Фізика спостережуваних особливостей радіовипромінювання пульсарів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Фізика спостережуваних особливостей радіовипромінювання пульсарів

Петрова С.А.

01.03.02 - радіоастрономія

Харків - 2009

Вступ

Пульсари - галактичні радіоджерела з імпульсним характером випромінювання - є одним з найцікавіших об'єктів сучасних астрофізичних досліджень. Імпульси пульсарів характеризуються строгою періодичністю, причому періоди лежать у межах від декількох мілісекунд до декількох секунд.

Пульсари ототожнюють із замагніченими нейтронними зірками - компактними залишками вибухів масивних зірок на пізній стадії еволюції. Вузький промінь, що обертається разом із нейтронною зіркою, створює у спостерігача уявлення періодично повторюваних імпульсів. Початковий період обертання нейтронної зірки становить десятки мілісекунд, що погоджується зі спостережуваними періодами пульсарів і не є характерним для інших астрофізичних об'єктів і процесів. Згодом періоди пульсарів зростають внаслідок енергетичних втрат нейтронної зірки на магнітодипольне випромінювання.

Як правило, напруженість магнітного поля на поверхні нейтронної зірки становить Гс. Електричне поле, що виникає внаслідок швидкого обертання такого сильно замагніченого тіла, може виривати з поверхні зірки заряджені частинки і прискорювати їх до ультрарелятивістських енергій. Частинки, що рухаються вздовж силових ліній магнітного поля, випромінюють згинальні гамма-кванти, що згодом можуть перетворюватись в електрон-позитронні пари. В результаті такого каскадного процесу магнітосфера пульсара заповнюється вторинною електрон-позитронною плазмою.

Активність пульсара пов'язана з вузькою трубкою магнітних силових ліній, розташованих поблизу магнітної осі. Саме в цій силовій трубці відбувається народження вторинної плазми, що тече вздовж магнітних силових ліній з ультрарелятивістськими швидкостями і згодом покидає магнітосферу в формі пульсарного вітру. Радіовипромінювання пульсара виникає в глибині силової трубки і, безперечно, пов'язане з процесами у вторинній плазмі, одначе конкретний механізм його генерації ще й досі залишається невідомим. Більш того, ніякий можливий механізм радіовипромінювання не здатний пояснити всю різноманітність спостережуваних властивостей радіоімпульсів, а також їх суттєві зміни з частотою. У цій ситуації здається логічним звернутись до дослідження ефектів поширення радіовипромінювання у потоці вторинної плазми пульсара. На цьому шляху можна сподіватись вперше пояснити чималу кількість спостережуваних особливостей радіоімпульсів, обмежити властивості механізму радіовипромінювання і уточнити фізичні умови в силовій трубці пульсара.

Актуальність теми. У зв'язку з модернізацією великих радіотелескопів в останні роки спостереження пульсарів виходять на новий рівень. Вже зараз накоплений чималий об'єм нових спостережуваних даних, що чекають на теоретичну інтерпретацію. Одначе у попередніх теоріях радіовипромінювання пульсарів навіть основні давно відомі спостережувані факти уникали пояснення. Теоретичне дослідження особливостей радіовипромінювання пульсарів необхідно для постановки подальших спостережних задач, у чому і полягає його актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Радіоастрономічному інституті НАН України в рамках НДР "Дослідження космічних радіоджерел на декаметрових хвилях" (номер держ. реєстрації 0103U007916), НДР "Діагностика плазми пульсарів за спостереженнями їх радіоімпульсів на найбільших радіотелескопах у світі" (номер держ. реєстрації 0105U000047) при підтримці гранта Президента України для молодих вчених, де дисертант був керівником проекту, а також при частковій підтримці INTAS в рамках проектів “The study of pulsars (neutron stars) and their applications to investigations of general relativity” (грант № 94-3097) і “Using world largest decameter radio telescopes as probe and basis for developing the LOFAR concept” (грант № 03-5727). Роль автора у виконанні цих НДР полягала у теоретичному дослідженні особливостей спостережуваного радіовипромінювання пульсарів.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у побудові загальної теорії поширення радіовипромінювання пульсарів у силовій трубці, поясненні характерних особливостей спостережуваних радіоімпульсів пульсарів, передбаченні особливостей, ще не виявлених у спостереженнях, уточненні фізичних умов у потоці вторинної плазми пульсара, а також одержанні свідоцтв у підтримку одного з типів механізмів радіовипромінювання пульсарів, що розглядаються в літературі. У зв'язку з цим розв'язано наступні задачі:

розвито теорію формування поляризації радіовипромінювання пульсарів внаслідок ефектів поширення в силовій трубці;

досліджено еволюцію функції розподілу частинок, що беруть участь у резонансному поглинанні радіопроменя пульсара, знайдено коефіцієнт поглинання і характеристики спонтанного синхротронного випромінювання цих частинок;

вивчено процес спонтанного розсіяння низькочастотного випромінювання у випадку релятивістського гвинтового руху частинок;

досліджено процес індукованого розсіяння радіовипромінювання на частинках вторинної плазми в різних режимах, характерних для магнітосфери пульсара;

вивчено процес рефракції хвиль у пульсарній плазмі з невісесиметричним розподілом густини;

досліджено еволюцію функції розподілу вторинної плазми внаслідок резонансного зворотного комптонівського розсіяння теплового випромінювання нейтронної зірки і проаналізовано умови розвитку двопотокової нестійкості.

Об'єкт дослідження - радіовипромінювання пульсарів.

Предмет дослідження - ефекти поширення в пульсарній плазмі і їх спостережувані наслідки.

Методи дослідження. Перенос поляризації розглянуто методами геометричної оптики слабконеоднорідних середовищ, для розв'язання системи рівнянь переносу поляризації застосовано методи теорії збуджень; для дослідження еволюції функції розподілу частинок, що беруть участь у резонансному поглинанні, використано методи теорії диференціальних рівнянь в частинних похідних, зокрема метод Фур'є (метод розділення змінних) та метод характеристик; при виводі перерізу розсіяння обертовими частинками застосовано методи фур'є-перетворення та розкладення за функціями Бесселя; інтегро-диференціальне рівняння, що описує індуковане розсіяння, зводилось до системи звичайних диференціальних рівнянь і розв'язувалось стандартними методами; аналіз розподілу інтенсивностей імпульсів, підсилених внаслідок індукованого розсіяння, проводився методами математичної статистики; при дослідженні еволюції функції розподілу частинок внаслідок резонансного зворотного комптонівського розсіяння теплового випромінювання нейтронної зірки та при аналізі перерозподілу інтенсивності радіовипромінювання внаслідок рефракції використано метод характеристик; у роботі також широко застосовано методи чисельного розв'язання нелінійних систем звичайних диференціальних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі розвито новий науковий напрямок - дослідження поширення радіовипромінювання в пульсарній плазмі. Одержано наступні основні результати.

