Согласно результатам недавнего исследования, экстремальное ускорение плазмы в колоссальных ударных волнах, известных как «монструозные» (Monster Shocks), может являться фундаментальной причиной возникновения быстрых радиовсплесков (FRB).
Астрофизики из Вашингтонского университета в Сент-Луисе впервые провели комплексное глобальное моделирование процессов в магнитосферах магнитаров. Они установили, что именно эти экстремальные явления способны порождать FRB — загадочные радиоимпульсы миллисекундной длительности, достигающие Земли из самых удаленных уголков космоса.
Магнитары представляют собой юные нейтронные звезды, обладающие невероятно мощными магнитными полями, и считаются наиболее вероятными источниками FRB. Поскольку их внутренняя структура еще не стабилизировалась после бурного процесса формирования, они генерируют интенсивные возмущения в окружающей плазме. Эти быстрые магнитозвуковые волны возникают в магнитосфере вследствие «звездотрясений», деформаций коры или трансформации колебательных мод.
При движении через магнитосферу амплитуда такой волны постепенно снижается, однако напряженность фонового магнитного поля убывает еще стремительнее. Это приводит к росту относительной амплитуды возмущения до тех пор, пока оно не станет сопоставимым с фоновым полем. В результате магнитные волны давления трансформируются в «монструозные волны» — мощнейшие ударные фронты во Вселенной, инициирующие когерентное радиоизлучение, характерное для FRB.
Принципиальное отличие «монстров» от иных астрофизических ударных процессов заключается в специфическом механизме их формирования. Плазма перед фронтом фактически «всасывается» внутрь него, разгоняясь до сверхвысоких энергий, которые затем высвобождаются при столкновении. Благодаря колоссальным магнитным полям магнитаров, такие волны рассеивают магнитную энергию значительно эффективнее любых других известных ударных структур.
Исследователи представили результаты первого в своем роде 2D глобального PIC-моделирования (метод частиц в ячейках), которое позволило объединить макроструктуру магнитосферы и кинетическую физику ударных волн. Симуляция продемонстрировала, что «монстры» разгоняют плазму до предельных значений фактора Лоренца, находящихся в линейной зависимости от намагниченности среды. Кроме того, была выявлена трехмерная структура волн, концентрирующая когерентное ГГц-излучение в узком экваториальном секторе.
Интеграция данных моделирования с аналитическими расчетами позволила ученым спрогнозировать характеристики волн-предвестников для реальных объектов. Так, для магнитара с поверхностным полем около 10¹⁵ Гаусс и рентгеновской светимостью 10⁴² эрг/с, модель предсказывает радиоизлучение с пиком на частоте 0,22 ГГц, яркостью около 10³⁸ эрг/с и длительностью порядка 0,5 мс. В случае галактического магнитара SGR 1935+2154, породившего всплеск FRB 200428, расчетная частота в 1,4 ГГц практически совпала с данными наблюдений системы STARE2.
Концепция «монструозных волн» также объясняет аномально высокую продуктивность генерации предвестников излучения. В отличие от классической физики ударных волн, где в сильно намагниченной среде этот процесс затруднен, в данном сценарии плазма эффективно ускоряется еще до входа в ударный фронт, что резко повышает выход когерентного радиоизлучения.
Источник: iXBT
