Haruldane neutronitähtede tüüp, millel on erakordselt tugevad magnetväljad, põhjustades tugevaid „tähemaavärinaid“
Neutronitähed, mis on juba niigi tihedaimad teadaolevad tähejäänused (välja arvatud mustad augud), võivad omada magnetvälju, mis on miljardeid kordi tugevamad kui tüüpilistel tähtedel. Nende seas paistab silma haruldane klass, mida nimetatakse magnetarideks, mis on tuntud kõige tugevamate seni Universumis täheldatud magnetväljade poolest, ulatudes kuni 1015 G või rohkem. Need erakordselt tugevad väljad võivad põhjustada ebatavalisi, vägivaldseid nähtusi—tähemaavärinaid (ingl. starquakes), hiiglaslikke sähvatusi ja gammakiirguse purskeid, mis ajutiselt varjutavad terveid galaktikaid. Selles artiklis uurime magnetaride füüsikat, täheldatud tunnuseid ja äärmuslikke protsesse, mis põhjustavad nende purskeid ja pinnategevust.
1. Magnetaride olemus ja moodustumine
1.1 Sünd neutronitäheks
Magnetar on põhimõtteliselt neutronitäht, mis moodustub tuuma kokkuvarisemise supernoova ajal, kui massiivse tähe rauatuum variseb kokku. Kokkuvarisemise ajal võib osa tähe tuuma pöörlemismomendist ja magnetvoost suruda kokku erakordselt kõrgele tasemele. Lihtsatel neutronitähtedel on 10^9–1012 G väljad, kuid magnetarid võivad neid suurendada kuni 1014–1015 G-ni või isegi rohkem [1,2].
1.2 Dünaamo hüpotees
Magnetarides võivad erakordselt suured magnetväljad tekkida dünaamo mehhanismist varajases prooton-neutronitähe faasis:
- Kiire pöörlemine: Kui äsja sündinud neutronitäht pöörleb algselt millisekundiperioodiga, võivad konvektsioon ja diferentsiaalne pöörlemine magnetvälja erakordselt tugevdada.
- Lühiajaline dünaamo: Selline konvektsiooniline dünaamo võib toimida mõne sekundi või minuti jooksul pärast kokkuvarisemist, määrates magnetari tasemel väljad.
- Magnetiline pidurdus: Mõne tuhande aasta jooksul aeglustavad tugevad väljad tugevalt tähe pöörlemist, jättes pöörlemisperioodi aeglasemaks kui tüüpilistel raadiopulsaritel [3].
Kõik neutronitähed ei muutu magnetarideks—ainult need, mille algsed pöörlemis- ja tuumaparaamid võimaldavad välju äärmiselt tugevdada.
1.3 Kestus ja haruldus
Magnetarid hoiavad oma erakordselt tugevaid välju umbes 104–105 aastat. Tähe vananedes võib magnetvälja lagunemine põhjustada sisemist kuumenemist ja purskeid. Vaatlused näitavad, et magnetarid on üsna haruldased—Linnuteel ja lähedalasuvas galaktikas on kinnitatud või kahtlustatud vaid mõnikümmend sellist objekti [4].
2. Magnetvälja tugevus ja mõju
2.1 Magnetvälja skaala
Magnetaride väljad ületavad 1014 G, samas kui tavaliste neutronitähtede väljad ulatuvad 109–1012 G-ni. Võrdluseks, Maa pinnal on magnetväli umbes 0,5 G ja laborimagnetid harva ületavad mõne tuhande G. Seega hoiavad magnetarid universumis tugevaimate püsivate väljade rekordit.
2.2 Kvant-elektrodünaamika ja footonite lagunemine
Kui väljad on \(\gtrsim 10^{13}\) G, muutuvad oluliseks kvant-elektrodünaamika (QED) nähtused (nt vaakumi kaheharulisus, footonite lagunemine). Footonite lagunemine ja polariseerumise muutused võivad mõjutada, kuidas kiirgus väljub magnetari magnetosfäärist, muutes spektraalseid omadusi, eriti röntgen- ja gammakiirte piirkondades [5].
