируют каскады пар, порождаемые излучением гамма-квантов.
Модель внешней полости (outer gap model) – ключевая зона ускорения расположена вблизи краёв светового цилиндра. В этих областях ускорение частиц достигает особенно высоких энергий за счёт резонанса с электромагнитными полями.
Модель полосатого ветра (striped wind model) – пульсарный ветер, формируемый чередующимися областями противоположной полярности магнитного поля, становится ареной эффективного ускорения частиц. В этих структурах возможна магнитная реконакция, высвобождающая энергию в виде потока ускоренных электронов, позитронов и ионов.
Магнетары являются особым классом нейтронных звёзд с магнитными полями, превышающими 1014 − 1015 Гс. Эти объекты демонстрируют ещё более экстремальные условия для ускорения частиц.
Мощные магнитные поля магнетаров порождают значительные напряжения, способные разгонять частицы до энергий, превосходящих пульсарные. Кроме того, магнетары известны своей высокой активностью в виде выбросов гамма-всплесков и рентгеновских вспышек, сопровождающихся образованием потоков плазмы и ускоренных частиц.
При магнитных вспышках происходит разрушение и перестройка конфигурации магнитного поля, что ведёт к высвобождению колоссальной энергии. В условиях магнитной реконакции частицы получают дополнительное ускорение, что делает магнетары потенциальными источниками космических лучей сверхвысоких энергий.
Хотя вклад пульсаров и магнетаров в суммарный поток космических лучей пока не определён количественно с высокой точностью, существует ряд фактов, указывающих на их значимость:
Антиматерия в космических лучах. Наблюдаемый избыток позитронов в спектре космических лучей (результаты экспериментов PAMELA, AMS-02) может быть объяснён генерацией пар электрон–позитрон в пульсарных магнитосферах.
Гамма-излучение пульсарных туманностей. Объекты типа Крабовидной туманности демонстрируют мощное излучение в диапазоне от рентгенов до тераэлектронвольтных гамма-квантов, что свидетельствует о существовании популяции ускоренных частиц.
Энергии порядка петаэлектронвольт (PeV). Некоторые пульсары способны разгонять частицы до энергий, сопоставимых с коленом спектра космических лучей ( ∼ 1015 эВ). Такие объекты получили название «PeVатроны».
Исследования с помощью наземных и космических обсерваторий предоставляют всё больше данных о роли пульсаров и магнетаров в астрофизике космических лучей:
Роль пульсаров и магнетаров выходит далеко за рамки локальных процессов ускорения. Эти объекты:
Пульсары и магнетары, являясь продуктами эволюции массивных звёзд, соединяют воедино процессы звёздной эволюции, астрофизики высоких энергий и физики космических лучей, что делает их ключевым элементом в понимании происхождения и природы высокоэнергичных частиц во Вселенной.