Вперше пояснено явище ортогонально поляризованих мод радіовипромінювання пульсарів на основі ефекту часткової лінійної трансформації нормальних хвиль у плазмі силової трубки. З урахуванням ефекту циклотронного резонансу вперше пояснено неортогональність спостережуваних мод, а також кореляцію їх поляризаційних параметрів. Вперше запропоновано ідею, розроблено й апробовано методику діагностики пульсарної плазми за спостережуваними поляризаційними профілями радіоімпульсів.

Уперше розвито теорію гігантських імпульсів радіовипромінювання пульсарів на основі індукованого розсіяння радіовипромінювання на частинках пульсарної плазми у надсильному магнітному полі. У рамках запропонованої теорії вперше комплексно пояснені спостережувана енергетика гігантських імпульсів радіовипромінювання, степеневий розподіл їх інтенсивностей та характерний наносекундний масштаб їх субструктури.

Вперше описано еволюцію функції розподілу частинок, що беруть участь у резонансному поглинанні радіовипромінювання пульсара, включаючи випадок великих пітч-кутів частинок. Запропоновано новий механізм нетеплового випромінювання високих енергій молодих і середньовічних пульсарів на основі спонтанного синхротронного висвітлення поглинаючих частинок, що вперше передбачає фізичний зв'язок радіовипромінювання та випромінювання високих енергій пульсарів. Уперше вивчено процес розсіяння низькочастотного випромінювання у випадку гвинтового руху частинок і запропоновано його як додатковий механізм переробки радіовипромінювання у випромінювання високих енергій пульсара.

Вперше розроблено фізичну теорію формування компонент радіопрофілю пульсара поза межами головного імпульсу на основі індукованого розсіяння вузького променя в широкий тілесний кут у надсильному та помірно сильному магнітному полі. На основі узагальнення теорії на випадок гвинтового руху розсіювальних частинок вперше пояснено структуру радіопрофілю пульсара Краб та її частотну еволюцію.

Виходячи із загальноприйнятої моделі порожнистого конуса, з урахуванням рефракції радіохвиль в пульсарній плазмі вперше запропоновано фізичну основу відомої морфологічної класифікації радіопрофілів пульсарів [1], в рамках якої пояснені формування центральних, внутрішніх і зовнішніх конусних компонент, їх спектральні та поляризаційні особливості.

Запропоновано новий сценарій розвитку двопотокової нестійкості в магнітосфері пульсара внаслідок резонансного зворотного комптонівського розсіяння теплового випромінювання нейтронної зірки частинками вторинної плазми. Показано, що такий сценарій може бути основою плазмового механізму радіовипромінювання пульсарів.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, одержані в дисертаційній роботі, вже зазнали широкого застосування в теоретичних та спостережних дослідженнях пульсарів. Зокрема, запропоновані нами теорії рефракції і поляризаційної еволюції рекомендовані співдружністю європейських пульсарних груп для загального застосування при інтерпретації результатів багаточастотних спостережень в рамках проекту MFO (MultiFrequency Observations). Чимало наукових результатів дисертаційної роботи підтверджені новими спостережуваними даними радіотелескопів Вестерборк (Нідерланди), Аресібо (США), Паркс (Австралія) та ін., а також рентгенівської обсерваторії CHANDRA і космічного телескопа XXM-Newton. Деякі приклади практичного застосування результатів дисертаційної роботи наведені нижче.

У пульсарі Краб і пульсарі Вітрил знайдено спостережувані прояви передбаченого нами фізичного зв'язку радіовипромінювання і випромінювання високих енергій [2-5].

Застосування запропонованого нами критерію пошуку джерел гігантських імпульсів радіовипромінювання на телескопі GBT (Green Bank Telescope, США) привело до відкриття трьох нових об'єктів [6], що на третину збільшило кількість відомих джерел гігантських імпульсів радіовипромінювання.

У пульсарі PSR B0329+54 знайдено антикореляцію інтенсивностей ортогональних поляризаційних мод [7], що підтверджує нашу ідею явища ортогональних мод радіовипромінювання пульсарів як наслідку часткової лінійної трансформації звичайних нормальних хвиль в силовій трубці.

Результати нашої теорії рефракції неодноразово застосовувались для інтерпретації спостережуваних особливостей субімпульсів (див., напр., [8, 9].

Надалі результати дисертаційної роботи планується використовувати для постановки задач спостережних досліджень на низькочастотних радіотелескопах нового покоління LOFAR [10] і ГУРТ. Зокрема, становить інтерес пошук передбачених в роботі транзієнтних передімпульсів та інтерімпульсів на низькочастотних профілях пульсарів, а також дослідження кореляції радіовипромінювання пульсарів в спектральній області за низькочастотним завалом з випромінюванням високих енергій.

Особистий внесок здобувача. З 25 статей, що відображають результати дисертаційної роботи, 19 написано без співавторів. Особистий внесок здобувача у статті, написані у співавторстві, включає у виведення формул, проведення чисельних розрахунків, порівняння одержаних результатів зі спостережуваними даними і написання тексту статей.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, викладені в дисертації, доповідались на 9 міжнародних конференціях: “Pulsar Astronomy - 2000 and Beyond” (30.08-3.09.1999, Бонн, Німеччина), “European Astronomy at the Turn of the Millenium” (29.05-3.06.2000, Москва, Росія), “XXXII Young European Radio Astronomer's Conference YERAC -2000” (17.09-20.09.2000, Гранада, Іспанія), XXV General Assembly of the IAU, IAU Symposium No 218 “Young Neutron stars and Their Environments” (14.07-17.07.2003, Сідней, Австралія), “Astrophysical Sources of High-Energy Particles and Radiation” (20.06-24.06.2005, Торунь, Польща), 7-th Russian Conference “Physics of Neutron Stars - 2005” (27.06-29.06.2005, Санкт-Петербург, Росія), “Lake Hanas International Pulsar Symposium” (2.08-7.08.2005, Урумчі, Китай), “Russian Conference on Neutron Stars” (24.06-27.06.2008, Санкт-Петербург, Росія), “The Low-Frequency Radio Universe” (8.12-12.12.2008, Пуна, Індія), а також на семінарах робочих груп з пульсарних досліджень в Астрономічному інституті ім. А. Паннекука (травень 2002 р., Амстердам, Нідерланди), Сіднейському університеті (липень 2003 р., Сідней, Австралія), Астрономічному центрі ім. Коперніка (березень 2005 р., Торунь, Польща), на засіданні Президії НАН України (травень 2005 р.) і на засіданнях Астрофізичного семінару Радіоастрономічного інституту НАНУ.

