Тайна туманности «Маяк»: поляризация рентгеновских лучей раскрыла структуру магнитных полей пульсара

Ученые впервые напрямую измерили магнитное поле туманности пульсара PSR J1101−6101 с помощью космической рентгеновской обсерватории NASA IXPE. Исследователи подтвердили, что самые энергичные частицы действительно покидают систему вдоль линий магнитного поля Галактики, а также обнаружили неожиданную структуру магнитных полей в разных диапазонах излучения. Результаты работы опубликованы в научном журнале The Astrophysical Journal.

Астрономы впервые получили прямые данные о магнитном поле необычной системы, известной как туманность Маяк (Lighthouse Nebula), в центре которой находится быстро вращающийся пульсар PSR J1101−6101. Новые наблюдения, выполненные космической рентгеновской обсерваторией Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), позволили не только проверить давнюю гипотезу о поведении высокоэнергетических частиц, но и выявить неожиданные особенности устройства этой экстремальной космической среды.

Пульсар представляет собой разновидность нейтронной звезды — сверхплотного остатка массивной звезды, завершившей свою эволюцию взрывом сверхновой. Несмотря на размеры всего около двух десятков километров, такие объекты могут содержать массу, превышающую солнечную. Пульсар PSR J1101−6101 вращается с огромной скоростью, совершая примерно 16 оборотов каждую секунду, и обладает чрезвычайно сильным магнитным полем.

Во время вращения пульсар непрерывно выбрасывает потоки заряженных частиц, разгоняя их почти до скорости света. Эти частицы взаимодействуют с окружающей межзвездной средой и формируют сложную структуру из ударных волн, потоков вещества и магнитных полей. Именно эта структура и стала объектом нового исследования.

Особый интерес ученых давно вызывали две узкие рентгеновские структуры, отходящие от пульсара. Более длинная получила название «нить» (filament), а более короткая — «след» (trail). С момента открытия объекта исследователи предполагали, что наиболее энергичные электроны способны покидать область ударной волны и распространяться далеко в межзвездное пространство, двигаясь вдоль линий магнитного поля нашей Галактики. Однако до сих пор эта идея оставалась лишь теоретической моделью.

Чтобы проверить гипотезу, ученые использовали уникальные возможности IXPE, первого космического телескопа, предназначенного для измерения поляризации рентгеновского излучения. Поляризация показывает, в каком направлении колеблется электрическое поле световой волны. Для астрофизиков это чрезвычайно ценный источник информации, поскольку направление поляризации тесно связано с ориентацией магнитных полей в области, где рождается излучение.

Если бы магнитное поле оказалось направлено вдоль длинной нити, это стало бы прямым подтверждением того, что частицы действительно движутся именно по магнитным силовым линиям.

Получить такие данные оказалось крайне непросто. Туманность Маяк относится к довольно слабым рентгеновским источникам, поэтому стандартных методов обработки оказалось недостаточно. Во время наблюдений, которые продолжались почти 18 суток летом 2025 года, специалисты разработали новые алгоритмы анализа, позволяющие максимально эффективно использовать каждый зарегистрированный фотон и сохранить как можно больше информации о его поляризации.

Именно применение этих методов позволило впервые надежно измерить поляризацию рентгеновского излучения не только длинной нити, но и короткого следа, а также самого пульсара.

Результаты оказались весьма убедительными. С вероятностью более 99% исследователи подтвердили, что магнитное поле действительно ориентировано вдоль длинной нити. Это стало первым прямым доказательством того, что самые энергичные частицы покидают область вокруг пульсара и распространяются в межзвездном пространстве именно по линиям магнитного поля Галактики.

Однако наблюдения принесли и неожиданность. Степень поляризации оказалась значительно выше, чем ожидалось согласно существующим моделям. Обычно предполагалось, что внутри подобных нитей магнитное поле должно быть сильно турбулентным, то есть хаотично искривленным. При высокой турбулентности направления излучения различных частиц частично компенсируют друг друга, что уменьшает наблюдаемую поляризацию.

Новые измерения показали противоположную картину. Высокая степень поляризации свидетельствует о том, что магнитное поле внутри нити гораздо более упорядочено, чем предполагали многие современные модели. Это означает, что существующие представления о механизмах формирования подобных структур, вероятно, нуждаются в пересмотре.

Не менее интересным оказалось сравнение данных IXPE с радионаблюдениями, выполненными с помощью австралийских радиотелескопов CSIRO. В рентгеновском диапазоне магнитное поле оказалось направлено вдоль короткого следа пульсара. Однако в радиодиапазоне ученые увидели практически противоположную картину: магнитное поле было ориентировано почти перпендикулярно этой структуре.

Подобное расхождение стало одним из наиболее важных результатов исследования. Оно свидетельствует о том, что частицы разных энергий располагаются внутри системы не одинаково. Высокоэнергетические электроны, испускающие рентгеновское излучение, движутся в иных областях магнитного поля, чем менее энергичные электроны, наблюдаемые в радиодиапазоне.

Это может означать существование сразу нескольких механизмов ускорения частиц, действующих одновременно внутри одной и той же туманности. До сих пор подобные различия лишь предполагались теоретически, однако теперь исследователи получили первое убедительное наблюдательное подтверждение такой сложной внутренней структуры.

Работа также демонстрирует возможности рентгеновской поляриметрии как нового инструмента современной астрофизики. В отличие от обычных рентгеновских телескопов, IXPE способен определять не только интенсивность и энергию рентгеновского излучения, но и его поляризацию. Благодаря этому ученые получают информацию о конфигурации магнитных полей непосредственно в областях рождения высокоэнергетического излучения, что ранее было практически невозможно.

Подобные исследования имеют большое значение для понимания процессов, происходящих в окрестностях нейтронных звезд, черных дыр и других экстремальных объектов Вселенной. Магнитные поля играют ключевую роль в ускорении космических частиц, формировании релятивистских струй и переносе энергии на огромные расстояния. Чем точнее ученые смогут измерять их структуру, тем лучше удастся понять фундаментальные физические процессы, действующие в самых экстремальных условиях космоса.

Исследование стало первым случаем, когда магнитное поле туманности пульсара PSR J1101−6101 было измерено напрямую. Полученные данные подтвердили движение высокоэнергетических частиц вдоль галактических магнитных линий, выявили неожиданно высокую упорядоченность магнитного поля и указали на существование различных механизмов ускорения частиц внутри одной системы. Эти результаты открывают новые возможности для изучения физических процессов в окрестностях нейтронных звезд и помогают лучше понять устройство самых экстремальных объектов нашей Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях