Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Помимо обычных звезд во Вселенной существует многочисленная популяция т.н. компактных источников – нейтронных звезд и черных дыр, определяющую роль в энерговыделении и эволюции которых играют не термодинамические, а электромагнитные процессы. Фактически они работают как динамо-машины, т.е. являются источниками постоянного тока, который и определяют их энергетику. Благодаря же вращению в их окрестности генерируются сильные электрические поля, приводящие к эффективному ускорению частиц. Количественному определению энергетических спектров излучающих частиц и свойств принимаемого на Земле излучения и посвящен настоящий проект. Напомним, что в теории радиопульсаров осталось еще много вопросов, не позволяющих количественно определить параметры истекающей плазмы. Дело в том, что в рамках активно используемого в настоящее время метода частиц в ячейках (PIC) пока не удалось включить в рассмотрение зависимость кривизны магнитных силовых линий от расстояния до магнитной оси, т.е. один из ключевых элементов, лежащих в основе модели полого конуса, справедливость которой подтверждена всей совокупностью наблюдательных данных. Кроме того, в PIC-симуляциях предполагается значительное превышение электрического тока по сравнению с хорошо зарекомендовавшей себя вакуумной моделью, что приводит к существенному изменению условия прекращения генерации вторичной плазмы. Проведенный нами анализ новых наблюдательных данных, полученных на радиотелескопах FAST и MeerKAT, подтвердил предсказание вакуумной модели, согласно которой периоды ортогональных интеримпульсных пульсаров (т.е. пульсаров, у которых возможно наблюдение обоих магнитных полюсов) не должны превышать 0.3 - 0.4 с. Соответственно, был подтвержден и другой следующий из вакуумной модели результат, касающийся наблюдаемого относительного количества ортогональных интеримпульсных пульсаров в диапазоне периодов 0.03 - 0.5 с. И данные обзора FAST, и данные обзора MeerKAT уверенно говорят в пользу значений 3 - 5 %, что находится в согласии с предсказаниями вакуумной модели, согласно которой угол наклона оси магнитного диполя к оси вращения стремиться к 90 градусам. И противоречит общепринятой в настоящее время модели, согласно которой угол наклона должны стремиться к 0 градусам (в этом случае в диапазоне 0.03 - 0.5 с наблюдалось бы не более 1 % таких пульсаров). Кроме того, впервые удалось построить трехмерную модель области ускорения для произвольного угла наклона магнитной оси к оси вращения, что позволило определить плотность и энергетический спектр истекающей плазмы по всей поверхности полярной шапки. Тем самым, стало возможным путем численного интегрирования уравнений, описывающих распространение радиоволн в неоднородной среде,, определить профили радиоизлучения и сравнить их с данными наблюдений. Отметим, что до сих пор при подобном анализе использовались лишь эвристические модели плотности и энергетического спектра. Что же касается релятивистских джетов из активных галактических ядер, то и здесь существует значительный разрыв в достоверности различных граней физической картины, не позволяющий проводить количественные сравнения предсказаний теории с данными наблюдений. С одной стороны, достигнутый прогресс в аналитическом и численном моделировании позволяет с достаточным уровнем достоверности определить внутреннюю структуру гидродинамического течения. Однако эта модель ничего не говорит об энергетическом спектре излучающих частиц, энергии которых на два-пять порядков превышают энергию основной компоненты истекающей плазмы. Поэтому при моделировании наблюдаемого излучения обычно предполагается, что энергетический спектр и угловое распределение излучающих частиц никак не изменяются с расстоянием от центральной машины. Ясно, однако, что при распространении вдоль расширяющегося струйного выброса в область слабого магнитного поля спектр и угловое распределение излучающих частиц может существенно измениться. Поэтому вторая часть нашего исследования посвящена эволюции изначально изотропного степенного спектра излучающих частиц по мере их распространения вдоль расширяющихся релятивистских джетов в приближении сохранения поперечного адиабатического инварианта. Показано, что для релятивистских течений в реальных джетах, в которых определяющую роль играет электрическое поле, сохранение поперечного адиабатического инварианта не приводит к уменьшению питч-углов излучающих частиц. Это связано с дрейфовым характером движения частиц. При этом наклон энергетического спектра не изменяется, хотя сам спектр сдвигается в сторону меньших энергий. Полученные спектры предполагается использовать на втором этапе выполнения проекта для построения карт наблюдаемого излучения. Результаты, полученные в рамках выполнения проекта, содержатся в статьях, которые можно найти на странице http://astrolyceum.lpi.ru/MIPT_Publications.html: http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper65.pdf http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper66.pdf http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper67.pdf