Цикл наукових праць здобувача "Взаємодія радіовипромінювання з плазмовим потоком в магнітосфері пульсара", що містить частину результатів дисертаційної роботи, удостоєний премії Президента України для молодих вчених за 2008 р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 25 статтях в наукових журналах, а також додатково представлені у 18 тезах і трудах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та п'яти додатків. Робота містить 281 сторінку основного тексту, а також 72 рисунки і 1 таблицю, що займають 53 повні сторінки, список використаних джерел з 520 найменувань на 54 сторінках і 5 додатків на 20 сторінках.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано необхідність проведення дисертаційних досліджень, висвітлено актуальність теми роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, представлено наукову новизну і практичну значимість одержаних результатів.

Перший розділ "Пульсари як об'єкт астрофізичних досліджень" містить огляд літератури. У першому підрозділі наведено основні відомості про пульсари. Вважаючи на зростаючу різноманітність спостережуваних проявів нейтронних зірок уточнено визначення радіопульсарів: це нейтронні зірки, енергетика яких обумовлена насамперед уповільненням обертання внаслідок магнітодипольних втрат. У другому підрозділі представлено основні властивості спостережуваних радіоімпульсів пульсарів і проблеми їх інтерпретації. Розглянуто особливості середніх радіоспектрів та інтегральних радіосвітностей пульсарів, морфологію середніх профілів, їх спектральні та поляризаційні властивості, флуктуаційну поведінку індивідуальних імпульсів, а також нещодавно знайдені спостережувані прояви кореляції радіовипромінювання і нетеплового випромінювання високих енергій пульсарів. У третьому підрозділі подано огляд сучасних теоретичних уявлень про пульсари з означенням існуючих проблем. Описано структуру магнітосфери пульсара, процес каскадного народження вторинної плазми, а також основні типи запропонованих в літературі механізмів випромінювання пульсарів.

У четвертому підрозділі підсумовано існуючу теоретичну і спостережувану картину явища пульсарів, її проблеми і недоліки і, виходячи з цього, обґрунтовано мету і задачі дисертаційної роботи. Цілком певно, що радіовипромінювання пульсара виникає в глибині силової трубки і обумовлено процесами у потоці вторинної плазми. Фізика радіовипромінювання пульсарів є важливою складовою сучасних пульсарних досліджень. Задачу самоузгодженого опису плазми і електромагнітних полів у магнітосфері пульсара ще не розв'язано, і, відповідно, фізичні властивості вторинної плазми відомі лише приблизно. Проте ясно, що плазма пульсарів є складною системою, в якій до генерації радіохвиль може приводити чимало сценаріїв, отже її загальні характеристики не накладають суттєвих обмежень на механізм радіовипромінювання. Більш того, хоча радіовипромінювання було і залишається основним джерелом інформації про пульсари, його частка у загальному енергетичному балансі нейтронної зірки нехтовно мала. Таким чином, фізика радіовипромінювання пульсарів може вивчатись окремо від електродинаміки пульсарної магнітосфери.

Жоден із запропонованих в літературі механізмів радіовипромінювання пульсарів не вільний від внутрішніх труднощів. Але крім того, їх об'єднує спільна проблема: ніякий імовірний механізм не здатний пояснити всю різноманітність властивостей спостережуваних радіоімпульсів. За теперішнього часу теорія радіовипромінювання пульсарів та їх спостережні дослідження розвиваються практично незалежно.

Об'єктивний аналіз даної ситуації приводить до висновку, що розробка ще одного механізму радіовипромінювання не внесе суттєвих змін, тому становить інтерес звернутись до розвитку іншого напряму - вивчення ефектів поширення радіовипромінювання в пульсарній плазмі. Слід зазначити, що ефекти поширення радіовипромінювання пульсарів у міжзоряному і міжпланетному середовищі та в земній іоносфері теж мають спостережувані наслідки, особливо на низьких частотах, але вони детально вивчаються в інших розділах радіоастрономії і в даній роботі не розглядаються. Вагомим аргументом у підтримку важливої ролі цих ефектів у визначенні спостережуваних властивостей радіоімпульсів є значна частотна залежність середніх характеристик радіовипромінювання пульсарів. На шляху вивчення ефектів поширення в пульсарній плазмі можна сподіватись вперше пояснити комплекс спостережуваних властивостей радіоімпульсів, надати існуючим емпіричним моделям фізичну основу, що є необхідною для постановки подальших спостережних задач, одержати обмеження на механізм радіовипромінювання пульсарів і вперше, виходячи безпосередньо зі спостережуваних даних, уточнити характеристики вторинної плазми. Результати проведених досліджень подано у наступних розділах.

У другому розділі "Теорія поляризації радіовипромінювання пульсарів" досліджено поширення нормальних хвиль у плазмі силової трубки. Ультрарелятивістська замагнічена електрон-позитронна плазма пульсара допускає існування незагасаючих нормальних хвиль двох типів. Звичайні хвилі лінійно поляризовані у площині зовнішнього магнітного поля, а незвичайні хвилі - перпендикулярно цій площині. Можна очікувати, що радіовипромінювання пульсарів являє собою звичайні хвилі, оскільки незвичайні хвилі мають вакуумну дисперсію і не можуть безпосередньо генеруватись у плазмі. У ряду пульсарів спостережувані радіоімпульси дійсно характеризуються високим степенем лінійної поляризації, а зміна позиційного кута лінійної поляризації вздовж імпульсу відображає зміну проекції зовнішнього магнітного поля на картинну площину внаслідок обертання пульсарного променя. Але в цілому емпірична картина поляризації радіовипромінювання пульсарів набагато складніша. Як правило, у випромінюванні одночасно присутні дві ортогонально поляризовані моди, що в загальному випадку мають еліптичну поляризацію і можуть бути не строго ортогональними. Відношення інтенсивностей мод, їхні еліптичності і позиційні кути значно флуктуюють від імпульсу до імпульсу.

В дисертаційній роботі вивчено ефекти поширення нормальних хвиль у слабконеоднорідній пульсарній плазмі і на цій основі запропоновано пояснення основних спостережуваних особливостей поляризації радіоімпульсів пульсарів, а також розроблено методику діагностики пульсарної плазми за спостережуваними поляризаційними профілями імпульсів. Виходячи з рівнянь Максвелла та лінеаризованого рівняння руху частинок в електромагнітному полі нормальних хвиль виведено систему рівнянь, що описує перенос поляризації хвиль в силовій трубці пульсара у загальному випадку, з урахуванням відмінності функцій розподілу електронів і позитронів, скінченності напруженості зовнішнього магнітного поля і ефекту циклотронного резонансу. Методами теорії збуджень знайдено розв'язки системи для низки граничних випадків стосовно до магнітосфери пульсара, а також одержано чисельні розв'язки для довільних значень параметрів.

У першому підрозділі запропоновано пояснення явища ортогонально поляризованих мод як наслідку лінійної трансформації звичайних нормальних хвиль і ефекту граничної поляризації в магнітосфері пульсара. Поблизу області генерації радіовипромінювання масштаб биттів нормальних хвиль,

де - частота хвиль, - різниця їх показників заломлення), набагато менше характерного масштабу зміни параметрів оточуючої плазми, (де - висота над поверхнею нейтронної зірки), отже виконуються умови геометричної оптики. При цьому електричний вектор звичайних хвиль відстежує локальну орієнтацію зовнішнього магнітного поля. Становить інтерес розгляд еволюції поляризації нормальних хвиль в областях, де і умови геометричної оптики порушуються. Зокрема, це має місце у випадку квазіподовжнього поширення хвиль відносно зовнішнього магнітного поля. Як правило, в силовій трубці хвилі поширюються квазіпоперечно

,

де - кут нахилу хвильового вектора до магнітного поля,

лоренц-фактор плазми, - швидкість плазмових частинок), але внаслідок рефракції звичайних хвиль на їхній траєкторії трапляється відрізок квазіподовжнього поширення, де відбувається часткова лінійна трансформація звичайних хвиль у незвичайні. На виході з області трансформації з'являються лінійно поляризовані звичайні і незвичайні хвилі, що поширюються незалежно.

Оскільки силова трубка розширюється з відстанню від нейтронної зірки і, відповідно, густина плазми зменшується, у верхній магнітосфері наближення геометричної оптики знов порушується і відбувається ефект граничної поляризації. В результаті, кожна з падаючих нормальних хвиль, незалежно від присутності хвиль іншого типу, стає когерентною сумою обох нормальних мод, набуваючи деякої кругової поляризації і зсуву позиційного кута лінійної поляризації. Обидва типи лінійно поляризованих нормальних хвиль набувають однакових змін, отже вихідне випромінювання є суперпозицією двох еліптично поляризованих ортогональних мод, що погоджується з основними положеннями емпіричної моделі поляризації радіовипромінювання пульсарів.

Важливо відзначити, що еліптичність і зсув позиційного кута мод, котрі виникають внаслідок ефекту граничної поляризації, пов'язані між собою і визначаються характеристиками пульсарної плазми в області граничної поляризації. Виходячи з цього, у другому підрозділі розроблено методику діагностики пульсарної плазми за спостережуваними поляризаційними профілями радіоімпульсів. Застосування цієї методики до середніх профілів пульсарів PSR B0355+54 та PSR B0628-28 дозволило вперше одержати характеристики пульсарної плазми на основі спостережуваних даних. На рис. 1 представлено розраховані профілі розподілу вторинної плазми в силовій трубці. Знайдені значення фактора розмноження вторинної плазми, , добре погоджуються з даними сучасних теорій електрон-позитронного каскаду в магнітосфері пульсара. Крім того, виявлено експоненціальний спад густини плазми до краю силової трубки, що ще чекає на теоретичну інтерпретацію.

У третьому підрозділі враховано роль циклотронного поглинання у формуванні поляризації радіовипромінювання, що виходить з магнітосфери пульсара, і на цій основі вперше пояснено неортогональність спостережуваних поляризаційних мод. Поблизу області генерації радіовипромінювання магнітне поле таке сильне, що гірочастота електрона значно перевищує частоту радіохвиль у власній системі плазмових частинок,

.

Одначе напруженість магнітного поля швидко зменшується з відстанню від нейтронної зірки, отже у верхній магнітосфері виконується умова циклотронного резонансу радіохвиль. Як правило, область циклотронного резонансу лежить вище області граничної поляризації, але вони можуть бути достатньо близькими. У цьому випадку густина плазми в резонансній області ще досить велика, щоб спричинити подальшу еволюцію поляризації хвиль. Коефіцієнти циклотронного поглинання звичайної і незвичайної нормальних хвиль трохи відрізняються: незвичайні хвилі поглинаються сильніше. Хвилі, що приходять у резонансну область, вже є когерентною суперпозицією обох нормальних хвиль, і, оскільки ці компоненти поглинаються по-різному, поляризація хвиль змінюється. Важливо відзначити, що еволюція двох поляризаційних мод не однакова і вони стають неортогональними.

У четвертому підрозділі вивчено статистику поляризаційних параметрів мод, обумовлену міжімпульсними флуктуаціями характеристик пульсарної плазми. В ході чисельного дослідження переносу поляризації для різних параметрів середовища нами одержано гістограми розподілу кінцевих значень позиційного кута і еліптичності суми двох поляризаційних мод із випадковим відношенням інтенсивностей у разі слабких флуктуацій густини пульсарної плазми (див. рис. 2). Розраховані розподіли в цілому подібні до спостережуваних. Одержані двовимірні діаграми розсіяння поляризаційних параметрів в азимутальній проекції рівних площ Ламберта (див. рис. 3) на якісному рівні також погоджуються зі спостережуваними. Зокрема, відтворено характерні дугоподібні особливості, знайдені в PSR B0329+54 [7], а також пояснено концентрацію точок поблизу фіксованого азимута в PSR B0818-13 [11] .

