ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2023, том 49, № 12, с. 839-848

РЕВЕРБЕРАЦИИ ПУЛЬСАРНОЙ ТУМАННОСТИ

В СОЗВЕЗДИИ ПАРУСОВ

¹Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия

²Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 18.09.2023 г.

После доработки 29.10.2023 г.; принята к публикации 21.11.2023 г.

Трансзвуковое (с числом Маха M_s ≳ 1) движение пульсарной туманности относительно внешней

среды может способствовать формированию внутри нее компактной двухторовой рентгеновской

структуры. Этот двойной рентгеновский тор может реверберировать как целое под действием напор-

ного давления натекающей среды. Если среда натекает на туманность параллельно оси вращения

питающего ее пульсара, то реакция торов на этот напор однородна по азимуту. При натекании под

углом к этой оси подветренные половинки торов откликаются на действиевнешнего потока с некоторой

задержкой относительно наветренных. Задержка может приводить к любопытному “повиливанию”

среднего сегмента подветренного джета компактной двухторовой туманности. На основе релятивист-

ской магнитогидродинамической модели такой туманности мы исследуем динамику ее плазменных

течений, ответственных за это повиливание. Модель, в частности, позволяет естественным образом

связать повиливание яркого сегмента подветренного (юго-восточного) джета туманности в созвездии

Парусов (Vela) с реверберацией ее двойного тора.

Ключевые слова: пульсарные туманности, остатки сверхновых, рентгеновские источники.

DOI: 10.31857/S0320010823120069, EDN: RXSCPQ

1. ВВЕДЕНИЕ

PSR B0833-45 с собственными именами — Краб

и Вела (Crab, Vela). Этими же именами часто

Компактные области яркого синхротронного

называют и сами туманности этих пульсаров,

свечения вокруг быстро вращающихся нейтронных

что будет принято и в настоящей работе. Долго-

звезд-пульсаров называют пульсарными туманно-

временные наблюдения Краба и Велы в мягком

стями (ПТ). Они являют собой пузырь, который

рентгеновском диапазоне 0.5-8 кэВ приборами

пульсар своим ветром выдувает в окружающей

орбитального телескопа Chandra позволили разре-

плотной среде

— остатке сверхновой звезды,

шить морфологию и динамику их синхротронного

породившей пульсар, или межзвездной. Пузырь

излучения на масштабах, составляющих сотые и

заполняет сильно разреженная, бесстолкновитель-

даже тысячные доли от их размеров (см., например,

ная, сильно замагниченная электрон-позитронная

Вайсскопф и др., 2000; Гельфанд и др., 2001). Это

плазма (e^±), поставляемая ветром пульсара; она

открыло возможности для поиска связи между

излучает в диапазоне от радиоволн до гамма-лучей.

морфологиями этих ПТ и свойствами породив-

Свойства такой плазмы мало изучены, что делает

ших их пульсаров, пульсарного ветра, плазмы

ПТ уникальными естественными лабораториями

самих ПТ, и окружающей их среды. Обычно эти

по ее исследованию. Некоторые из ПТ весьма

свойства не поддаются прямому измерению; они

динамичны и расположены близко к Земле, позво-

либо неизвестны вовсе, либо сильно модельно-

ляя современным телескопам собирать подробную

зависимы (т.е. судить о них можно лишь по

информацию об их строении, спектрах и эволюции.

косвенным признакам). Численное моделирование

Наиболее интересны в этом смысле Крабовидная

структуры ПТ с помощью релятивистских магни-

туманность и туманность в созвездии Парусов,

тогидродинамических (рМГД) кодов, дополненных

сформированные пульсарами PSR B0531+21 и

моделью синхротронного излучения e^± плазмы,

^*Электронный адрес: a.e.petrov@mail.ioffe.ru

позволяет получить информацию о вышеназванных

839

840

ПЕТРОВ и др.

свойствах через сопоставление модельных карт

Наши исследования показали, что компактную

синхротронного излучения с реальными.

двухторовую ПТ может надуть пульсар с боль-

шим наклонением магнитной оси к оси враще-

ния, и низкой начальной замагниченностью¹

Рентгеновское излучение несет в себе инфор-

ветра (α ≳ 70^◦ и σ₀ ∼ 0.01-0.1 соответственно).

мацию об устройстве внутренней, наиболее дина-

Чтобы обеспечить стационарность двойного тора,

мичной и замагниченной области ПТ. Эту область

пульсару нужна помощь внешнего потока. Поток

называют компактной туманностью. В работе мы

помогает в поддержании двух ключевых условий

ограничимся компактными ПТ с джет-торовой

существования двойного тора — (1) регулярности

морфологией. Их надувают пульсары с до- или

геометрии ударной волны (УВ) торможения ветра

околозвуковой скоростью движения относительно

и (2) пересжатости широкого слабозамагниченного

среды. Джет-торовые ПТ бывают одноторовыми

экваториального истечения почти на всем его про-

и двухторовыми; прототипом одноторовых явля-

тяжении. Эти условия поток обеспечивает путем

ется Краб, а двухторовых — Вела. К счастью, обе

регуляризации магнитных истечений ПТ. Он меня-

ПТ видны с Земли в схожей проекции на плоскость

ет их структуру и динамику (действуя как внешняя

неба, что исключает влияние эффекта проекции

вынуждающая сила) и мешает им аккумулиро-

на различие их рентгеновских морфологий. Бо-

вать турбулентность, вытягивая с их периферийных

лее 20 лет с момента запуска Chandra рМГД-

участков крупные замагниченные вихри² .