2.3 Pinged ja "tähetõmblemised"
Väga tugevad sisemised ja koort mõjutavad magnetväljad võivad pingestada neutronitähe koort kuni murdumiseni. Tähetõmblemised (ingl. starquakes)—järsud koore murdumised—võivad ümber korraldada magnetvälju ja põhjustada sähvatusi või kõrge energiaga footonite vooge. Järsk pinge vabastamine võib samuti veidi muuta tähe pöörlemiskiirust, jättes jälgitavad pöörlemisperioodi "tõmbed".
3. Magnetaride täheldatud tunnused
3.1 Pehmete gammakiirte kordused (SGR)
Enne sõna "magnetar" laialdast kasutuselevõttu olid teatud pehmete gammakiirte korduvad allikad (ingl. Soft Gamma Repeaters, SGR) tuntud vahelduvate gammakiirte või kõvade röntgenikiirte sähvatuste poolest, mis kordusid ebaregulaarsetel aegadel. Need sähvatused kestavad tavaliselt murdosa sekundist kuni mõne sekundini, keskmise tippheledusega. Nüüd mõistame, et SGR-id on magnetarid rahulikus olekus, mida aeg-ajalt häirivad "tähetõmblemised" või magnetvälja ümberkorraldused [6].
3.2 Anomaalsed röntgenpulsarid (AXP)
Teine klass, anomaalsed röntgenpulsarid (AXP), on neutronitähed, mille pöörlemisperiood kestab paar sekundit, kuid nende röntgenkiirgus on liiga tugev, et seda seletada ainult pöörlemise aeglustumisega. Täiendav energia pärineb tõenäoliselt magnetvälja lagunemisest, mis toidab röntgenkiirgust. Paljud AXP-d näitavad ka SGR episoodidele sarnaseid sähvatusi, kinnitades nende magnetari olemust.
3.3 Hiiglaslikud sähvatused
Magnetarid kiirgavad mõnikord hiiglaslikke sähvatusi—eriti energiarikkaid sündmusi, mille tippheledus võib lühiajaliselt ületada 1046 erg·s−1. Näited: 1998. aasta sähvatus SGR 1900+14-st ja 2004. aasta sähvatus SGR 1806–20-st, viimane mõjutas isegi Maa ionosfääri, olles 50 000 valgusaasta kaugusel. Selliste sähvatuste ajal on sageli täheldatud eredat algfaasi hüpet, mida järgneb pulsatsioonide jada, mida moduleerib tähe pöörlemine.
3.4 Pöörlemine ja pöörlemise "tõmbed"
Nagu pulsarid, võivad magnetarid näidata perioodilisi impulsse pöörlemissageduse järgi, kuid aeglasemate keskmiste perioodidega (~2–12 s). Magnetvälja lagunemine lisab pöörlemise pidurdusmomenti, mistõttu nad aeglustuvad kiiremini kui tavalised pulsarid. Mõnikord võivad "tõmbed" (järsud pöörlemissageduse muutused) tekkida koore pragunemiste järel. Nende pöörlemismuutuste jälgimisel saame hinnata sisemist vastastikmõju koore ja supers vedela tuuma vahel.
4. Magnetvälja lagunemine ja aktiivsuse mehhanismid
4.1 Välja lagunemise soojus
Väga tugevad magnetarid lagundavad järk-järgult oma välju, vabastades energiat soojusena. See sisemine kuumenemine võib hoida pinnatemperatuure sadade tuhandete või miljonite kelviniteni—oluliselt kõrgemal kui tavaliselt sama vanusega neutronitähtedel, mis jahtuvad. Selline kuumenemine põhjustab pidevat röntgenkiirgust.
4.2 Hall'i triiv ja ambipolaarne difusioon koores
Mittelineaarsed vastasmõjud koores ja tuumas—Hall'i triiv (elektronvoo ja magnetvälja vastastikune mõju) ja ambipolaarne difusioon (laetud osakeste liikumine vastusena väljale)—võivad ümber korraldada välju 103–106 aasta jooksul, toites sähvatusi ja intensiivsemat valgust [7].
4.3 Tähetõmblemine ja magnetiline ümberlülitus
Välja evolutsioonist tingitud pinge võib põhjustada koore pragunemist, vabastades äkilist energiat – see on tähetõmblemine. Sellised pragunemised võivad ümber korraldada magnetosfääri välju, põhjustades ümberlülitusprotsesse või suuri sähvatusi. Mudelid võrdlevad neid protsesse Päikese sähvatustega, kuid palju suuremas mastaabis. Pärast sähvatust võib taastumine muuta pöörlemissagedust või magnetosfääri kiirguse iseloomu.