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках работ по выполнению задач второго года настоящего гранта были прежде всего завершены фундаментальные исследования основных процессов, ответственных за наблюдаемое радиоизлучение реальных астрофизических объектов. Необходимость такого исследования была связана с тем, что как в теории радиопульсаров, так и в теории релятивистских джетов из активных галактических ядер оставалось еще много вопросов, мешающих с необходимой точностью определить параметры истекающей плазмы. В большинстве случаев это связано с отсутствием количественной теории для энергетического и пространственного распределения излучающих частиц, что не позволяло построить рабочую модель как для самого излучения, так и для эффектов распространения, которые для радиочастот становятся подчас определяющими. Вторая же часть работ была как раз посвящена использованию этих новых фундаментальных результатов для количественного сравнения наблюдаемого радиоизлучения с предсказаниями теории. Одной из таких задач, относящихся как к теории радиоизлучения как пульсаров, так и релятивистских джетов, стало обсуждение свойств синхротронного излучения в неоднородном магнитном поле. Было показано, что в случае излучения одной частицы заметное отличие интегрального спектра от случая однородного магнитного поля имеет место лишь для времен наблюдений, значительно превышающих времена выхода наблюдателя из диаграммы направленности, и лишь только для субрелятивистских частиц. При меньших временах наблюдения неоднородность поля приводит лишь к мелкомасштабным (меньшим или сравнимым по частоте с основной гирочастотой) искажениям, никак не проявляя себя в интегральном спектре. Для случая же ансамбля частиц, интересного для астрофизических приложений, отличие в интегральном спектре становится пренебрежимо малым. В результате для радиопульсаров, опираясь на результаты первого этапа работы, согласно которым наблюдения однозначно указывают на справедливость вакуумной модели ускорения и рождения частиц в полярных областях нейтронной звезды (на базе которой в рамках выполнения задач гранта и была построена количественная модель генерации излучающей плазмы) было выполнено численное моделирование распространения радиоизлучения в магнитосфере пульсара. В рамках данного моделирования удалось существенно продвинуться в понимании основных свойств радиоизлучения пульсаров. Прежде всего был проверен теоретический результат, утверждающий что вследствие различия в показателях преломления профили сформированные O-модой должны в среднем оказываться шире профилей сформированных X-модой. Этот результат подтвердился на полученных нами подвыборках со всей статистической строгостью. Однако это оказалось не единственным отличием между пульсарами излучающими в X и O модах. Так, нельзя не отметить что данные группы пульсаров статистически значимо смещены друг относительно друга на диаграмме P-Pdot. Более того, было обнаружено, что размер истинной диаграммы направленности для X и O моды по разному зависит от периода. Это, в свою очередь, может служить указанием на различие областей генерации X и O мод. Далее, был сгенерирован синтетический каталог поляризационных профилей с заданными модами излучения. Наконец, пакет программ, с помощью которых проводилось численное моделирование, был объединен в единую Python-библиотеку, которая в скором времени будет опубликована в системе PyPI. При этомбыл проведен масштабный рефакторинг и оптимизацию численного кода расчета переноса поляризации в магнитосфере радиопульсара. Что же касается релятивистских джетов из активных галактических ядер, то полученные данные о спектре излучающих частиц позволили построить карты поперечных профилей яркостной температуры, степени линейной поляризации и положения угла вектора поляризации (EVPA) для больших расстояний от светового цилиндра.. Получена асимметрия интенсивности и поляризации, связанная со спиральной структурой магнитного поля. При этом на всём распространении джета получен известный в джетах эффект уярчения к краю. Что же касается спектрального индекса, то нами было показано, что при инжекции системы излучающих частиц с изначально изотропным по питч-углам и степенным по энергиям распределением следует сохранение показателя степени в распределении энергии при распространении системы заряженных частиц вдоль расширяющегося джета. Сравнение нашей модели с данными наблюдений показало их хорошее согласие. Наконец, был создан интерфейс на основе языка Python с использованием только стандартных библиотек, позволяющий строить карты для различных физических параметров сверхмассивной чёрной дыры. Английские версии опубликованных работ: https://arxiv.org/pdf/2505.16717 https://arxiv.org/pdf/2505.11408 https://arxiv.org/pdf/2506.12423 Русскоязычные версии выложены на сайт лаборатории (долгое время загрузки): http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper65.pdf http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper66.pdf http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper67.pdf http://astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper68.pdf