модели Краба активно развивались. К настоящему

времени усилиями нескольких мировых научных

Компактная ПТ Вела

— яркая двухторо-

групп разработана весьма реалистичная модель

вая рентгеновская туманность размером ∼42′′.

Пульсар надул ее после того, как его прежнюю,

этой одноторовой рентгеновской ПТ (Комиссаров,

реликтовую ПТ сбила асимметричная обратная

Любарский, 2004; Дель Занна и др., 2004; Камю и

УВ остатка сверхновой. УВ перекатила через

др., 2009; Порт и др., 2014). Некоторые сложно-

пульсар ∼2000 лет назад (Шевалье, Рейнольдс,

сти, с которыми эта модель столкнулась, а также

2011; Маттана и др., 2011). С тех пор новая

ее неспособность объяснить природу двухторовых

Вела взаимодействует с быстрым северным по-

ПТ, послужили основой нашего интереса к Веле и

током вещества (остатка), увлеченного этой УВ.

сподвигли нас на построение ее численной рМГД-

В системе покоя пульсара натекающий поток

модели.

выглядит встречным и трансзвуковым (с числом

Маха M_s ∼ 1.3; Шевалье, Рейнольдс, 2011). Учет

Наше моделирование показало важность учета

взаимодействия Велы с внешним потоком помогает

движения компактной ПТ относительно внешней

рМГД-моделям этой ПТ не только подавить избы-

среды даже для пульсаров с дозвуковой собствен-

точную магнитную турбулентность и поддержать

ной скоростью. Прежние рМГД-модели Краба

высокую регулярность магнитного поля, но и

этим движением пренебрегали (по-видимому, из-за

воспроизвести двойной тор и прочие необычные

огромной ресурсоемкости вычислений) и считали

особенности рентгеновской морфологии Велы. В

ПТ покоящейся в центре радиально разлетаю-

их числе — двухчастный наветренный джет и

трёхчастный подветренный джет (Пономарёв и

щегося остатка сверхновой. Учет дополнительных

параметров, описывающих движение среды или

др., 2021) с поперечной полоской в начале яркого

сегмента (Фатеева и др., 2023) и цепочкой узелков

пульсара, избавил рМГД-модели от недостатков

поперек него (Пономарёв и др., 2023).

стационарного подхода. В результате модели стали

уверенно воспроизводить (ранее невоспроизводи-

Помимо влияния на отдельные истечения ком-

мые) рентгеновские особенности Краба: спрайт

пактной ПТ, внешний поток может вынудить ее

(Sprite), внутреннее кольцо (inner ring) и купо-

двойной тор реверберировать как целое. В фи-

лообразную структуру на месте контр-джета (Ле-

зике ПТ реверберациями называют ангармониче-

венфиш и др., 2021). Для Велы этот учет оказался

ские колебания и колыхания туманности как це-

еще важнее (Пономарёв и др., 2020, 2021, 2023;

¹ Замагниченностью релятивистского ветра σ называ-

Фатеева и др., 2023). Наличие внешнего потока в

ют отношение плотностей потока его магнитной и ки-

системе покоя пульсара избавило рМГД-модели от

нетической энергий. В лабораторной системе отсче-

чрезмерной турбулентности истечений ПТ. Силь-

та для ветра с плотностью ρ, давлением p, перено-

сящего магнитное поле B, она определяется как σ =

ная турбулентность несовместима с регулярностью

(

))

=B²/

4πΓ²

ρc²/Γ + 4p

, где Γ — лоренц-фактор те-

двойного тора Велы и высокой упорядоченностью

чения ветра.

ее тороидального магнитного поля (Танг, Шевалье,

2 В двухторовых моделях турбулентностьначинает аккуму-

2011; Шевалье, Рейнольдс, 2011).

лироваться с периферии ПТ (Пономарёв и др., 2020).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

РЕВЕРБЕРАЦИИ ПУЛЬСАРНОЙ ТУМАННОСТИ

841

лого, сопровождающие ее попеременные сжатия-

двойного тора способны переносить свое локаль-

расширения под напором сильного внешнего по-

ное возмущение на значительные расстояния: воз-

тока (см., например, Блондин др., 2001; ван дер

мущение, скажем, периферии ПТ может отклик-

Свалюв и др., 2004; Бандиера и др., 2023). В

нуться в приосевой зоне. Сверх того возмущение

сходящемся потоке могут реверберировать как од-

одного из торов неизбежно возмутит (с некоторой

ноторовые, так и двухторовые ПТ, а в обтекаю-

задержкой) и второй, так как торы коммуницируют

щем — только двухторовые, как будет пояснено

посредством пересжатого экваториального тече-

ниже. В этой статье мы обсудим, как реверберации

ния (выравнивающего свое повышенное давление с

сказываются на динамике течений подветренной

окружающей плазмой посредством слабых косых и

полусферы двухторовой ПТ, и к каким наблюда-

нормальных УВ).