У третьому розділі "Механізм гігантських імпульсів. Характерний масштаб субструктури випромінювання" розвито теорію нестаціонарних явищ у радіовипромінюванні пульсарів на основі урахування індукованого розсіяння радіовипромінювання на частинках вторинної плазми у надсильному магнітному полі пульсара. Як правило, інтенсивності радіовипромінювання пульсарів випадково змінюються від імпульсу до імпульсу не більше, ніж у декілька разів, одначе у деяких пульсарів є надлишок сильних імпульсів. Ці так звані гігантські імпульси радіовипромінювання мають інтенсивності від десятків до тисяч разів вище середнього з характерним степеневим розподілом.

У першому підрозділі вивчено перерозподіл інтенсивності радіовипромінювання за частотами внаслідок індукованого розсіяння в силовій трубці пульсара, проаналізовано можливість значного підсилення випромінювання фіксованої частоти і на цій основі запропоновано інтерпретацію явища гігантських імпульсів радіовипромінювання. Розсіяння найбільш ефективне в глибині магнітосфери - там, де густина розсіювальних частинок найбільша. В цій області виконується умова і магнітне поле значно впливає на процес розсіяння, змінюючи геометрію віддачі і переріз розсіяння. Відомо, що через високі яскравісні температури радіовипромінювання пульсарів, К, індуковане розсіяння завжди домінує над спонтанним. Оскільки механізм радіовипромінювання пульсара пов'язаний з процесами у вторинній плазмі, внаслідок релятивістських ефектів випромінювання фіксованої частоти в кожній точці зібрано у вузький пучок з кутом розхилу . Проте внаслідок рефракції і поширення в обертовій магнітосфері пучки різних частот можуть мати різні орієнтації.

Отже нами розв'язувалась задача індукованого розсіяння радіофотонів між двома пучками суттєво різних частот і напрямків. У випадку вузьких пучків інтегро-диференціальне рівняння, що описує індуковане розсіяння, значно спрощується і зводиться до системи двох звичайних диференціальних рівнянь, яка має перший інтеграл:

(1)

де - спектральні інтенсивності пучків відповідно високої і низької частоти.

Розв'язок системи має вигляд

(2)

де - ефективність індукованого розсіяння, а індексом "0" позначені початкові значення інтенсивностей. Знайдено, що у надсильному магнітному полі індуковане розсіяння приводить до перекачки інтенсивності з низької частоти на високу . За умови спадного характеру початкового спектра радіовипромінювання пульсара,

,

де - спектральний індекс, це може означати суттєве підсилення інтенсивності на високій частоті. Якщо, наприклад, і , у випадку ефективного індукованого розсіяння інтенсивність може зростати у 1000 разів, отже наша теорія пояснює спостережувану енергетику гігантських імпульсів радіовипромінювання. Підсилення буде тим значніше, чим більше значення спектрального індексу. В нашій роботі крутий спектр радіовипромінювання запропоновано як критерій пошуку нових джерел гігантських імпульсів, і його застосування у спостереженнях вже дало перші позитивні результати [6].

В рамках нашого механізму гігантських імпульсів радіовипромінювання в роботі також розроблено статистичну модель підсилення інтенсивності внаслідок індукованого розсіяння. Ефективність розсіяння залежить від густини розсіювальних частинок і первісної інтенсивності імпульсів , , і має змінюватись внаслідок міжімпульсних флуктуацій цих величин. Згідно із чисельними оцінками в умовах пульсарів середнє значення ефективності розсіяння невелике, , але коли величини та час від часу приймають значення, що більш ніж утричі перевищують середні, підвищення інтенсивності в процесі індукованого розсіяння стає значним. Із застосуванням методів теорії ймовірностей показано, що за умови гауссового розподілу величин та кінцеві інтенсивності значно підсилених імпульсів мають розподіл, близький до степеневого,

де

,

 та - дисперсії величин та , - коефіцієнт кореляції. Зокрема, в рамках нашої моделі підсилення відтворено спостережуваний розподіл інтенсивностей гігантських імпульсів радіовипромінювання пульсара Краб на частоті 800 МГц.

Надзвичайною особливістю гігантських імпульсів радіовипромінювання є їх субструктура з часовими масштабами до декількох наносекунд. Складові цієї субструктури - наноімпульси - мають величезні яскравісні температури, К, і є найяскравішими імпульсами у Всесвіті. На якісному рівні, без урахування часових масштабів, наноструктура гігантських імпульсів радіовипромінювання подібна до мікроструктури звичайних імпульсів. Згідно із променевою моделлю, субструктура - це наслідок неоднорідності кутової структури конуса випромінювання пульсара, що проявляється при обертанні пульсарного променя відносно спостерігача. Характерний масштаб неоднорідності прийнято пов'язувати з розхилом конуса випромінювання релятивістської частинки,

.

Одначе для цього потрібні занадто великі значення лоренц-фактора частинок, , тоді як у сучасних теоріях електрон-позитронного каскаду ; крім того, залишається неясним значний розкид спостережуваних тривалостей мікроімпульсів пульсара.

У другому підрозділі розглянуто індуковане розсіяння радіовипромінювання всередині пучка у випадку надсильного магнітного поля. Відповідне інтегро-диференціальне кінетичне рівняння розв'язано шляхом зведення до системи звичайних диференціальних рівнянь. У випадку сильного розсіяння, , кінцевий розподіл спектральної інтенсивності пучка з кутом розхилу має вигляд

(3)

де - інтегральна спектральна інтенсивність, - ефективність розсіяння, та - полярний та азимутальні кути в системі з віссю вздовж осі пучка і початком відліку азимута від площини, яка містить вектор напруженості зовнішнього магнітного поля . Згідно з формулою (3), в результаті індукованого розсіяння відбувається самофокусування фотонів пучка у напрямку

,

що є найближчим до , причому характерна ширина пучка зменшується у раз, . Чисельні оцінки стосовно до пульсарних умов свідчать, що фотонний пучок може стискуватись у сотні разів. В рамках променевої моделі субструктури імпульсів таке зменшення кутового масштабу вперше дозволяє пояснити спостережувані тривалості мікроімпульсів. Більш того, стає зрозумілим значний розкид тривалостей мікроімпульсів пульсара: оскільки фізичні умови в силовій трубці флуктуюють від імпульсу до імпульсу, ефективність індукованого розсіяння і, відповідно, ступінь фокусування пучка теж повинні зазнавати змін. У разі формування гігантських імпульсів радіовипромінювання ефект фокусування має бути особливо сильним і може пояснювати наносекундні масштаби їх субструктури. Слід зазначити, що залучення ефекту самофокусування вперше знімає проблему занадто високих яскравісних температур наноімпульсів.

