Магнитары: сверхмощные магнитные нейтронные звезды.

Введение

Тип нейтронной звезды с сильным магнитным полем

Магнетар – это тип нейтронной звезды с исключительно мощным магнитным полем (~10⁹–10¹¹ Т, ~10¹³–10¹⁵ Г). Энергия, высвобождающаяся при распаде магнитного поля, питает излучение высокоэнергетического электромагнитного излучения, в особенности рентгеновского и гамма-излучения. Существование магнитаров было предложено в 1992 году Робертом Данканом и Кристофером Томпсоном для объяснения свойств нестационарных источников гамма-лучей, известных как мягкие гамма-повторители (SGR). В течение следующего десятилетия гипотеза о магнитарах получила широкое признание и была расширена для объяснения аномальных рентгеновских пульсаров (AXP). По состоянию на 2021 год подтверждено существование 24 магнитаров.

Описание

Как и другие нейтронные звезды, магнитары имеют диаметр около километра и массу около 1,4 солнечных масс. Они образуются в результате коллапса звезды с массой в 10–25 раз больше массы Солнца. Плотность вещества в недрах магнитара такова, что в одной столовой ложке этого вещества содержится масса более 100 миллионов тонн. В то время как типичные нейтронные звезды, наблюдаемые как радиопульсары, вращаются от одного до десяти раз в секунду, магнитное поле магнитара порождает очень сильные и характерные всплески рентгеновского и гамма-излучения. Активный период жизни магнитара короток по сравнению с другими небесными телами. Их мощные магнитные поля ослабевают примерно через 10 000 лет, после чего активность и интенсивное рентгеновское излучение прекращаются. Учитывая количество наблюдаемых сегодня магнитаров, по оценкам, число неактивных магнитаров в Млечном Пути составляет 30 миллионов и более, и их магнитное поле примерно в триллион раз сильнее поля, окружающего Землю. Земля имеет геомагнитное поле 30–60 микротесла, а неодимовый редкоземельный магнит обладает полем около 1,25 тесла с плотностью магнитной энергии 4,0 × 105 Дж/м3. Поле магнитара, равное 1010 тесла, напротив, имеет плотность энергии 4,0 и плотность массы E/c2, более чем в 10 000 раз превышающую плотность свинца. Магнитное поле магнитара было бы смертельным даже на расстоянии 1000 км из-за сильного искажения электронных облаков атомов, составляющих объект, что делает химию известных форм жизни невозможной. На расстоянии, равном половине расстояния от Земли до Луны (среднее расстояние между Землей и Луной составляет километров), магнитар мог бы стереть информацию с магнитных полос всех кредитных карт на Земле. По состоянию на 2020 год они являются самыми мощными магнитными объектами, обнаруженными во Вселенной. Как описано в статье на обложке журнала "Scientific American" за февраль 2003 года, в магнитном поле такой силы происходят удивительные явления: "Фотоны рентгеновского излучения легко расщепляются на две части или сливаются. Сам вакуум поляризуется, становясь сильно бирефракционным, подобно кальцитовому кристаллу. Атомы деформируются в длинные цилиндры, тоньше квантовой релятивистской длины волны де Бройля электрона."

Like other neutron stars, magnetars are around in diameter, and have a mass of about 1.4 solar masses. They are formed by the collapse of a star with a mass 10–25 times that of the Sun. The density of the interior of a magnetar is such that a tablespoon of its substance would have a mass of over 100 million tons. whereas typical neutron stars, observed as radio pulsars, rotate one to ten times per second. A magnetar's magnetic field gives rise to very strong and characteristic bursts of X rays and gamma rays. The active life of a magnetar is short compared to other celestial bodies. Their strong magnetic fields decay after about 10,000 years, after which activity and strong X ray emission cease. Given the number of magnetars observable today, one estimate puts the number of inactive magnetars in the Milky Way at 30 million or more. and about a trillion times more powerful than the field surrounding Earth. Earth has a geomagnetic field of 30–60 microteslas, and a neodymium based, rare earth magnet has a field of about 1.25 tesla, with a magnetic energy density of 4.0 × 105 J/m3. A magnetar's 1010 tesla field, by contrast, has an energy density of 4.0, with an E/c2 mass density more than 10,000 times that of lead. The magnetic field of a magnetar would be lethal even at a distance of 1,000 km due to the strong magnetic field distorting the electron clouds of the subject's constituent atoms, rendering the chemistry of known lifeforms impossible. At a distance of halfway from Earth to the moon, an average distance between the Earth and the Moon being , a magnetar could wipe information from the magnetic stripes of all credit cards on Earth. as of 2020, they are the most powerful magnetic objects detected throughout the universe. As described in the February 2003 Scientific American cover story, remarkable things happen within a magnetic field of magnetar strength. "X ray photons readily split in two or merge. The vacuum itself is polarized, becoming strongly birefringent, like a calcite crystal. Atoms are deformed into long cylinders thinner than the quantum relativistic de Broglie wavelength of an electron."