тельным проявлениям они могут приводить в Веле.

В нижнем ряду рис. 1 показана структура те-

чений более реалистичной модели двухторовой ПТ,

обтекаемой трансзвуковым потоком. Такая ПТ по-

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЙ

прежнему имеет широкий, пересжатый и слабоза-

Прежде чем обсудить динамику течений, оста-

магниченный экваториальный пояс. Но внешний

новимся на их структуре. Обсуждаемые результаты

поток разрывает ее пограничные вихри, отводит

основаны на осесимметричной 2.5D рМГД-модели

наветренную циркуляцию дальше от оси, и под-

двухторовой ПТ (Пономарёв и др., 2023); в ее

жимает к оси подветренную. Как следствие, меня-

основе лежит модель пульсарного ветра, широко

ется структура джетов, а в подветренной воронке

применяемая в современном моделировании ПТ

УВ торможения ветра, из взаимодействия джета

(см., например, Порт и др., 2014; Бюлер, Джиоми,

и циркуляции, возникает еще один регулярный

2016). Параметры модели даны в Приложении, а

тороидальный магнитный вихрь — рециркуляция.

структура ее течений показана на рис. 1 на примере

Положение вихрей указано цифрами и стрелками

карт тороидального магнитного поля, давления и

на картах туманности на рис. 1. Поле скоростей

скорости. Карты верхнего ряда отвечают упро-

плазмы, в котором явственно видны вихри и на-

щенной “стационарной” ПТ покоящегося пульса-

правление их вращения, наложено на магнитные

ра (Пономарёв и др., 2019). Эта вспомогательная

карты на рис. 2.

модель позволяет выявить все характерные исте-

чения двухторовой ПТ, и механизмы их разруше-

ния/поддержания. Экваториальные широты такой

3. СТРУКТУРА ПОДВЕТРЕННОГО ДЖЕТА

ПТ занимает широкое медленное слабозамагни-

Начальный участок подветренного джета за-

ченное истечение. Пересжатое и недорасширенное

экранирован от внешнего потока телом компактной

на всем протяжении, оно помогает обособлению

ПТ. Однако поток способен влиять на джет через

двух быстрых разнополярных магнитных истече-

циркуляцию. Поджимая циркуляционный вихрь к

ний, бегущих по обе его стороны. Не имея возмож-

оси ПТ, поток определенной силы может вынудить

ности сойтись и турбулизоваться, они сохраняют

его перекрыть или сильно сузить полярный канал

силу и регулярность вмороженного в них торои-

оттока плазмы. В результате джет может быть

дального магнитного поля до самых границ ком-

заперт в объеме ПТ, занятом циркуляционным

пактной ПТ. Там они резко тормозятся, и каждое

вихрем. Последний работает словно вентиль, ко-

разделяется на два регулярных крупномасштабных

торый приоткрывает полярный канал лишь тогда,

тороидальных магнитных вихря — пограничный

когда внешняя сила позволяет вихрю отступить

c экваториальным потоком и циркуляционный на

от оси ПТ (раздел 4). Как следствие, в джете

средних широтах.

выделяются два различных участка — внутренний

Отметим ключевое различие двухторовых и од-

(запруженный), и внешний, скудно питаемый ред-

ноторовых ПТ. Двойной тор образован регуляр-

кими прорывами полярного истечения через запру-

ными вихревыми течениями с масштабом порядка

ду. Аккумуляция плазмы на запруженном участке

размера самой ПТ. Видимость же одиночного тора

делает его головную часть широкой в сечении и

создается набором случайных мелкомасштабных

сильно замагниченной, а значит, яркой и замет-

магнитных неоднородностей в турбулентном эква-

ной в рентгене. Циркуляция не только запирает

ториальном течении (см., например, Камю и др.,

джет, но и увлекает часть поставляемой им плаз-

2009). Из-за различия их природы реакция одно-

мы обратно в воронку УВ торможения ветра (см.

торовых и двухторовых ПТ на внешнее возмуще-

поле скоростей на рис. 2). Там из нее формиру-

ние принципиально различна. Локальное внешнее

ется контр-вихрь — рециркуляция. Разрастаясь,

возмущение одиночного тора быстро размывается

этот динамичный контр-вихрь может пережимать

турбулентным потоком и не передается в иные

начало запруженного участка джета, отделяя его

части ПТ. Регулярные квазиламинарные течения

тонкую начальную часть от утолщенной головной

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

842

ПЕТРОВ и др.