У четвертому розділі "Механізми фізичного зв'язку радіовипромінювання і нетеплового випромінювання високих енергій пульсарів" розглянуто процеси часткової переробки радіовипромінювання пульсара у нетеплове випромінювання високих енергій і проаналізовано їх спостережувані наслідки. Радіовипромінювання і випромінювання високих енергій пульсарів характеризуються суттєво різною енергетикою і спектрами і, безперечно, генеруються різними механізмами. Проте нещодавні одночасні спостереження випромінювання пульсарів в цих діапазонах виявили сумісні флуктуації: у пульсарі Краб оптичні імпульси, що співпадають із гігантськими імпульсами радіовипромінювання, на 3% яскравіші за середній імпульс [2]; у пульсарі Вітрил зміни рентгенівського профілю пов'язані з інтенсивністю і формою радіоімпульсу [4]. У дисертаційній роботі представлені теорії, що вперше передбачили фізичний зв'язок нетеплового випромінювання високих енергій з радіовипромінюванням пульсарів і згодом пояснили виявлені спостережувані прояви цього зв'язку.

У першому підрозділі вивчено еволюцію функції розподілу частинок вторинної плазми внаслідок резонансного поглинання радіовипромінювання в магнітосфері пульсара. Поблизу області генерації радіовипромінювання магнітне поле таке сильне, що поперечна складова імпульсу частинок практично миттєво втрачається внаслідок синхротронного висвітлення, отже частинки знаходяться на основному рівні Ландау. У верхній магнітосфері, в області циклотронного резонансу радіохвиль, частинки можуть здійснювати вимушені переходи між рівнями Ландау, поглинаючи та випромінюючи резонансні фотони. В результаті, падаюче випромінювання частково поглинається, а середній пітч-кут системи частинок,

,

монотонно зростає. Відомо, що в умовах пульсарів циклотронне поглинання може бути дуже ефективним. З одного боку, виникає проблема виходу спостережуваного радіовипромінювання з магнітосфери пульсара; з іншого боку, оскільки частинки швидко набувають релятивістських обертальних енергій, можна очікувати, що характер процесу поглинання змінюється.

В дисертаційній роботі одержано кінетичне рівняння, що описує еволюцію функції розподілу частинок внаслідок резонансного поглинання і синхротронного висвітлення, і з використанням стандартного математичного апарата рівнянь у частинних похідних знайдено його розв'язок у важливих граничних випадках. Показано, що на початковій стадії поглинання середній пітч-кут частинок зростає до значень, близьких до величини кута падіння резонансного випромінювання ,

,

а потім характер поглинання змінюється і відбувається зростання повного імпульсу , причому

Виявилось, що в умовах пульсарів тільки радіовипромінювання найвищих частот, ГГц поглинається в режимі , а в більшій частині резонансної області поглинання проходить в режимі , причому величина може зростати на 2-3 порядки.

Виходячи з одержаної функції розподілу частинок, у другому підрозділі досліджено спостережувані наслідки резонансного поглинання в магнітосфері пульсара. Знайдено, що у випадку оптична товща за поглинанням значно менша, ніж у випадку , і саме ця величина визначає спостережувані радіосвітності пульсарів. Для довгоперіодичних і мілісекундних пульсарів оптична товща не перевищує одиниці, і радіовипромінювання вільно виходить з магнітосфери. В короткоперіодичних пульсарах , отже радіовипромінювання також може досягати спостерігача, але має бути значно заглушене. Показано, що ефект циклотронного поглинання може пояснювати низку статистичних особливостей у спостережуваних енергетичних характеристиках короткоперіодичних пульсарів.

Згідно із проведеними оцінками, спонтанне синхротронне випромінювання поглинаючих частинок припадає на оптичний і м'який рентгенівський діапазони і може спостерігатись як нетеплове випромінювання високих енергій пульсара. Запропонований нами механізм пояснює спостережувані оптичні світності і плоскі спектри молодих і середньовічних пульсарів, а також вперше передбачає фізичний зв'язок нетеплового випромінювання високих енергій з радіовипромінюванням пульсара, що згодом підтвердився спостереженнями. В роботі також інтерпретовано сумісні флуктуації інтенсивностей оптичного і радіовипромінювання, винайдені в пульсарі Краб.

З метою пояснення спостережуваної в пульсарі Вітрил залежності форми рентгенівського профілю від інтенсивності радіовипромінювання у третьому підрозділі нами вивчено ще один процес переробки радіовипромінювання в магнітосфері пульсара і запропоновано додатковий механізм нетеплового випромінювання високих енергій. Оскільки радіовипромінювання пульсарів широкосмугове, Гц, резонансна область достатньо протяжна. В більшій частині цієї області присутні фотони з частотами, меншими за резонансну, а також частинки з релятивістськими обертальними енергіями, набутими внаслідок резонансного поглинання випромінювання вищих радіочастот. Можна очікувати, що розсіяння низькочастотного випромінювання () на частинках, що здійснюють релятивістський гвинтовий рух, значно відрізняється від розсіяння у випадку рівномірного прямолінійного руху частинок.

На основі стандартної методики фур'є-перетворення струмів і полів нами виведено переріз розсіяння частинкою на круговій орбіті у загальному вигляді. Одержано повний переріз у випадку низькочастотного розсіяння, а також спектрально-кутовий розподіл розсіяного випромінювання. Знайдено, що повний переріз розсіяння набагато перевищує переріз розсіяння прямолінійно рухомою частинкою, причому випромінювання розсіюється переважно на високі гармоніки гірочастоти, (де - лоренц-фактор обертального руху частинки). Спектр розсіяного випромінювання досягає максимуму на частотах, трохи більших за синхротронний максимум (див. рис. 4). І хоча в розглянутій задачі інтегральна розсіяна потужність завжди менша за синхротронну потужність, в області за синхротронним максимумом роль розсіяного випромінювання може бути значною.

