Над ней бились десятилетиями
Новое исследование Канзасского университета раскрывает астрофизическую загадку, над которой бились десятилетиями. Оно показывает, как конкурирующие силы — гравитация и магнитосферная плазма — разделяют радиоизлучение Крабовидной туманности, остатка сверхновой, наблюдавшегося древними астрономами, на идеально расположенные «полосы».
В 1054 году н. э. китайские астрономы были поражены появлением новой звезды, которая была настолько яркой, что стала самым ярким объектом на ночном небе, уступая только Луне, и была видна даже днем в течение 23 дней. Звездный взрыв также наблюдали японские, арабские и индейские астрономы.
Сегодня на месте той яркой звезды видна Крабовидная туманность. Также известная как Мессье 1, М1, NGC 1952 и Таурус А, она находится на расстоянии примерно 6500 световых лет от нас в созвездии Тельца.
Крабовидную туманность впервые обнаружил в 1731 году английский врач, исследователь в области электротехники и астроном Джон Бевис, а в 1758 году ее заново открыл французский астроном Шарль Мессье. Туманность получила свое название благодаря рисунку, сделанному ирландским астрономом лордом Россом в 1844 году. Крабовидный пульсар, также известный как PSR B0531+21, является центральной звездой туманности.
Поскольку Крабовидная туманность находится недалеко от нас и ее легко наблюдать, изучение туманности и Крабовидного пульсара дает астрономам представление о туманностях, сверхновых и нейтронных звездах в целом.
Гравитация — это не просто сила притяжения. Она буквально искривляет пространство вокруг массивных объектов. Из-за этого свет летит не по прямой линии, а изгибается — как будто проходит через увеличительное стекло. Поэтому говорят, что гравитация работает как линза.
Обычно такой эффект обсуждают в связи с черными дырами: там все формируется только за счет гравитации. Но в случае Крабовидной туманности все сложнее. Здесь одновременно действуют два фактора — гравитация и горячая заряженная плазма вокруг пульсара. Они как будто «перетягивают канат», вместе формируя странный сигнал, который видят астрономы. Это первый реальный пример, когда такой двойной эффект удалось наблюдать напрямую.
Есть еще одна необычная деталь. Обычно свет дает непрерывный спектр — как радуга, где плавно переходят все цвета. А у пульсара в Крабовидной туманности вместо «радуги» видны отдельные полосы. Если представить это как цвета, то появляются только некоторые «цвета», а между ними — пустота. Именно эту загадочную «полосатость» и помогло объяснить новое исследование, которое будет опубликовано в Journal of Plasma Physics.
У большинства пульсаров радиосигнал «размазанный» и шумный. А у Крабовидной туманности все иначе: в спектре видны очень четкие полосы — яркая линия, потом полный провал, потом снова яркая. Как зебра.
Раньше ученые могли в моделях получить такие полосы, но они не понимали, почему они настолько контрастные — почему светлые участки такие яркие, а темные почти полностью пустые. Сначала исследователи показали, что важную роль играет плазма вокруг пульсара. Она рассеивает радиоволны — как мутное стекло или линза, которая «размазывает» свет. Но этого объяснения оказалось недостаточно.
Потом они добавили в расчеты еще и гравитацию по теории Эйнштейна. И оказалось, что гравитация действует наоборот — как линза, которая фокусирует свет. Получается, что плазма рассеивает лучи, а гравитация их собирает обратно. Когда эти два эффекта накладываются друг на друга, возникают особые траектории света.
Из-за этого часть радиоволн усиливается, а часть — гасится. Это называется интерференцией. Проще говоря, волны либо складываются и становятся ярче, либо «вычитают» друг друга и исчезают. Так и появляются чередующиеся яркие и темные полосы — «зебра».
Для качественного объяснения этого явления не нужны какие-то новые, экзотические законы физики. Возможно, если учесть вращение пульсара, цифры немного изменятся, но сама картина — появление полос из-за сочетания плазмы и гравитации — останется той же.
Недавно ученые предложили альтернативную идею строения Млечного Пути.