1.0

0.5

1.00

0.5

7.5

0.5

0.75

0.5

0.50

7.5

0.25

1.0

0.5

1.0

0.5

1.0

0.5

1.0

0.5

1.00

7.5

0.75

1.0

0.50

1.0

7.5

0.25

1.0

0.5

1.0

0.5

1.0

0.5

1.0

Рис. 1. Структура плазменных истечений в модельной двухторовой туманности: стационарной (верхний ряд; Пономарёв

и др., 2019) и обтекаемой трансзвуковым потоком с числом Маха 2.3 (нижний ряд; Пономарёв и др., 2023). В колонках

с первой по третью приведены карты азимутального магнитного поля (в мкГс), скорости (в единицах c) и логарифма

давления (в дин см-2). Карты соответствуют моменту времени t = 10 лет с начала надувания ПТ. Параметры моделей:

наклонение пульсара α = 80^◦, начальная замагниченность ветра σ0 = 0.03 для стационарной модели и σ0 = 0.1 — для

трансзвуковой. Трансзвуковая модель надувалась на сетке с адаптивным измельчением (AMR) третьего уровня с начала

симуляции(см. Приложение).Стационарнаямодельразвивалась на грубойсеткедо выходана самоподобноерасширение

(∼8 лет), после чего — на сетке с AMR четвертого уровня (см. Пономарёв и др., 2019). Цветовые шкалы подобраны

так, чтобы подчеркнуть структуры течений туманности; их крайние значения не отражают максимальных значений

представляемых величин. Черные контуры на картах магнитного поля очерчивают зону холодного пульсарного ветра и

отмечают приблизительное положение ударной волны его торможения. Черные стрелки на нижней карте указывают на

центры двух из трех регулярных, крупномасштабных, сильно замагниченных вихревых тороидальных течений в нижней

полусфере модельных туманностей: циркуляции на средних широтах (1), пограничного вихря (2) и рециркуляции (3) в

воронке ударной волны. Этим центрам отвечают зоны пониженного давления на картах третьего столбца. Ориентация

стрелок совпадает с ориентацией луча зрения земного наблюдателя относительно полярной оси туманности Вела.

Направление вращения в вихревых течениях намечено на рис. 2, где на магнитные карты наложены тонкие стрелочки,

показывающие поле скоростей магнитных истечений туманности.

(см. магнитную карту в нижнем ряду рис. 1). В

рывается на расстоянии ∼10′′.5 от пульсара, сопо-

тонкой части джета полярное истечение вынуждено

ставимом с толщиной ЮВ тора Велы (∼10^′′-12^′′).

ускоряться. Прорвавшись через контр-вихрь, оно

резко тормозится при налете на плотную головную

часть, из-за чего в месте прорыва возникает ква-

4. ДИНАМИКА ПОДВЕТРЕННОЙ

ПОЛУСФЕРЫ

зистационарная УВ³ . В итоге подветренный джет

модельной ПТ состоит из трех частей — едва раз-

Описанная выше картина не является статич-

личимого тонкого начала, яркой и толстой средней

ной. Из-за накопления в подветренной воронке

части, и тусклого диффузного продолжения вне

УВ торможения ветра избытка плазмы, стянутой

циркуляционным вихрем с головной части запру-

тела компактной туманности. Заметим, что именно

женного участка джета, давление там растет. Это

такую трехчастную структуру имеет подветренный

нарастание давления служит возвращающей си-

(ЮВ) джет Велы (Пономарёв и др., 2021). Его

лой, способной поддерживать квазипериодические

яркий средний участок действительно внезапно об-

осцилляции (суть реверберацию) двойного тора.

С ростом давления в воронке искажается рав-

³ Она, по-видимому, отвечает за поперечную полоску в на-

чале яркого сегмента подветренного джета Велы (Фатеева

новесный профиль УВ. Ее касп — ближняя к пуль-

и др., 2023).

сару точка — смещается в сторону пульсара, и свод

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

РЕВЕРБЕРАЦИИ ПУЛЬСАРНОЙ ТУМАННОСТИ

843

Pseudocolor

7.5

Vector

0.25

0.50

0.75

1.00

Var: B

0.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.6

0.2

0.6

0.2

0.6

0.2

0.6

0.2

0.6

Pseudocolor

Var: lgp

12.7

12.0

11.2

10.4

9.7

Рис. 2. Динамика плазменных истечений в подветренной полусфере модельной двухторовой ПТ. Колонки с первой

по четвертую отвечают различным моментам времени и покрывают один цикл квазипериодических осцилляций этой

полусферы. Приведены карты азимутального магнитного поля B в мкГс (вверху, левая верхняя цветовая шкала)

и десятичного логарифма давления lg p (внизу, в дин·см-2; нижняя цветовая шкала) истечений в окрестности

подветренного джета. На магнитную карту стрелками наложено поле скоростей плазмы в единицах c (правая верхняя

цветовая шкала). Цветовые шкалы поля и давления подобраны так, чтобы подчеркнуть структуру течений, поэтому их

пределы не отражают максимальных и минимальных значений B и p.

