Нейтронные звезды — это одна из возможных стадий эволюции звезд. Они обладают мощным магнитным полем, из-за которого вокруг них образуются пульсарные туманности. Эти объекты интенсивно излучают свет в рентгеновском диапазоне — так происходит, потому что электроны и позитроны излучают фотоны при переходе из одного квантового состояния в другое. При этом электроны и позитроны могут быть закрученными, то есть обладать орбитальным угловым моментом (ОУМ). Это дополнительная характеристика или степень свободы, из-за которой закрученный электрон (позитрон) несет большее количество информации, чем обычный.
Помимо излучения, происходит и обратный процесс: поглощение закрученного фотона электроном, который тоже находится в закрученном состоянии. Это явление мало исследовано, хотя могло бы до конца объяснить механизм образования пульсарных туманностей и их поведение.
Чтобы лучше понять взаимодействие частиц в сильном магнитном поле, ученые ИТМО с помощью теоретических расчетов изучили процесс поглощения закрученного фотона электроном.
Они рассмотрели наиболее простой случай, когда фотон «в лобовую» налетает на электрон. Физики рассчитали сечение поглощения — грубо говоря, это площадь, в которую нужно прилететь фотону, чтобы электрон его поглотил. Выяснилось, что сечение поглощения увеличивается при увеличении углового момента электрона. То есть чем сильнее электрон «закручен», тем проще ему поглотить фотон. Но чем выше степень закрученности самого фотона (ОУМ), тем сложнее его поглотить электрону, поскольку тогда сечение поглощения фотона уменьшается.
Также ученые исследовали, как начальное и конечное положение спина электрона (момент импульса частицы, который направлен либо вдоль, либо против направления магнитного поля) влияет на поглощение фотона. Выяснилось, что фотоны легче поглощаются, когда до и после поглощения фотона электрон не меняет направление своего спина по сравнению со случаями, когда направление спина меняется. Это связано с тем, что изменение спина при поглощении фотона требует энергии, а процессы, требующие дополнительной энергии, всегда происходят с меньшей вероятностью.
Пока результаты исследования сложно проверить на практике: для этого нужны мощные магнитные поля, которые на Земле еще не научились генерировать. Но даже теоретические расчеты могут помочь астрофизикам лучше понять, какие процессы происходят вокруг нейтронных звезд, как образуются, эволюционируют и излучают свет пульсарные туманности.
Александр Щепкин. Фото из личного архива собеседника
«В этом исследовании мы рассматривали только “лобовое” столкновение фотона с электроном. В дальнейшем можно выяснить, как будет происходить нелобовое поглощение, когда расстояние между осями начального электрона и фотона ненулевое. Тогда удастся рассчитать усредненное сечение поглощения и вывести наиболее приближенные к реальности описания того, как фотон налетает на электрон и взаимодействует с ним. Мы планируем исследовать и другие процессы в магнитных полях, связанные с закрученными фотонами. Изучение поглощения — первый шаг к их комплексному пониманию», — рассказал первый автор статьи, инженер физического факультета Александр Щепкин.
