Магнитосферы нейтронных звезд

Структура и физика магнитосфер нейтронных звёзд

Магнитное поле нейтронных звёзд — одно из самых мощных в природе. Типичное значение дипольного магнитного поля у поверхности достигает:

для обычных радиопульсаров: B ∼ 10¹² Гс,
для миллисекундных пульсаров: B ∼ 10^8 − 9 Гс,
для магнетаров: B ∼ 10^{14 − 15} Гс.

Поле, в первую очередь, имеет дипольную структуру, но ближе к поверхности возможны значительные отклонения от идеального диполя. Магнитная ось, как правило, не совпадает с осью вращения, что лежит в основе механизма пульсарного излучения.

Уравнение структуры магнитного поля

Во внешней области, вне проводящей оболочки звезды, магнитное поле описывается уравнением Максвелла в вакууме:

∇ ⋅ B⃗ = 0, ∇ × B⃗ = 0

что приводит к потенциалу Лапласа для скалярного магнитного потенциала. Решение в сферических координатах даёт типичную дипольную форму:

$$ \vec{B}(r, \theta) = \frac{B_p R^3}{2 r^3}(2 \cos \theta \ \hat{r} + \sin \theta \ \hat{\theta}) $$

где B_p — поле на полюсе, R — радиус нейтронной звезды.

Плазменная оболочка и условия замыкания токов

Магнитосфера заполнена плазмой, рождаемой за счёт экстракции частиц с поверхности под действием электрических полей. Плотность плазмы приближается к значению:

$$ n_{\text{GJ}} = \frac{\vec{\Omega} \cdot \vec{B}}{2\pi c e} $$

где n_GJ — плотность Голдрайха–Джулиана, Ω⃗ — угловая скорость вращения, B⃗ — магнитное поле, c — скорость света, e — заряд электрона. Эта плотность необходима для экранирования параллельных компонент электрического поля.

Наличие токов в магнитосфере поддерживает структуру магнитного поля, отличающегося от вакуумного. Особенно важны токи вдоль открытых силовых линий, выходящих за пределы светового цилиндра:

$$ R_{LC} = \frac{c}{\Omega} $$

где R_LC — радиус светового цилиндра, за пределами которого никакой объект не может оставаться в ко-ротации со звездой.

Зоны магнитосферы

1. Закрытая зона

Силовые линии здесь замкнуты и полностью лежат внутри светового цилиндра. Плазма в этой области находится в ко-ротации с нейтронной звездой. Возбуждение токов здесь не приводит к радиационным потерям, и излучение подавлено.

2. Открытая зона

Силовые линии пересекают световой цилиндр и уходят в межзвёздное пространство. Здесь возможно возникновение радиации, ускорение частиц, а также формирование пульсарного ветра. Именно из этой области исходят радиосигналы пульсаров.

3. Полярные кепки и щели

Участки поверхности, откуда исходят открытые силовые линии, называются полярными кепками. Вблизи магнитного полюса формируются акселерационные зоны: “полярные щели”, “внутренние щели” и “внешние щели”, где возможны пробои экранировки поля и ускорение частиц до ультрарелятивистских энергий.

Механизмы ускорения и генерации излучения

Акселерация частиц

Основной механизм — пробой экранирующего слоя при недостатке плотности плазмы, что приводит к возникновению параллельных компонент электрического поля. Частицы (электроны и позитроны) ускоряются и инициируют электромагнитные каскады.

Типы излучения:

Кривизновое излучение: от ускоренных частиц, движущихся вдоль искривлённых силовых линий. Частота излучения:

$$ \nu_c = \frac{3}{4\pi} \gamma^3 \frac{c}{\rho} $$

где γ — лоренцев фактор, ρ — радиус кривизны траектории.

Синхротронное излучение: от вторичных электрон-позитронных пар, создаваемых в каскаде и движущихся в поперечных компонентах магнитного поля.
Комптоновское рассеяние: рассеяние фотонов магнитосферы на релятивистских частицах, особенно в околополярных регионах.

Магнитосферные каскады

Генерация вторичных частиц осуществляется по следующей цепочке:

Первичная частица ускоряется в акселерационной зоне.
Излучается высокоэнергетический гамма-фотон (кривизновое/обратное Комптоновское излучение).
Фотон взаимодействует с магнитным полем и рождает пару e⁺e⁻ (если B ≳ 10¹² Гс).
Вторичные частицы также ускоряются и продолжают процесс.

Такая цепная реакция приводит к насыщению магнитосферы плазмой и выходу на квазистационарное состояние.

Магнетары и экзотические магнитосферы

При B ≳ 10¹⁴ Гс происходят качественные изменения:

Поверхностное излучение взаимодействует с магнитным полем, вызывая фотодиссоциацию и возбуждение резонансных процессов.
Возникают тороидальные поля и устойчивые токовые слои, обусловливающие спорадические выбросы энергии — всплески и гигантские флары.
Электродинамика магнитосферы требует учёта квантовой электродинамики (КЭД), включая эффекты вакуумной поляризации, нелинейного рассеяния и рождения пар из вакуума.

Моделирование и численные расчёты

Реалистическое моделирование магнитосферы требует учёта:

Уравнений силы Лоренца с самосогласованным током.
Радиационного торможения и обратной связи.
Частично форсированных или абелевых (force-free) условий: E⃗ ⋅ B⃗ = 0, E² < B².

Наиболее успешны численные модели:

Плазма PIC (Particle-in-Cell) — описывает кинетику частиц и позволяет учитывать каскады.
GRMHD и force-free MHD — описывают крупномасштабную структуру в приближении непрерывной среды.

Эволюция магнитосферы во времени

Старение нейтронной звезды сопровождается:

Замедлением вращения, увеличением периода P.
Ослаблением магнитного поля, особенно у радиопульсаров.
Уменьшением доли открытых силовых линий и ослаблением пульсарного излучения.
Для магнетаров — возможно накопление энергии в токовых слоях с последующим катастрофическим выбросом (аналогия со вспышками на Солнце).

Связь с наблюдаемыми явлениями

Магнитосфера отвечает за широкий спектр астрофизических наблюдений:

Радиопульсации — регулярные импульсы, связанные с пересечением лучом поля зрения полярных “фонарей”.
Рентгеновские пульсации — термическое излучение с полярных кепок.
Гигантские всплески магнетаров — выброс энергии ∼ 10⁴⁴ − 10⁴⁶ эрг.
Нейтрино и гравитационные волны — в случае динамического разрушения структуры магнитосферы при слиянии.

Магнитосферы нейтронных звёзд — динамические, нелинейные системы, играющие ключевую роль в астрофизике высоких энергий. Их изучение требует совмещения квантовой, общей релятивистской и плазменной физики.