волны в районе оси укручается (см. рис. 2, первый

Вместе с фронтом УВ квазипериодическим ва-

столбец). Чтобы восстановить равновесное поло-

риациям подвержены все структуры компактной

жение, волне необходимо стравить повышенное

ПТ, а значит, и ее рентгеновская морфология. Ква-

давление в области своей воронки. Для этого УВ

зипериод осцилляций двойного тора определяется

запускает наружу волну уплощения своего арочно-

временем оборота подветренного циркуляционного

го свода. При уплощенном своде циркуляционное

вихря и может составлять от нескольких месяцев

до нескольких лет, в зависимости от параметров

течение может глубже заныривать в воронку и эф-

фективнее вычерпывать из нее избыточную плазму

модели⁴ . На основной квазипериод накладывается

с высоким давлением, увлекая эту плазму с собой.

более короткая квазипериодичность, обусловлен-

Когда волна уплощения добегает до края ком-

ная динамикой контр-вихря рециркуляции. Хоро-

пактной ПТ, она слегка раздвигает внешний поток.

шей иллюстрацией квазипериодических изменений

структуры подветренной полусферы служат по-

Туманность чуть расширяется, предоставляя своей

чти гармонические высокоамплитудные осцилля-

циркуляции немного больший пространственный

ции подветренного каспа УВ (Левенфиш и др.,

объем (второй столбец). Тогда циркуляция отходит

2021). Наветренный касп таких осцилляций не

от оси, открывает полярный канал, и он отводит на-

выказывает, ибо наветренная циркуляция кружит

ружу компактной ПТ оставшийся в воронке избы-

далеко от оси, и наветренный полярный канал все-

ток магнитной плазмы (третий столбец). Давление

гда открыт, так что плазма в наветренной воронке

в воронке падает, УВ восстанавливает равновес-

не копится (ср. стабильность наветренного свода

ный профиль, и внешний поток возвращает границу

с изменчивостью подветренного на рис. 2). По-

компактной ПТ на прежнее положение, при кото-

ром циркуляция вновь запирает джет (четвертый

4 В первую очередь от плотности среды и мощности ветра,

столбец). Цикл начинается заново.

определяющих размер туманности.

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

844

ПЕТРОВ и др.

этому наветренный касп обтекаемой двухторовой

под тупым углом к СЗ концу оси вращения. Это

ПТ испытывает лишь слабые случайные смещения

косое падение внешнего потока имеет интересные

вдоль оси ПТ, вероятно, в ответ на случайные

наблюдательные последствия для динамики тече-

же вариации окружного напряжения сильного то-

ний подветренной полусферы Велы.

роидального магнитного поля в основании джета.

При косом падении потока подветренные по-

Такие же случайные смещения испытывают и оба

ловинки торов реагируют на возмущения потока с

каспа обтекаемой одноторовой ПТ.

некоторой задержкой относительно наветренных.

Как следствие, линии тока подветренной циркуля-

ции сходятся к оси ПТ асинхронно и асимметрично,

5. РЕВЕРБЕРАЦИЯ ТОРОВ

а точка их схождения оказывается немного не на

Широкое пересжатое экваториальное истече-

оси. Напомним, именно эта точка схождения опре-

ние — неотъемлемая часть двухторовой структуры.

деляет положение головной части яркого среднего

Во-первых, оно отвечает за область пониженной

участка подветренного джета. Из-за реверберации

рентгеновской яркости между торами (рис. 3). Во-

торов положение этой точки неизбежно будет ос-

вторых, оно разделяет разнополярные магнитные

циллировать. Начало же среднего участка можно

потоки от края до края ПТ. Без этого разделения

считать почти фиксированным: оно определяет-

потоки перемешались бы и не породили бы два

ся точкой схождения линий тока рециркуляции.

крупных самостоятельных магнитных вихря, лежа-

Она расположена в самых внутренних областях

щих в основе рентгеновских торов из разных по-

ПТ, реагирующих на внешние возмущения намно-

лусфер ПТ. В-третьих, экваториальное истечение

го слабее наружных. В результате яркий средний

не только разделяет торы, но и связывает их; оно

участок джета, начало которого зафиксировано, а

обеспечивает их согласованный отклик на внешнее

конец — квазипериодически смещается, должен

возмущение и позволяет компактной двухторовой

повиливать, как купированный (укороченный) со-

ПТ реагировать на возмущение как единое целое.

бачий хвостик. Интересно, что яркий участок под-

Через посредство экваториального истечения ква-

ветренного джета Велы ведет себя именно таким

зипериодические осцилляции подветренной полу-

образом (рис. 4).

сферы в натекающем потоке передаются с некото-

рой задержкой истечениям наветренной (и наобо-

рот). В результате торы реверберируют когерентно,

7. ПРЕЦЕССИЯ ДВОЙНОГО ТОРА?

и двухторовая ПТ откликается на поток как упру-

гое тело.

Свойства модельных двухторовых ПТ — высо-

Именно этот эффект, по всей видимости, и

кая упорядоченность магнитного поля на масшта-

наблюдается в Веле. На рис. 3 представлены два

бах всей ПТ, пересжатость экваториального пояса

рентгеновских изображения Велы, разделенных

от края до края ПТ, регулярность и крупномас-

интервалом в 7 мес. На них видно, что арки Велы

штабность циркуляционных истечений на средних

испытывают пространственное смещение, причем

широтах — предполагают, что двухторовые рентге-

когерентное. В крыльях арок (с полным размахом в

новские ПТ могут быть менее сжимаемыми и более

∼42^′′) амплитуда этого смещения достигает 2^′′-4^′′

связными объектами, чем одноторовые (при одина-

(Каргальцев и др., 2002).

