Анома́льные рентге́новские пульса́ры (англ. anomalous X-ray pulsars, AXP), космические источники импульсного рентгеновского излучения с регулярным интервалом между импульсами длительностью от 2 до 12 с, не входящие в двойные звёздные системы. Название этих источников объясняется тремя обстоятельствами:

1. Периодический импульсный характер их излучения с постоянным периодом аналогичен свойству уже известных источников – пульсаров.

2. Все эти объекты были обнаружены в рентгеновском диапазоне, и у большей их части не зарегистрировано излучение в других областях спектра.

3. Нормальные рентгеновские пульсары представляют собой нейтронные звёзды, входящие в состав двойных систем, в которых происходит выброс вещества из массивного компаньона с последующей аккрецией этого вещества на нейтронную звезду. Аккреция приводит к разогреву вещества вблизи поверхности нейтронной звезды до десятков миллионов градусов и вызывает появление теплового и нетеплового рентгеновского излучения. В случае аномальных рентгеновских пульсаров не обнаружено никаких признаков вхождения их в двойные системы, т. е. они представляют собой изолированные объекты без источников аккреции и в этом смысле являются аномальными.

Первым аномальным рентгеновским пульсаром, наблюдавшимся в рентгеновском диапазоне, был 4U 0142+61, включённый в 4-й каталог источников, обнаруженных с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории «Ухуру» (The fourth UHURU catalog ... 1978). Импульсный характер его излучения с периодом 8,7 с был выявлен с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории EXOSAT в 1984 г., а описан в 1994 г. (Israel. 1994). В последующие годы аномальные рентгеновские пульсары были выделены в отдельную группу. На 2023 г. известно 16 таких пульсаров. Их характеристики приведены в пополняемом каталоге McGill Online Magnetar Catalog.

Основные особенности аномальных рентгеновских пульсаров:

• Диапазон периодов между импульсами их излучения (2–12 с) значительно у́же, чем у радиопульсаров, для которых он составляет почти 4 порядка (от 1,4 мс до десятка секунд).

• У известных нормальных рентгеновских пульсаров наблюдается регулярная модуляция периода вследствие эффекта Доплера, возникающего из-за орбитального движения нейтронной звезды, а также вековое уменьшение этого периода за счёт передачи момента импульса пульсару от вещества, вытекающего из компаньона. В отличие от них, все аномальные рентгеновские пульсары показывают увеличение периода со временем. В этом отношении они похожи на обычные радиопульсары, однако производные периода по времени (10^–13–10^–11) на 2–4 порядка выше, чем у основной массы радиопульсаров, для которых среднее значение составляет порядка 10^–15.

• Поток рентгеновского излучения аномальных рентгеновских пульсаров более стабилен, чем у пульсаров, входящих в двойные системы.

• Диапазон их рентгеновских светимостей (10²⁶–10²⁸ Вт) значительно у́же, чем у нормальных рентгеновских пульсаров (10²⁴–10³² Вт).

• Для аномальных рентгеновских пульсаров характерен мягкий спектр излучения, который может быть аппроксимирован суммой теплового излучения с энергией 0,3–2 кэВ и нетеплового излучения, имеющего степенной участок со спектральным индексом от 1 до 4.

• У некоторых аномальных рентгеновских пульсаров наблюдаются всплески излучения. Например, у 1E 2259+586 обнаружено 80 вспышек длительностью от 2 мс до 3 с в диапазоне энергий 2–10 кэВ (A Major Soft Gamma ... 2003).

• Все аномальные рентгеновские пульсары расположены вблизи плоскости Галактики, их галактическая широта не превышает 1° (за исключением одного из них, CXOU J010043.1–721134, находящегося в Малом Магеллановом Облаке).

• Часть аномальных рентгеновских пульсаров находится внутри остатков вспышек сверхновых.

Последние две особенности свидетельствуют о молодости аномальных рентгеновских пульсаров. Во-первых, остатки сверхновых рассеиваются за десятки тысяч лет и находящиеся в них источники не должны быть старше их. Во-вторых, образующиеся при взрывах сверхновых нейтронные звёзды обладают большими пространственными скоростями (в среднем более 100 км/с) и, следовательно, аномальные рентгеновские пульсары ещё не успели удалиться от галактического диска.