Показано, що світність випромінювання високих енергій, обумовленого розсіянням, сильно залежить від лоренц-фактора обертального руху частинок , , значно сильніше за синхротронну світність, . Оскільки величина визначається інтенсивністю радіовипромінювання, що приходить у резонансну область і спричиняє еволюцію імпульсів поглинаючих частинок, то флуктуації радіовипромінювання повинні насамперед впливати на варіацію інтенсивності розсіяної компоненти. При цьому флуктуації випромінювання високих енергій пульсара, корельовані з радіовипромінюванням, найбільш яскраво виражені в спектральній області за синхротронним максимумом, де роль розсіяної компоненти значна. На основі вивчених процесів переробки радіовипромінювання в магнітосфері пульсара пояснено особливості випромінювання пульсара Вітрил у м'якому рентгенівському діапазоні, зокрема спостережувану кореляцію з радіовипромінюванням.

У п'ятому розділі "Утворення компонент радіопрофілю пульсара поза межами головного імпульсу" запропоновано фізичний механізм формування додаткових компонент радіопрофілю на основі індукованого розсіяння вузького пучка радіовипромінювання в широкий тілесний кут. Профілі імпульсів деяких пульсарів містять додаткові компоненти, розташовані далеко за межами головного імпульсу. Передімпульс випереджає головний імпульс на декілька десятків градусів, а інтерімпульс відстоїть від головного імпульсу приблизно на половину періоду пульсара. Додаткові компоненти відрізняються від головного імпульсу за поляризаційними і спектральними властивостями. Проте із спостережень флуктуацій інтенсивності витікає, що ці компоненти фізично пов'язані між собою, а також з головним імпульсом. Передімпульс та інтерімпульс, як правило, інтерпретуються в рамках геометричних моделей: незвичне розташування цих компонент на профілі відноситься за рахунок їх незалежної генерації в різних частинах силової трубки. Але при цьому залишається незрозумілим фізичний зв'язок між компонентами. В дисертаційній роботі вперше запропоновано фізичний механізм формування додаткових компонент, що пояснює їх спектральні і поляризаційні властивості, а також зв'язок із головним імпульсом і між собою.

Оскільки радіовипромінювання пульсарів в кожній точці зібране у вузький пучок, напрямок, що відповідає максимуму ймовірності розсіяння, лежить за межами пучка. Індуковане розсіяння в цьому напрямку можливе лише за умови присутності фонового випромінювання. Таке випромінювання може виникати, наприклад, внаслідок спонтанного розсіяння фотонів пучка. І хоча інтенсивність фонового випромінювання нехтовно мала у порівнянні з інтенсивністю пучка,

,

за умови достатньо сильного індукованого розсіяння, , значна частина первісної інтенсивності пучка може передаватись у фон, причому фотони пучка розсіюються переважно у певному напрямку.

В дисертаційній роботі знайдено аналітичний розв'язок задачі переносу інтенсивності в ході індукованого розсіяння випромінювання вузького пучка у фонове випромінювання для двох режимів розсіяння, що мають місце в магнітосфері пульсара. У першому і другому підрозділах розглянуто відповідно процеси індукованого розсіяння у наближеннях надсильного

і помірно сильного

магнітного поля. Показано, що у цих випадках геометрія розсіяння і властивості розсіяного випромінювання суттєво відрізняються.

У першому підрозділі на основі аналізу кінетичного рівняння для індукованого розсіяння у надсильному магнітному полі показано, що розсіяна компонента орієнтована приблизно вздовж швидкості розсіювальних частинок. Розглянуто спрощену задачу розсіяння між двома фотонними станами, один з яких відповідає випромінюванню пучка, а інший стану фонового випромінювання, ймовірність розсіяння в який максимальна. У цьому випадку інтегро-диференціальне кінетичне рівняння зводиться до системи двох звичайних диференціальних рівнянь, розв'язок якої дається формулами (1)-(2). Згідно із проведеними оцінками, в умовах пульсарів інтенсивність розсіяної компоненти може ставати значною. Знайдено, що індуковане розсіяння найбільш ефективне у верхній магнітосфері, на відстанях порядку радіуса циклотронного резонансу. Внаслідок обертальної аберації в цій області на профілі імпульсу розсіяна компонента передує головному імпульсу на величину і може бути ототожнена з передімпульсом.

Механізм формування передімпульсу на основі індукованого розсіяння випромінювання головного імпульсу природно включає фізичний зв'язок двох компонент та пояснює його різноманітні спостережувані прояви. Крім того, в рамках запропонованого механізму пояснено спостережувані поляризаційні та спектральні властивості передімпульсної компоненти, зокрема її повну лінійну поляризацію.

У другому підрозділі виведено кінетичне рівняння, що описує перенос фотонів у процесі індукованого розсіяння в помірно сильному магнітному полі, і знайдено розв'язок задачі індукованого розсіяння між двома фотонними станами. Показано, що стосовно до пульсарів таке розсіяння приводить до формування компоненти, яка орієнтована антипаралельно швидкості розсіювальних частинок і з'являється на профілі імпульсу як інтерімпульс. Пояснено основні властивості спостережуваного інтерімпульсного випромінювання.

Особливий випадок являє собою радіопрофіль пульсара Краб, який відзначається складною структурою і значною частотною еволюцією. Він містить сім компонент, що розкидані по всьому періоду і характеризуються суттєво різними спектрами і поляризацією. На низьких частотах профіль має стандартну структуру - передімпульс, головний імпульс та інтерімпульс, але зі зростанням частоти всі ці компоненти зникають. Замість передімпульсу на профілі з'являється так звана низькочастотна компонента, що відстоїть від головного імпульсу на більшу відстань, замість інтерімпульсу з'являється високочастотний інтерімпульс, а також пара так званих високочастотних компонент. У третьому і четвертому підрозділах проведено узагальнення механізму формування додаткових компонент з метою пояснення структури радіопрофілю пульсара Краб.