ковой мощности ветра и свойствах внешней среды).

Весьма вероятно, что двухторовая структура может

не только реверберировать, но и прецессировать

6. НАКЛОННЫЙ ПОТОК И

в косом внешнем потоке. Чтобы подтвердить или

ПОВИЛИВАНИЕ ЯРКОГО СРЕДНЕГО

опровергнуть это предположение, нужны трехмер-

СЕГМЕНТА ПОДВЕТРЕННОГО ДЖЕТА

ные расчеты.

Модельная ПТ Пономарёва и др. (2023), на

Между тем в поведении Велы уже просматрива-

которой основана настоящая работа, осесиммет-

ются признаки, указывающие на возможную пре-

рична. В такой геометрии невозможно учесть, что

цессию. Смещения рентгеновских деталей туман-

в реальных ПТ есть, как правило, четыре несов-

ности на картах одиннадцати отдельных наблюде-

падающих направления — собственных движений

ний Chandra 2000-2010 гг. создают впечатление,

пульсара и среды, и двух осей — вращения у

что ее двухторовая структура не просто колеблется

пульсара и полярной у ПТ. В Веле (в проекции

взад-вперед вдоль своей оси, но и слегка меняет

на небесную/картинную плоскость) внешний поток

угол наклона этой оси к лучу зрения наблюдателя.

натекает с севера; его скорость составляет угол в

Независимые группы исследователей: Гельфанд и

∼130^◦ с северо-западным концом оси ПТ и угол

др. (2001) и Энг и Романи (2004), анализируя

в ∼120^◦ с собственной скоростью пульсара Вела

двойной тор Велы, по-разному оценили наклон его

(Додсон и др., 2003). В своей системе покоя пуль-

оси к лучу зрения наблюдателя: 126.8^◦ и 116.4^◦

сар видит этот поток как идущий с северо-востока

соответственно. Возможно, это различие связано

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

2023

№ 12

РЕВЕРБЕРАЦИИ ПУЛЬСАРНОЙ ТУМАННОСТИ

845

view

= 116.4

128

2000/04/30

view

= 126.8

1987

2000/11/30

Рис. 3. Динамика (реверберация + прецессия) двойного тора Велы в трансзвуковом внешнем потоке. Слева: рисунок,

аналогичный рис. 1 из работы Павлова и др. (2001). Представлены два рентгеновских изображения Велы, полученные с

интервалом в 7 мес (наблюдения телескопа Chandra; даты и идентификаторынаблюдений— на рисунке). Белые эллипсы

очерчивают положение крыльев арок, белые кружки — рентгеновских узелков Велы на 30.04.2000; зеленые контуры —

положение их же на 30.11.2000. Амплитуда смещений арок за 7 мес — ≈2^′′, за исключением левого (восточного) крыла

нижней (юго-восточной) арки, у которого она достигает 4^′′. Справа: карты синтетического синхротронного излучения

рМГД-модели Велы, иллюстрирующиеизменение рентгеновской морфологии модельной ПТ при изменении ее проекции

на плоскость неба наблюдателя. В данном примере позиционный угол между проекцией оси ПТ и направлением на

север был зафиксирован, а угол θview между этой осью и лучом зрения наблюдателя варьировался. На верхней панели

θview = 116.4^◦ (по оценке Энга, Романи, 2004), а на нижней — θview = 126.8^◦ (по оценке Гельфанда и др., 2001). Белые и

зеленые эллипсы, аналогично таковым на левой панели, иллюстрируют смещение крыльев арок. На всех панелях север

находится в верхней части рисунка.

не с погрешностями оценок, а с реальным по-

ей, внешний участок подветренного джета двух-

качиванием оси симметрии двойного тора вокруг

торовых ПТ находится уже вне тела компактной

равновесного положения, задаваемого осью вра-

туманности; он состоит из череды несвязанных

щения пульсара. Предположив, что ось вращения

клочков замагниченной плазмы (образовавшихся

составляет угол в 120^◦ с лучом зрения, а выше-

при редких прорывах джета через подветренную

означенные оценки близки к крайним положениям

циркуляцию), которые пассивно сносятся внешним

оси симметрии при прецессии, мы построили ряд

потоком, постепенно сливаясь с ним (Пономарёв и

синхротронных изображений модельной туманно-

др., 2021).

сти Велы, варьируя угол зрения и позиционный

Для выяснения того, чем именно вызвано из-

угол с амплитудой в 5^◦ — и получили вариации

менение положения рентгеновских структур (при-

положения торов, похожие на наблюдаемые (см.

чем, не только торов) на каждом из одиннадцати

иллюстрацию на рис. 3).

