В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters , ученые провели первые глобальные симуляции мощнейших ударных волн — одних из самых сильных ударных волн во Вселенной — и показали, как эти экстремальные события в магнитосферах магнетаров могут быть причиной возникновения быстрых радиовспышек (FRB).

Магнетары — это молодые нейтронные звезды с чрезвычайно сильными магнитными полями, достигающими на их поверхности ^10¹⁵ Гаусс. Эти космические гиганты производят обильную рентгеновскую активность и стали кандидатами на объяснение быстрых радиовспышек (FRB) — загадочных миллисекундных вспышек, обнаруженных по всему космосу. Связь между магнетарами и FRB укрепилась в 2020 году, когда была зафиксирована одновременная рентгеновская и радиовспышка от галактического магнетара SGR 1935+2154.

В исследовании, посвященном изучению образования мощнейших ударных волн в условиях реалистичной магнитосферной геометрии, принял участие Доминик Бернарди, аспирант Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

«Магнетары — это молодые (обычно им всего несколько тысяч лет) коллапсировавшие остатки звёзд с одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной», — сказал Бернарди в интервью Phys.org. «Поскольку они молоды, их внутреннее строение ещё не полностью стабилизировалось после бурного формирования, и они могут испускать мощные волны в окружающую их плазму».

От волн до чудовищных ударов

Эти волны, известные как быстрые магнитозвуковые волны, естественным образом возникают в магнитосферах магнетаров посредством различных механизмов, от звездотрясений и смещений коры до процессов преобразования мод в более отдаленных областях магнитосферы.

По мере распространения этих волн в магнитосфере происходит нечто удивительное: амплитуда волны уменьшается с радиусом, а фоновое магнитное поле уменьшается ещё быстрее. Это приводит к тому, что относительная амплитуда волны растёт до тех пор, пока не становится сопоставимой с самим фоновым полем.

«Было показано, что магнитные ударные волны в этой среде могут усиливаться, превращаясь в самые мощные ударные волны во Вселенной», — сказал Бернарди. «Эти „монстр-удары“ производят когерентное радиоизлучение, что является многообещающим механизмом для возникновения важного космологического транзиента — быстрого радиовсплеска».

Качественное отличие этих мощных ударных волн от других астрофизических ударных волн заключается в уникальном механизме их образования.

«Плазма перед ударной волной „всасывается“ в ее фронт, как пылесос», — объяснил Бернарди. «Именно на этом этапе всасывания плазма ускоряется до чрезвычайно высоких энергий, и эта энергия высвобождается, когда ускоренная плазма сталкивается с ударной волной».

В сочетании с исключительно сильными магнитными полями магнетаров, мощные ударные волны рассеивают магнитную энергию гораздо эффективнее, чем другие астрофизические ударные волны.

Первые глобальные симуляции

В предыдущих исследованиях гигантские ударные волны изучались только в упрощенных геометрических моделях — в частности, в ударных волнах, распространяющихся перпендикулярно магнитному полю в экваториальной плоскости. В настоящем исследовании были проведены первые двумерные глобальные моделирования методом частиц в ячейке (PIC) образования гигантских ударных волн в реалистичной дипольной магнитосфере с использованием разработанного командой кода Aperture.

Эти модели позволили воспроизвести как крупномасштабную структуру магнитосферы, так и физику мельчайших кинетических ударных волн.

«Самая большая проблема заключается в разработке модели, способной учитывать как глобальный масштаб структуры, так и крошечный кинетический масштаб плазмы», — объяснил Бернарди. Команда использовала осевую симметрию (уменьшение до 2D), логарифмические радиальные сетки и масштабирование параметров с помощью аналитических соотношений для сопоставления масштабов.

Результаты моделирования подтвердили, что мощные ударные волны ускоряют плазму, находящуюся выше по потоку, до экстремальных лоренц-факторов, которые линейно зависят от фоновой намагниченности и длины волны исходной волны. Ускорение оказалось несколько эффективнее, чем предсказывалось ранее с помощью МГД-моделирования. Также была выявлена ​​трехмерная структура ударных волн, ограничивающая когерентное излучение предшественников в диапазоне ГГц узкой экваториальной полосой (от 7 до 23 градусов широты, в зависимости от длины волны).

«Используя моделирование на основе первых принципов, мы впервые демонстрируем масштабирование этих мощных ударных волн в реалистичной магнитосфере», — сказал Бернарди. «Наши модели показывают пространственную структуру этих ударных волн, что позволяет нам ограничить угловой диапазон, в котором может быть произведено когерентное излучение».

