Нейтронна зоря — це надщільний залишок масивної зорі після вибуху наднової. Вона обертається з величезною швидкістю і генерує потужне магнітне поле, яке розганяє заряджені частинки у простір. Цей потік частинок називають пульсарним вітром. Коли він стикається з рештками наднової чи міжзоряним середовищем, утворюється туманність пульсарного вітру — PWN (pulsar wind nebula).
Такі туманності — не просто красиві структури на знімках. Це природні лабораторії, де можна вивчати процеси, недоступні для відтворення на Землі. Група дослідників на чолі з Джозефом Гелфандом описала, як майбутній радіотелескоп SKA (Square Kilometre Array) здатний змінити розуміння цих об'єктів.
Народження пар електрон-позитрон у магнітосфері
Головне питання, яке хвилює астрофізиків, — як саме в магнітосфері нейтронної зорі народжуються пари електрон-позитрон. Це базовий процес, що живить весь пульсарний вітер, але деталі його перебігу залишаються нез'ясованими.
Дослідники наголошують: щоб розібратися в цьому механізмі, потрібні просторово роздільні мапи неперервного та поляризованого радіовипромінювання туманностей. Тобто не просто загальна яскравість об'єкта, а детальна картина того, як випромінювання розподілене всередині нього і як воно поляризоване в різних ділянках.
Поляризація тут ключова, оскільки вона несе інформацію про структуру магнітного поля. А саме магнітне поле визначає, як частинки рухаються і прискорюються в туманності.
Прискорення частинок до енергій за межею земних лабораторій
Частинки в пульсарному вітрі розганяються до енергій понад 10^15 електронвольт. Для порівняння: це приблизно у сто тисяч разів більше за енергії, які досягаються на Великому адронному колайдері — найпотужнішому прискорювачі частинок, побудованому людством.
Автори роботи припускають, що прискорюватися можуть не лише електрони й позитрони, а й баріони — важкі частинки, до яких належать, наприклад, протони. Якщо це підтвердиться, туманності пульсарних вітрів можуть виявитися одним із джерел найенергійніших космічних променів, що народжуються в межах Чумацького Шляху.
Втім, самого факту прискорення недостатньо — важливо простежити, куди і як ці частинки рухаються далі. Спостереження мають показати шлях частинок усередині туманності, а також те, як вони згодом виходять у навколишнє міжзоряне середовище.
Чутливість SKA як інструмент нового рівня
Саме тут очікування покладаються на SKA — Square Kilometre Array, майбутній радіотелескоп, який об'єднає тисячі антен у єдину спостережну мережу.
За словами авторів, SKA суттєво перевершить наявні інструменти за трьома ключовими параметрами: чутливістю, динамічним діапазоном і точністю часових вимірювань. Це поєднання дозволить отримувати чіткіші та детальніші мапи туманностей, ніж будь-коли раніше.
Значні покращення чутливості, динамічного діапазону та можливостей часових вимірювань, які пропонує Square Kilometre Array, здатні суттєво поглибити наше розуміння походження деяких із найенергійніших частинок, що виробляються в Чумацькому Шляху.Joseph D. Gelfand та співавтори
Робота є частиною серії наукових обґрунтувань для проєкту SKA — публікації Advancing Astrophysics with the SKA II, підготовленої напередодні побудови телескопа. Її мета — сформулювати конкретні наукові завдання, які нові спостереження зможуть вирішити.
Для туманностей пульсарних вітрів це означає перехід від приблизних оцінок до детальних мап магнітних полів і руху частинок. А це, своєю чергою, наближає відповідь на питання, звідки в Галактиці беруться частинки з енергіями, які земні прискорювачі відтворити не можуть.