изображений туманности Вела — реверберацией,

Дюран и др. (2013), анализируя динамику навет-

прецессией или же их комбинацией — нужны

ренного джета Велы, пришли к выводу, что джет

трехмерные расчеты. До проведения таких расче-

описывает спираль с углом раствора около 10^◦, и

тов авторы не считают себя вправе делать какие-

что это может быть следствием прецессии. Наши

либо заключения. Согласно нашему пониманию,

результаты согласуются с этим выводом, с той

смещения отдельных структур Велы от наблю-

лишь разницей, что джет прецессирует вместе с

дения к наблюдению, скорее всего, обусловлены

компактной ПТ (частью которой он является), а

комбинацией прецессии и реверберации. Какой из

не из-за прецессии нейтронной звезды. Отсутствие

эффектов — прецессия или реверберация — дает

схожей динамики у подветренного джета Велы

наибольший вклад в различие положений торов

также легко объяснимо в нашей модели. Согласно

на двух отдельных наблюдениях Велы, очевидно,

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

846

ПЕТРОВ и др.

10132

10133

10134

2009/07/09

2009/07/17

2009/07/25

10135

10136

10137

2010/06/28

2010/07/08

2010/07/17

10138

10139

12073

2010/07/26

2010/08/04

2010/08/15

12074

12075

Merged

2010/08/24

2010/09/04

Рис. 4. Динамика среднего сегмента подветренного джета Велы. (Наблюдения телескопа Chandra; даты и номера

наблюдений в архиве телескопа — на изображениях). Цветовая шкала подобрана так, чтобы подчеркнуть динамику

деталей подветренного джета, изображение в правом нижнем углу — слито по данным этих наблюдений (показан общий

вид ПТ Вела, черный квадрат — положение области, показанной на остальных панелях). Черный крест — положение

пульсара Вела, красная штриховая линия приведена как ориентир.

зависит от разницы во времени между этими на-

ПТ как таковых в режиме реального времени мало-

блюдениями. Если разница составляет несколько

вероятны⁵ . Однако наше исследование показало,

дней или одну-две недели, смещения, скорее все-

что это не так.

го, обусловлены реверберацией. Если же разни-

На основе численного рМГД моделирования

ца составляет полгода, и при этом двухторовая

структура выказывает явственное изменение про-

структуры и динамики истечений пульсарных ту-

екции своей оси на небесную плоскость (как на

манностей мы выяснили следующее. (1) ПТ могут

двух наблюдениях на рис. 3), то основной вклад в

реверберировать как целое не только под действи-

смещение вносит, скорее всего, прецессия.

ем сходящейся ударной волны, но и при обыч-

ном движении относительно внешней среды. (2)

При движении реверберируют только ПТ с джет-

торовой рентгеновской морфологией, причем толь-

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ко те из них, у которых имеется двойной рентге-

Как сама пульсарная туманность, так и окружа-

новский тор. Мы также отметили, что (3) двухто-

ющий ее остаток сверхновой проходят несколько

ровые рентгеновские туманности могут не только

этапов эволюции. На одном из них сходящаяся

реверберировать, но и прецессировать при движе-

внутрь остатка обратная ударная волна сверхновой

нии относительно внешней среды, и что это об-

сталкивается с пульсарной туманностью, вынуж-

стоятельство нужно учитывать при интерпретации

дая последнюю реверберировать как целое. По-

наблюдений двухторовых объектов.

добное столкновение моделировалось в целом ряде

Мы обратили внимание читателей, что на се-

работ (см., например, Блондин и др., 2001; Торрес и

годняшний день уже известна одна двухторовая

др., 2019; Бандиера и др., 2023, и приведенные там

ссылки). Поскольку этот этап эволюции ПТ может

⁵ Мы оставляем в стороне обсуждение изменений в эффек-

длиться от нескольких сотен до нескольких тысяч

тивности излучения и спектрах ПТ в фазе реверберации,

лет (напр., ван дер Свалюв и др. 2004), ранее неяв-

которые, в принципе, могут быть наблюдаемы (см., напри-

но предполагалось, что наблюдения ревербераций

мер, Торрес и др., 2019).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023

РЕВЕРБЕРАЦИИ ПУЛЬСАРНОЙ ТУМАННОСТИ

847

ПТ — Вела, в которой эффекты прецессии и ре-

синхротронного излучения подробно изложены в

верберации, по всей видимости, уже наблюдаются

статье Пономарёва и др. (2023) и аналогичны

в режиме реального времени. Мы проиллюстри-

таковым в моделях других авторов (см., например,

ровали эффект прецессии на примере модельной

Порт и др., 2014; Бюлер, Джиоми, 2016).

туманности и показали, что наша модель спо-

Авторы благодарят анонимного рецензента за

собна качественно объяснить изменение проекции

внимательное прочтение работы и ряд полезных

оси симметрии двойного тора Велы, наблюдаемое

замечаний, а также разработчиков кода PLUTO

рентгеновским телескопом Chandra на временах

(Миньоне и др., 2007). Численное рМГД модели-

порядка 7 мес (рис. 3). Мы также пояснили, ка-

рование ПТ выполнено А.Е. Петровым при под-

кие морфологические и динамические особенности

держке гранта РНФ № 21-72-20020. Анализ на-

Велы, по всей видимости, связаны с ее ревербе-

блюдательных данных ПТ Вела выполнен К.П. Ле-

рацией и прецессией. Среди этих особенностей —

венфиш и Г.А. Пономарёвым в рамках базового

квазипериодические когерентные смещения кры-

проекта № 0040-2019-0025 ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

льев двух ярких рентгеновских арок (выявленные в

Численное моделирование частично выполнено на

работах Павлова и др., 2001, и Каргальцева и др.,

подсистеме “Торнадо” суперкомпьютерного центра

2002), квазипериодическое “повиливание” яркого

СПбПУ Петра Великого, частично — с использо-

среднего сегмента юго-восточного джета (рис. 4),

ванием ресурсов МСЦ РАН.