Вблизи магнитного экватора, где ударные волны остаются практически перпендикулярными полю, ускоренная плазма образует солитоны — когерентные пики плотности/магнитного поля. «Заряженные частицы начинают вращаться вместе в фазе, создавая когерентные структуры, называемые солитонами, которые генерируют излучение в диапазоне ГГц, которое мы наблюдаем как предшествующие волны», — объяснил Бернарди. На более высоких широтах выравнивание поля подавляет этот механизм синхротронного мазера.

Сопоставление наблюдений FRB

Объединив результаты моделирования с аналитическими масштабирующими соотношениями, исследователи смогли предсказать свойства предвестниковых волн в реалистичных условиях магнетара.

Для типичных параметров рассмотрим магнетар с поверхностным магнитным полем около ^10¹⁵ гаусс, вызывающий рентгеновский всплеск со светимостью 10⁴² ^эрг /с. Механизм «монстра»-ударной волны предсказывает пик радиоизлучения примерно на 0,22 ГГц, со светимостью около 10³⁸ ^эрг /с и длительностью около 0,5 мс для отдельных ударных волн.

«Наши результаты впервые демонстрируют эффективность этих мощных ударных волн непосредственно с помощью моделирования, подтверждая, что они действительно способны ускорять плазму до ультрарелятивистских энергий», — сказал Бернарди. «После этой экстраполяции многие вещи хорошо согласуются с наблюдениями: частоты предшествующих волн, похоже, совпадают с тем, что мы видим в быстрых радиовспышках».

Для SGR 1935+2154 — галактического магнетара, стоящего за FRB 200428, — предсказанная частота излучения около 1,4 ГГц совпадает с данными STARE2 в диапазоне от 1,281 до 1,468 ГГц. Светимости согласуются с наблюдениями CHIME и STARE2.

Важный аспект касается эффективности излучения. В сильно намагниченных средах, таких как магнитосферы магнетаров, традиционная физика ударных волн предполагает, что образование предшествующих волн должно быть крайне неэффективным, слишком слабым, чтобы объяснить быстрые радиовспышки. Однако механизм гигантской ударной волны коренным образом меняет эту картину.

«В случае мощных ударных волн, поскольку плазма эффективно ускоряется до того, как попадает в ударную волну, это значительно повышает эффективность когерентного излучения до такой степени, что это может разумно объяснить некоторые из наблюдаемых быстрых радиовспышек», — отметил Бернарди. «Мы считаем, что все эти аспекты в совокупности усиливают связь этих мощных ударных волн с наблюдаемыми быстрыми радиовспышками».

Исследование также показало, что последовательные длины волн быстрого волнового пакета могут инициировать множественные ударные волны, потенциально создавая субструктуры в наблюдаемых вспышках на временных масштабах около 0,6 миллисекунды. Это соответствует субструктурам, наблюдаемым в некоторых наблюдениях быстрых радиовспышек.

Перспективы на будущее

Хотя этот механизм многообещающ для некоторых быстрых радиовспышек, у него есть ограничения. Чрезвычайно яркие космологические вспышки, такие как FRB 20220610A (10⁴⁵ ^эрг /с), создавали бы оптически плотные огненные шары, где радиоизлучение маловероятно.

«Пока неясно, смогут ли фаст-радиоимпульсы, образующиеся таким образом, покинуть магнитосферу», — сказал Бернарди. «Для понимания этого потребуются крупномасштабные модели, изучающие долгосрочную эволюцию этих ударных волн и производимое ими излучение».

Исследователи также подчеркивают необходимость систематических исследований предшествующих волн от ударных волн при различных магнитных наклонах для получения более точных прогнозов радиоспектров и поляризации. Кроме того, плазма, расположенная ниже по потоку, должна производить некогерентное рентгеновское и гамма-излучение, которое может питать некоторые из рентгеновских вспышек, наблюдаемых у магнетаров.

«Ударные волны гигантов представляют собой перспективный механизм для образования быстрых радиовспышек, поскольку когерентное излучение, испускаемое ударными волнами, естественным образом воспроизводит многие наблюдаемые свойства вспышек», — заключил Бернарди. «Наши результаты подтверждают связь ударных волн гигантов с быстрыми радиовспышками и определяют важные шаги, которые необходимо предпринять для понимания излучения от ударных волн гигантов и от глобальных ударных волн в целом».