Getting grips on a strongly magnetized neutron star geometry

Рентгеновские пульсары — это нейтронные звезды с сильным магнитным полем. Их излучение в рентгеновском диапазоне обусловлено падением газа с поверхности звезды-компаньона (этот процесс называется аккрецией). Вместе нейтронная звезда и «обычная» образуют двойную систему, которую так и называют — рентгеновская двойная (X-ray binary).

Такие двойные системы — одни из самых ярких и заметных объектов на рентгеновском небе. Благодаря новой космической обсерватории IXPE, выведенной в космос в декабре 2021 г., появилась возможность изучать их по-новому — исследовать поляризацию их рентгеновского излучения.

Поляризация содержит важную информацию об ориентации космических источников. Поляризационный угол связан с преобладающим направлением колебаний электрического поля, а это направление определяется осью симметрии системы. Благодаря этому можно понять, как два объекта вращаются друг вокруг друга и вокруг своих осей. Фактически, это позволяет косвенным образом нарисовать «портрет» двойной системы, уже не условный, а приближенный к реальному расположению объектов.

Обсерватория IXPE — первая специализированная миссия для изучения поляризации — является совместным проектом НАСА и Итальянского космического агентства с участием организаций и исследователей из 13 стран, в том числе России.

Рентгеновский пульсар Геркулес X-1 был первым пульсаром, в котором IXPE задетектировал поляризацию. Он находится в нашей Галактике на расстоянии 21 тысяч световых лет от Земли. Это двойная система, которая состоит из пульсара — сильно замагниченной нейтронной звезды с периодом вращения около 1,24 секунды и «обыкновенной» звезды массой примерно 2,2 солнечной массы. Они обращаются вокруг друг друга с периодом 1,7 суток, при этом «обычная» звезда затмевает нейтронную на примерно 5 часов на каждом орбитальном цикле.

Кроме вариаций, связанных с этими затмениями, в рентгеновском излучении пульсара существуют вариации с периодом около 35 дней. Одним из возможных объяснений было то, что вещество в аккреционном диске вокруг нейтронной звезды не просто вращается, а качается (прецессирует), и это связано с прецессией самой нейтронной звезды.

В наблюдениях пульсара, полученных обсерваторией IXPE, обнаружилась ещё одна неожиданная вещь.

Измерив изменение угла поляризации с фазой вращения пульсара, исследователям удалось определить угол между осью вращения нейтронной звезды и осью ее магнитного диполя. Используя эти, а также более старые данные об измерении поляризации в оптическом диапазоне (полученные с помощью Северного оптического телескопа, Nordic Optical Telescope), было показано, что ось вращения нейтронной звезды не совпадает с осью орбиты двойной системы. Это означает, что нейтронная звезда может прецессировать — то есть ось её вращения как бы «качается», что можно наблюдать на не очень ровно раскрученном или уже останавливающемся волчке.

Идея о том, что ось нейтронной звезды может прецессировать, известна довольно давно, и предполагалось, что именно этим можно объяснить квазирегулярные (примерно 35 дней) вариации потока излучения и формы импульсов от пульсара Геркулес X-1. Прецессия оси имеет значение и для понимания внутреннего «устройства» пульсара. Но до настоящего времени эта гипотеза подтверждалась лишь косвенно. Окончательно же убедиться в том, что в Геркулесе X-1 «работает» именно прецессия, можно будет позже, когда IXPE пронаблюдает эту систему на другой фазе цикла прецессии.

Некоторые результаты IXPE будут представлены на Всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра — 2022», которая состоится в ИКИ РАН в конце декабря.