У третьому підрозділі задачу про індуковане розсіяння узагальнено на випадок гвинтового руху розсіювальних частинок і показано, що передімпульс і низькочастотна компонента на профілі пульсара Краб можуть пояснюватись індукованим розсіянням випромінювання головного імпульсу відповідно на нульовій і першій гармоніках гірочастоти. Інтерпретовано їх положення на профілі та спектральна поведінка.

У четвертому підрозділі враховано на той факт, що напрямок максимально ефективного індукованого розсіяння фотонів пучка може визначатись не тільки геометрією віддачі в акті розсіяння, а і спектром випромінювання пучка, оскільки співвідношення частот фотонних станів, між якими відбувається індуковане розсіяння, також залежать від геометрії розсіяння. Відповідно, розглянуто задачу індукованого розсіяння вузького фотонного пучка у всі можливі стани фонових фотонів. Нескінченну систему звичайних диференціальних рівнянь, що описує перенос інтенсивності в даному випадку, розв'язано аналітично у квадратурах. На основі чисельного розв'язання системи побудовано профілі розсіяних компонент і запропоновано інтерпретацію компонент радіопрофілю пульсара Краб, що ідуть за головним імпульсом. Проведений розгляд мотивовано незвичайно крутим спектром радіовипромінювання цього пульсара.

Показано, що інтерімпульс, високочастотний інтерімпульс та пара високочастотних компонент пульсара Краб можуть пояснюватись поперечним індукованим розсіянням відповідно головного імпульсу, передімпульсу і низькочастотної компоненти. При цьому пара високочастотних компонент є однією компонентою, що виникає на великих висотах в магнітосфері і розщеплена надвоє внаслідок значної обертальної аберації. Інтерпретовано основні тенденції спектральної еволюції компонент, співвідношення позиційних кутів їх лінійної поляризації, присутність гігантських імпульсів радіовипромінювання в розсіяних компонентах і особливості їх частотно-часової структури у високочастотному інтерімпульсі.

У шостому розділі "У підтримку плазмових механізмів радіовипромінювання пульсарів" розвито теорії ефектів поширення в силовій трубці, що укріплюють основу плазмових механізмів радіовипромінювання пульсарів і поліпшують їх відповідність до спостережень.

В основі плазмових механізмів радіовипромінювання пульсарів лежить припущення про ефективний розвиток двопотокової нестійкості у вторинній плазмі силової трубки. Двопотокова нестійкість вважається найбільш природним процесом, що приводить зрештою до формування радіовипромінювання пульсара, одначе конкретний сценарій її розвитку досі залишається неясним. У першому підрозділі вивчено сповільнення частинок вторинної плазми внаслідок резонансного зворотного комптонівського розсіяння теплового випромінювання нейтронної зірки, продемонстровано утворення двогорбої форми функції розподілу плазми внаслідок цього процесу і оцінено відповідний інкремент двопотокової нестійкості.

Температура поверхні нейтронної зірки становить К, і її теплове випромінювання припадає на оптичний і рентгенівський діапазони. Теплові фотони мають розсіюватись на частинках пульсарної плазми. В сильному магнітному полі поблизу поверхні зірки переріз розсіяння значно збільшується при виконанні умови резонансу,

де - енергія фотонів у лабораторній системі, - швидкість частинок в одиницях швидкості світла, - кут падіння фотонів. Відомо, що для типових значень температури і напруженості магнітного поля на поверхні нейтронної зірки роль резонансного зворотного комптонівського розсіяння найбільш значна для частинок з лоренц-факторами , тобто для вторинної плазми. Виходячи з відомого рівняння для темпу енергетичних втрат частинок внаслідок резонансного розсіяння, в дисертаційній роботі на основі чисельних розрахунків детально вивчено еволюцію лоренц-факторів частинок вторинної плазми і відтворено їх кінцеву функцію розподілу (див. рис. 5). Для частинок з початковими лоренц-факторами кінцеві лоренц-фактори групуються в області значень , тоді як початкові лоренц-фактори залишаються практично незмінними. Внаслідок цього функція розподілу вторинної плазми стає двогорбою і допускає розвиток двопотокової нестійкості. Згідно із проведеними оцінками, інкремент цієї нестійкості виявляється достатнім для забезпечення ефективної генерації плазмових коливань, які згодом можуть перетворюватись на спостережуване радіовипромінювання пульсарів.

Плазмові механізми радіовипромінювання пульсарів мають найбільшу спостережну підтримку. Вони природно пояснюють формування випромінювання зі степеневим спектром у порожнистому конусі, зовнішні границі якого визначаються твірними силової трубки на висоті області формування випромінювання. Ці властивості дійсно притаманні радіовипромінюванню пульсарів і, як правило, відслідковуються у спостережуваних даних, але спостережувані радіоімпульси також показують ряд особливостей, що виходять за рамки такої спрощеної картини. Зокрема, структура профілів радіоімпульсів не вичерпується парою конусних компонент, передбаченою моделлю порожнистого конуса: вони можуть містити дві пари вкладених конусних компонент, а також центральну компоненту; різні компоненти профілю відрізняються за поляризаційними і спектральними властивостями; інтегральний радіоспектр пульсара, як правило, має високочастотний злам і може показувати сплощення на ще вищих частотах. Сильна частотна залежність спостережуваних особливостей радіоімпульсів свідчить в підтримку значної ролі ефектів поширення в магнітосфері пульсара.

У другому підрозділі вивчено ефект рефракції радіохвиль у загальному випадку невісесиметричного розподілу вторинної плазми в силовій трубці і проаналізовано його спостережувані наслідки. Виведено систему рівнянь, що описує хід променів в силовій трубці, в результаті аналітичного і чисельного дослідження цієї системи визначено основні риси поведінки променів і на цій основі проведено чисельне моделювання морфології профілів імпульсів, видимої просторової структури області випромінювання, спектральних особливостей компонент. Крім того, розглянуто вплив рефракції на ефект граничної поляризації радіохвиль, побудовано профілі кругової поляризації імпульсів та досліджено їх частотну еволюцію. Здійснене в дисертаційній роботі урахування ефектів поширення значно поліпшило узгодженість теоретичних і емпіричних уявлень про радіовипромінювання пульсарів, формування профілів імпульсів, їх частотні та поляризаційні властивості.