Истоки магнитных полей

Доминирующая модель сильных магнитных полей магнетаров заключается в том, что они возникают в результате магнитогидродинамического процесса динамо в турбулентной, чрезвычайно плотной проводящей жидкости, существующей до того, как нейтронная звезда установится в состояние равновесия. Эти поля затем поддерживаются за счет постоянных токов в протонной сверхпроводящей фазе вещества, находящейся на промежуточной глубине внутри нейтронной звезды (где нейтроны преобладают по массе). Аналогичный магнитогидродинамический процесс динамо генерирует еще более интенсивные кратковременные поля во время слияния пар нейтронных звезд. Альтернативная модель предполагает, что они просто являются результатом коллапса звезд, обладающих необычайно сильными магнитными полями.

Формирование

В сверхновой звезда коллапсирует в нейтронную звезду, и её магнитное поле резко возрастает в силе из-за сохранения магнитного потока. Уменьшение линейного размера вдвое увеличивает напряженность магнитного поля в четыре раза. Данкан и Томпсон рассчитали, что когда скорость вращения, температура и магнитное поле новообразованной нейтронной звезды принимают определенные значения, может запуститься динамо-механизм, преобразующий тепловую и энергию вращения в магнитную энергию и усиливающий магнитное поле, которое и так уже огромно – 10⁸ тесла, до более чем 10¹¹ тесла (или 10¹⁵ гаусс). Результатом является магнетар. По оценкам, примерно одна из десяти вспышек сверхновых приводит к образованию магнетара, а не обычной нейтронной звезды или пульсара.

1979 открытие

5 марта 1979 года, через несколько месяцев после успешного спуска аппаратов «Лендер» в атмосферу Венеры, два беспилотных советских космических зонда «Венера-11» и «Венера-12», находившиеся на гелиоцентрической орбите, были подвержены воздействию всплеска гамма-излучения примерно в 10:51 по восточному времени. Этот контакт вызвал повышение показаний радиации на обоих зондах с нормальных 100 отсчетов в секунду до более чем 200 000 отсчетов в секунду всего за долю миллисекунды. Направление источника соответствовало остаткам звезды, взорвавшейся как сверхновая около 3000 года до нашей эры. 21 февраля 2008 года было объявлено, что NASA и исследователи из Университета Макгилла обнаружили нейтронную звезду, обладающую свойствами радиопульсара, излучающую некоторые всплески, обусловленные магнитным полем, как у магнетара. Это позволяет предположить, что магнетары – это не просто редкий тип пульсаров, а могут быть (возможно, обратимой) фазой в жизни некоторых пульсаров. 24 сентября 2008 года ESO объявила об обнаружении, по их данным, первого кандидата в оптически активные магнетары, с использованием Очень Большого Телескопа ESO. Новый объект получил обозначение SWIFT J195509+261406. 1 сентября 2014 года ESA опубликовала новость об обнаружении магнетара вблизи остатка сверхновой Kesteven 79. Астрономы из Европы и Китая обнаружили этот магнетар, названный 3XMM J185246.6+003317, в 2013 году, анализируя изображения, полученные в 2008 и 2009 годах. В 2013 году был обнаружен магнетар PSR J1745−2900, вращающийся вокруг черной дыры в системе Стрелец A*. Этот объект представляет собой ценный инструмент для изучения ионизированной межзвездной среды в направлении Галактического центра. В 2018 году временным результатом слияния двух нейтронных звезд оказался гипермассивный магнетар, который вскоре коллапсировал в черную дыру. В апреле 2020 года была предложена возможная связь между быстрыми радиовсплесками (FRB) и магнетарами, основанная на наблюдениях за SGR 1935+2154, вероятным магнетаром, расположенным в галактике Млечный Путь.

Яркие сверхновые

Считается, что необычно яркие сверхновые возникают в результате гибели очень массивных звёзд в виде сверхновых, обусловленных парной нестабильностью (или пульсирующей парной нестабильностью). Однако недавние исследования астрономов предположили, что энергия, высвобождаемая вновь образовавшимися магнетарами в окружающие остатки сверхновых, может быть причиной некоторых из самых ярких сверхновых, таких как SN 2005ap и SN 2008es.