24.8. МАГНИТОСФЕРЫ ПУЛЬСАРОВ

Наконец, рассмотрим пульсар, образующийся в результате коллапса внутренних областей звезды. Как указывалось в п. 16.5.1, нейтронная звезда вполне может вращаться очень быстро, не разваливаясь. Ее гравитационная энергия связи соответствует примерно 10% энергии покоя, и ничто не запрещает ей иметь энергию вращения того же лорядка. Поскольку масса нейтронной звезды примерно равна ее запас энергии порядка

Как обсуждалось в п. 16.5.1, импульсное излучение наблюдается, только если нейтронная звезда обладает магнитным полем. Чтобы объяснить наблюдаемый темп замедления вращения пульсаров магнитодипольным излучением на частоте вращения пульсара, необходимо магнитное поле на поверхности напряженностью порядка Новорож денн пульсар должен вращаться еще быстрее. Если он вращался с предельной частотой (около 104 Гц), а из темпа замедления вращения пульсара в Крабовидной туманности следует, что когда-то он должен был вращаться примерно с такой частотой, мощность излучения была даже больше, чем сейчас.

Мы сталкиваемся с очень интересной ситуацией. Без сомнения, намагниченная нейтронная звезда должна излучать электромагнитные волны. Однако их частота 30 Гц значительно ниже плазменной частоты в межзвездной среде. Как же эти волны распространяются? Все дело в том, что мы имеем дело с очень сильными волнами, к которым неприменимы обычные представления физики плазмы.

Рассчитать, насколько сильны излучаемые пульсаром волны, просто. У основания волновой зоны магнитное поле волны составляет Экспраполяция назад к моменту образования пульсара дает напряженность Отсюда следует, что мы сталкиваемся с условиями, совершенно отличными от тех, с которыми обычно имеют дело в физике, когда магнитное поле волны слабо возмущает движение частицы. Обычно

рассматривают только влияние электрического поля волны на движение пробной частицы. Теперь, однако, ни при каких обстоятельствах нельзя пренебречь магнитным полем. Напряженность электрического поля в основании волновой зоны равна

Вычислим, сколько нужно времени, чтобы частица разогналась до скорости, близкой к скорости света:

Поэтому

Это ничтожно мало по сравнению с минимальным возможным периодом пульсара Поэтому в окрестности пульсара в принципе не может быть нерелятивистских частиц. Как только скорость частицы оказывается сравнимой со скоростью света, становятся существенными магнитные силы, которые искривляют ее траекторию в направлении распространения волны. В результате частица непрерывно ускоряется. Скорость частицы так близка к скорости света, что она движется более или менее в фазе с волной, т. е. физика явлений в сильной электромагнитной волне весьма нетривиальна. Траектории частиц в поле сильной волны детально рассчитывались многими авторами. Первая важная работа, выполненная сразу после открытия пульсаров, принадлежит Ганну и Острайкеру [5]. Мы не можем вдаваться в подробности динамики частиц. Главное то, что частицы вполне могут ускоряться в этих системах до Ограничение на энергию частиц накладывает реакция излучения, которая в конце концов становится существенной.

Поэтому сейчас проблема происхождения космических лучей сверхвысоких энергий стоит не так остро. Это можно понять, следуя общим рассуждениям Сыроватского. Он получил максимальное значение энергии, которую можно сообщить частице в магнитном поле В, занимающем область размером

С помощью первого уравнения Максвелла оценим, какое электрическое поле может возникать при максимально быстром изменении поля В в области размером

отсюда

Тогда полная энергия, сообщаемая частице, равна

т. е.

Подставляя характерные значения параметров в основании волновой зоны получим, что максимальная энергия протона равна Таким образом, в принципе не возникает трудностей с ускорением частиц в окрестностях пульсаров до сверхвысоких энергий.