Нейтронные звезды ‒ одни из самых удивительных астрономических объектов, которые по плотности уступают только черным дырам. Внутри нейтронных звезд не существует отдельных атомов и ядер, и из-за столь высокой плотности они обладают колоссальной гравитацией. Все это придает им необычные физические свойства. Одно из таких свойств, благодаря которому нейтронные звезды и были открыты, ‒ это их радиоизлучение.
На Земле излучение нейтронных звезд наблюдается в форме периодических сигналов. Когда такое излучение было впервые зарегистрировано, ученые выдвинули предположение, что это сигнал внеземной цивилизации. Позднее оказалось, что излучение нейтронных звезд имеет естественное происхождение и не несет никакого специального смысла. Его строгая периодичность обеспечена особенной траекторией распространения. Дело в том, что нейтронная звезда излучает не во все стороны, как обычные звезды, а в форме узкого луча или веера. Вращаясь, нейтронная звезда, как маяк, просвечивает этим лучом космос. Поэтому радиоизлучение нейтронных звезд и наблюдается в виде ярко выраженных периодических пульсаций.
Одним из самых загадочных вопросов в физике нейтронных звезд является механизм, который генерирует направленное радиоизлучение. За последние пятьдесят лет ученым так и не удалось найти однозначного ответа на этот вопрос. Сегодня команда физиков-теоретиков из Университета ИТМО предложила оригинальную модель генерации радиоизлучения пульсаров. Она основана на аналогии между состояниями электронов в полупроводниковых нанокристаллах и в гравитационных полях.
Ученые рассмотрели движение электронов вблизи поверхности нейтронной звезды. Она непроницаема для электронов из-за огромной плотности вещества внутри звезды. Электроны притягиваются к поверхности звезды сильнейшей гравитацией, но отскакивают от нее назад, после чего процесс повторяется. В результате частицы оказываются «захвачены» в тонком слое над поверхностью звезды на гравитационных состояниях. По законам квантовой механики энергии захваченных электронов могут принимать только дискретные значения. Если электроны падают на поверхность нейтронной звезды сверху, они переходят по дискретным гравитационным состояниям, излучая энергию в виде отдельных квантов радиоволн.
«Среда, которая возникает на поверхности нейтронных звезд, очень похожа на ту, что возникает внутри лазера, ‒ объясняет Никита Тепляков, сотрудник лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур» Университета ИТМО. ‒ Там существует так называемая инверсия населенностей. Это значит, что в среде преобладают частицы на верхних энергетических уровнях. Переходя на нижние уровни, они испускают излучение, которое заставляет “спускаться” соседние частицы. Мы оценили частоты переходов электронов между гравитационными состояниями на нейтронной звезде и увидели, что они попадают в радиодиапазон. Мы даже не ожидали, что этого еще никто не делал, но потом выяснилось, что таких работ действительно нет».
По словам молодых ученых, исследование началось с решения классической задачи на занятиях по квантовой механике.
«Задача была довольно тривиальной: нужно было описать гравитационные состояния на поверхности Земли. Но у Земли гравитация не очень большая, и никаких интересных эффектов здесь не возникает – гравитационные состояния тут практически невозможно наблюдать. Поэтому Юрий Владимирович Рождественский, который вел у нас курс, предложил посчитать то же самое для нейтронной звезды с сильной гравитацией. Когда мы поняли, что наткнулись на что-то интересное, занялись разработкой модели. В итоге оказалось, что она хорошо описывает экспериментальные данные», ‒ рассказывает Татьяна Вовк, сотрудник лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур».
Авторы отмечают, что несмотря на оригинальность работы, она объединяет простые и общеизвестные физические принципы. В частности, механизм усиления радиоизлучения на нейтронных звездах такой же, как и в обычных лазерах. В дальнейшем ученые планируют использовать разработанную модель для изучения гравитационных состояний на других массивных объектах во Вселенной.
Статья: Maser Emission from Gravitational States on Isolated Neutron Stars. Nikita V. Tepliakov, Tatiana A. Vovk, Ivan D. Rukhlenko, and Yuri V. Rozhdestvensky. The Astrophysical Journal, Apr. 11, 2018.