Для объяснения перечисленных особенностей аномальных рентгеновских пульсаров было предложено несколько моделей. Наиболее популярной среди исследователей является модель магнитара – нейтронной звезды с сильным магнитным полем на поверхности (с индукцией 10¹⁰–10¹¹ Тл) (Duncan. 1992). Она была выдвинута в начале 1990-х гг. в связи с поиском источника энергии, обеспечивающего наблюдаемое излучение. В нормальных рентгеновских пульсарах таким источником служит аккреция вещества, вытекающего из компаньона, однако в изолированном аномальном рентгеновском пульсаре подобный механизм работать не может.Изображение магнитара – нейтронной звезды с сильным магнитным полем – в звёздном скоплении Westerlund 1 в представлении художника.Изображение магнитара – нейтронной звезды с сильным магнитным полем – в звёздном скоплении Westerlund 1 в представлении художника. Общепринято, что основным источником энергии, обеспечивающим все процессы в магнитосфере радиопульсара, в том числе и генерацию излучения, является вращение центральной нейтронной звезды. Если предположить, что интервалы между последовательными импульсами излучения аномальных рентгеновских пульсаров равны периоду их вращения, то потери этой энергии недостаточны для объяснения их наблюдаемой рентгеновской светимости. Оказалось, однако, что если основные потери момента импульса и энергии вращения нейтронной звезды связаны с магнитодипольным излучением намагниченной звезды как целого, то вычисленные в этом предположении значения индукции магнитного поля равны указанным выше. В этом случае переход энергии сильного магнитного поля в излучение может объяснить наблюдаемые светимости. Сложная структура магнитного поля и токов в коре и магнитосфере нейтронной звезды приводит к тиринг-неустойчивости, пересоединению магнитных силовых линий и нестационарному высвобождению энергии, последующая трансформация которой в излучение может объяснить вспышки в аномальных рентгеновских пульсарах (Thompson. 2002; Lyutikov. 2003).

Существует большое число теоретических работ, в которых рассматриваются различные процессы в магнитосферах со сверхсильным магнитным полем. Однако остаются сомнения в том, что магнитное поле на поверхности нейтронной звезды имеет дипольную структуру и что все потери момента импульса звезды связаны с её магнитодипольным излучением. Наблюдаемые вокруг некоторых аномальных рентгеновских пульсаров остатки сверхновых излучают за счёт синхротронного механизма, предполагающего регулярную подпитку остатка релятивистскими частицами, которые могут быть рождены только в центральной звезде. А такие частицы (т. н. пульсарный ветер) уносят часть момента импульса и энергии вращения. Существуют и другие аргументы в пользу альтернативных источников энергетических потерь аномальных рентгеновских пульсаров. Поэтому в процессе исследований этих объектов появлялись другие модели.

Прежде всего возник вопрос: а равны ли наблюдаемые интервалы между импульсами периоду вращения нейтронной звезды? В самой звезде и в её магнитосфере могут быть периодические процессы, приводящие к импульсному характеру излучения. Одним из таких процессов является прецессия магнитной оси (Carlini. 1989). Однако расчёты показывают, что свободная прецессия достаточно быстро затухает, в то время как известные аномальные рентгеновские пульсары сохраняют свои основные параметры в течение по крайней мере десятков лет. Второй периодический процесс, который может приводить к импульсному характеру излучения, связан с наличием на периферии магнитосферы дрейфовых волн, обязанных своим названием дрейфу частиц поперёк внешнего магнитного поля (Малов. 2009). Эти волны существуют в течение длительного времени и могут накапливать энергию от релятивистских частиц, пролетающих сквозь них вдоль силовых линий магнитного поля. Дрейфовые волны искривляют силовые линии магнитного поля звезды, и излучение, распространяющееся вдоль этих линий, достигает наблюдателя только тогда, когда соответствующая линия направлена на него. Такие искажения происходят с периодом дрейфовых волн, и излучение приобретает импульсный характер. При этом центральная нейтронная звезда может вращаться с обычным для радиопульсаров периодом в доли секунды, обладать нормальным магнитным полем порядка 10⁸ Тл и достаточной для обеспечения наблюдаемой мощности излучения потерей энергии вращения.

Поскольку аномальные рентгеновские пульсары – молодые объекты, они могут быть окружены реликтовым веществом, сохранившимся после взрыва сверхновой, или «нагребённым» при движении пульсара через плотную межзвёздную среду. В этом случае аккреция на нейтронную звезду связана не со вторым компаньоном, которого не существует, а с веществом из её окрестностей (Nature versus Nurture ... 2001). Отсутствие регулярной подкачки момента импульса, характерного для звёздного ветра, будет при этом приводить к замедлению вращения нейтронной звезды, к потере её энергии, которая оказывается достаточной для генерации излучения наблюдаемой мощности. При этом также нет необходимости в сверхсильных магнитных полях, они могут иметь обычное значение в 10⁸ Тл (Бисноватый-Коган. 2014).

Во всех рассмотренных выше моделях предполагается, что центральным телом в аномальных рентгеновских пульсарах является нейтронная звезда. Однако это предположение может быть подтверждено только косвенными аргументами. Поэтому для их описания предлагались и другие гипотезы. Например, в качестве центрального тела для одного из аномальных рентгеновских пульсаров (1Е 2259+586) рассматривался массивный белый карлик с сильным магнитным полем (Paczyński. 1990). Для объяснения свойств аномальных рентгеновских пульсаров привлекались и кварковые звёзды (Dar. 2000). И, наконец, предлагалось представить аномальные рентгеновские пульсары как одну из стадий в эволюционной последовательности состояний вырожденного кеплеровского диска, образованного в результате взрыва кварк-новой звезды (Ouyed. 2002; Ouyed. 2007).

Все описанные выше модели не лишены трудностей, и вопрос об адекватном теоретическом описании аномальных рентгеновских пульсаров остаётся открытым.