а также квазипериодические прорывы этого джета

за пределы компактной джет-торовой структуры

(проиллюстрированные в работе Пономарёва и др.,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2021). Обсуждаемая в работе Дюрана и др. (2013)

Бандиера и др. (R. Bandiera, N. Bucciantini, B. Olmi,

спиральная структура северо-западного джета Ве-

and D.F. Torres), MNRAS 525, 2839 (2023).

лы также, по-видимому, является следствием пре-

Блондин и др. (J.M. Blondin, R.A. Chevalier, and

цессии ее двойного тора. Для анализа этой прецес-

D.M. Frierson), Astrophys. J. 563, 806 (2001).

сии нужны трехмерные рМГД модели туманностей,

Бюлер, Джиоми (R. B ¨uhler and M. Giomi), MNRAS

которые учитывают тот факт, что внешний поток

462, 2762 (2016).

может натекать на туманность под углом к оси

Вайсскопф и др. (M.C. Weisskopf, J.J. Hester,

симметрии двойного тора (равновесное положение

A.F. Tennant, R.F. Elsner, N.S. Schulz,

этой оси задается направлением оси вращения

H.L. Marshall, M. Karovska, J.S. Nichols, et al.),

пульсара).

Astrophys. J. 536, L81 (2000).

ван дер Свалюв и др. (E. van der Swaluw,

ПРИЛОЖЕНИЕ

T.P. Downes, and R. Keegan), Astron. Astrophys.

420, 937 (2004).

Численные модели двухторовых ПТ построены

Гельфанд и др. (D.J. Helfand, E.V. Gotthelf, and

на базе рМГД модуля кода PLUTO (Миньоне и

J.P. Halpern), Astrophys. J. 556, 380 (2001).

др., 2007). Размерность моделей — 2.5D (осесим-

Дель Занна и др. (L. Del Zanna, E. Amato, and

метричные модели, с независимым моделировани-

N. Bucciantini), Astron. Astrophys. 421,1063(2004).

ем “северной” и “южной” полусфер туманности);

Додсон и др. (R. Dodson, D. Legge, J.E. Reynolds,

сетка — сферическая (r, θ) с логарифмически рас-

and P.M. McCulloch), Astrophys. J. 596,

1137

тущим шагом по r и равномерным по θ. Область

(2003).

Дюран и др. (M. Durant, G.G. Pavlov, O. Kargaltsev,

моделирования: r = (0.0002-R) св. лет. Базовая

J. Kropotina, and K. Levenfish), Astrophys. J. 763, 72

сетка содержит N узлов по r и 32 по θ. Адаптивное

(2013).

измельчение сетки (AМR) уровня L включалось в

10.

Камю и др. (N.F. Camus, S.S. Komissarov,

момент t₁ (в годах). Наклонение пульсара: α = 80^◦.

N. Bucciantini, and P. Hughes), MNRAS

400,

Начальная замагниченность ветра: σ₀ = 0.03 — в

1241 (2009).

модели M1 (рис. 1, вверху), и σ₀ = 0.1 — в моделях

11.

Каргальцев и др. (O. Kargaltsev, G.G. Pavlov,

M2 (рис. 1, внизу) и M3 (рис. 2). Параметры

D. Sanwal, and G.P. Garmire), ASP Conf. Ser. 271

моделей:

(Ed. P.O. Slane, B.M. Gaensler, San Francisco: ASP,

M1 : R = 1.40, N = 88, t₁ = 8, L = 4;

2002), p. 181.

12.

Комиссаров, Любарский (S.S. Komissarov and

M2 : R = 3.13, N = 96, t₁ = 0, L = 3;

Y.E. Lyubarsky), MNRAS 349, 779 (2004).

M3 : R = 3.13, N = 96, t₁ = 6, L = 2.

13.

Левенфиш и др. (K.P. Levenfish, G.A. Ponomaryov,

A.E. Petrov, et al.), J. Phys.: Conf. Ser. 2103, 012020

Плотность внешней среды ρ_a = 10-28 г · см-3.

(2021).

Мощность ветра нормирована на темп потерь

14.

Маттана и др. (F. Mattana, D. G ¨otz, R. Terrier,

Ė=6.9×

вращательной энергии пульсара Вела:

L. Bouchet, G. Ponti, M. Falanga, M. Renaud,

× 10³⁶ эрг с-1. Модель ветра и способ расчета карт

I. Caballero, et al.), Astrophys. J. 743, L18 (2011).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 49

№ 12

2023