Парадокс миллисекундных пульсаров: звёздная астрофизика помогает объяснить поведение быстро вращающихся нейтронных звёзд в двойных системах

Астрофизик Томас Таурис из Института радиоастрономии Макса Планка и Института астрономии Аргеландера в Бонне попробовал разобраться с этим парадоксом при помощи компьютерной симуляции. Численными рассчётами на основании звёздной эволюции и аккреционного вращательного момента он продемонстрировал, что миллисекундные пульсары теряют около половины энергии своего вращения на завершающих этапах переноса массы перед тем, как пульсар "включает" свой радиолуч. Этот результат согласовывается с существующими наблюдениями, и полученные данные объясняют, почему миллисекундные радиопульсары кажутся намного старше, чем их компаньоны - белые карлики. А также, возможно, почему субмиллисекундных пульсаров не существует вообще. Результаты опубликованы в выпуске журнала "Science" за 3 февраля.

Миллисекундные пульсары - старые нейтронные звёзды, обладающие сильным магнитным полем, состоящие в двойных системах, которые были разогнаны до высоких скоростей вращения при наборе массы и углового момента от звезды-компаньона. Сегодня науке известно около 200 таких пульсаров с периодом вращения от 1,4 до 10 мс. Они размещены как в диске Галактики, так и в шаровых скоплениях.


С открытия первого миллисекундного пульсара в 1982 году, теоретики бились над загадкой их периодов вращения, магнитных полей и возрастов. Например, существует проблема "выключения", т.е. что случится со скоростью вращения пульсара, если звезда-донор прекратит передачу массы?

"Сейчас мы впервые совместили подробные численные модели звёздной эволюции с подсчётами тормозящего момента, влияющего на вращающийся пульсар", - говорит Томас Таурис, автор данного исследования. "Результат показывает, что миллисекундные пульсары теряют около половины энергии своего вращения в так называемой фазе разъединения с полосью Роша". Эта фаза описывает момент прекращения передачи массы в двойной системе. Следовательно, радиопульсары должны вращаться немного медленнее, чем их прародители - рентгеновские пульсары, которые всё ещё поглощают вещество со звезды-донора. Это как раз то, что, похоже, следует из наблюдательных данных. Кроме того, эти открытия помогают объяснить, почему миллисекундные пульсары показывают возраст, превышающий возраст вселенной, а также почему с большой вероятностью не существует субмиллисекундных пульсаров.

Ключевая особенность новых результатов состоит в том, что они показывают, как вращающийся пульсар может выйти из так называемого уравновешенного вращения. В этот период передача массы уменьшается, что вызывает рост магнитосферного радиуса пульсара и таким образом выталкивает коллапсирующее вещество, как пропеллер. Из-за этого пульсар теряет дополнительную энергию вращения и снижает частоту вращения.

"Собственно, без решения проблемы "выключения" нам бы следовало ожидать снижения периодов вращения до 50-100 мс в течение фазы разъединения с полосью Роша", - сообщил Томас Таурис. "А это вступило бы в жёсткое противоречие с наблюдательным подтверждением существования миллисекундных пульсаров".