Новое исследование показало, что экстремальные плазменные ускорения в «монструозных волнах» (Monster Shocks) — мощнейших ударных волнах во Вселенной — могут быть причиной возникновения быстрых радиовсплесков (FRB).
Учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе впервые провели глобальное моделирование в магнитосферах магнитаров и обнаружили, что именно эти экстремальные события могут генерировать FRB — загадочные миллисекундные радиоимпульсы, приходящие из глубин космоса.
Магнитары — молодые нейтронные звёзды с экстремально сильным магнитным полем, являются одними из кандидатов на объяснение FRB. Их внутреннее состояние ещё не стабилизировалось после бурного формирования, что приводит к запуску мощных волн в окружающую плазму. Эти быстрые магнитозвуковые волны возникают в магнитосферах магнитаров в результате различных процессов, таких как звёздные землетрясения, смещения коры или преобразование мод.
Распространяясь наружу через магнитосферу, амплитуда волны уменьшается, но магнитное поле падает ещё быстрее. Это приводит к увеличению относительной амплитуды волны, пока она не станет сопоставимой с фоновым полем. В результате магнитные волны давления могут превратиться в «монструозные волны» — самые мощные ударные волны во Вселенной, способные генерировать когерентное радиоизлучение, необходимое для FRB.
Главное отличие «монстров» от других астрофизических ударных волн заключается в уникальном механизме их формирования. Плазма перед ударной волной «всасывается» в её фронт. Именно на этой стадии происходит ускорение плазмы до экстремально высоких энергий, которые высвобождаются при столкновении с ударной волной. В сочетании с чрезвычайно сильными магнитными полями магнитаров, «монстры» рассеивают магнитную энергию гораздо эффективнее, чем другие астрофизические ударные волны.
Авторы исследования провели первые 2D глобальные particle-in-cell (PIC-моделирование, позволяет учитывать как крупномасштабную структуру магнитосферы, так и физику ударных волн на кинетическом уровне) симуляции формирования именно таких волн в реалистичной дипольной магнитосфере. Моделирование показало, что «монстры» ускоряют плазму до экстремальных значений фактора Лоренца, линейно зависящих от намагниченности фона и длины волны-предшественника. Также была выявлена трёхмерная структура ударных волн, ограничивающая когерентное ГГц-излучение узкой экваториальной полосой.
Сопоставив результаты моделирования с аналитическими соотношениями, учёные смогли предсказать свойства волн-предшественников в реалистичных условиях магнитара. Например, для магнитара с поверхностным магнитным полем около 1015 Гаусс, генерирующего рентгеновский всплеск со светимостью 1042 эрг/с, механизм «монструозных волн» предсказывает радиоизлучение с пиком около 0,22 ГГц, светимостью около 1038 эрг/с и длительностью около 0,5 мс для отдельных ударных волн. Для галактического магнитара SGR 1935+2154, связанного с FRB 200428, предсказанная частота излучения около 1,4 ГГц соответствует обнаружению STARE2 в диапазоне 1,281–1,468 ГГц.
Механизм «монструозных волн» также объясняет высокую эффективность генерации волн-предшественников, необходимую для объяснения FRB. В отличие от традиционной физики ударных волн, где в сильно намагниченных средах генерация волн-предшественников должна быть крайне неэффективной, в случае «монстров» плазма эффективно ускоряется до входа в ударную волну, что значительно повышает эффективность когерентного излучения.