5. Magnetaride evolutsioon ja lõppstaadiumid
5.1 Pikaajaline hääbumine
Aja jooksul 105–106 aastate magnetarid tõenäoliselt arenevad tavalisemateks neutronitähtedeks, kuna väljad nõrgenevad kuni ~1012 G. Siis muutuvad tähe aktiivsed nähtused (sähvatused, hiiglaslikud pursked) harvaks. Lõpuks jahtub selline täht ning tema röntgenkiirgus väheneb, ta hakkab sarnanema vanemale "surnud" pulsarile, millel on suhteliselt väike järelejäänud magnetväli.
5.2 Paarisüsteemide vastasmõjud?
Magnetaridega paarissüsteeme on vaadeldud vähe, kuid mõned sellised paarid võivad eksisteerida. Kui magnetaril on lähedal asuv tähekaaslane, võib massi ülekandmine põhjustada täiendavaid sähvatusi või muuta pöörlemise evolutsiooni. Siiski võivad vaatluslüngad või magnetaride lühike eluiga seletada, miks praegu on teada väga vähe selliseid paarisüsteeme.
5.3 Võimalikud ühinemised
Teoreetiliselt võiks magnetar ühineda teise neutronitähe või musta auguga, kiirgades gravitatsioonilaineid ja võib-olla põhjustades lühikese gammakiirguse purske. Sellised sündmused ületaksid tõenäoliselt tüüpiliste magnetaride sähvatusi vabastatud energia mõttes. Vaatlused jäävad selle osas spekulatsiooniks, kuid väga tugevate väljadega neutronitähtede ühinemine looks unikaalseid "kosmilisi laboratooriume".
6. Tähtsus astrofüüsikas
6.1 Gammakiirguse pursked
Mõned lühikesed või pikad gammakiirguse pursked võivad olla toidetud magnetaridest, mis on tekkinud tuumakokkupõrke või ühinemisjuhtumite käigus. Väga kiiresti pöörlevad „millisekundilised magnetarid“ võivad vabastada tohutu pöörlemisenergia, mis põhjustab või moodustab GRB purske. Mõnede GRB „järgsära platoo“ vaatlustega sobib kokku täiendava energia tarnimine äsja sündinud magnetarilt.
6.2 Eriti eredad röntgeniallikaid?
Suured B-väljad võivad põhjustada tugevaid voolusid või kiirguse koondumist, mis võib seletada mõningaid eriti eredaid röntgeniallikaid (ULX), kui akretsioon toimub neutronitähe suunas, mille väli on magnetarile lähedane. Sellistes süsteemides võib heledus ületada tavapärast Eddingtoni piiri, eriti kui kiirgus on fokuseeritud [8].
6.3 Tiheda aine ja QED uuringud
Ekstreemsed tingimused magnetari pinnal võimaldavad uurida QED tugevatel väljadelt. Polarisatsiooni või spektraalsete joonte vaatlustel võib ilmneda vaakumi kahepaikne iseloom või footonite lagunemine—nähtused, mida Maa laborites taastada ei saa. See aitab täiustada tuumafüüsika ja kvantvälja teooriaid ultratihedates tingimustes.
7. Vaatluskampaaniad ja tulevased uuringud
- Swift ja NICER: Magnetaride purskete jälgimine röntgeni ja gamma vahemikes.
- NuSTAR: Kõva röntgeni vahemiku tundlikkus, mis aitab jäädvustada kõrge energiaga kiirgust sähvatustest või hiiglaslikest pursketest.
- Raadiootsingud: Mõned magnetarid kiirgavad aeg-ajalt raadiopulssi, sidudes magnetare ja tavalisi pulsareid ühes populatsioonis.
- Optilised/IR vaatlusted: Haruldased optilised või IR vasted on väga nõrgad, kuid võivad näidata purskeid või tolmu järelsära pärast sähvatusi.
Tulevased või planeeritud observatooriumid, nt Euroopa ATHENA (röntgenkiirguse ala), lubavad veelgi sügavamaid teadmisi: uurida nõrgemaid magnetare või reaalajas jäädvustada hiiglasliku sähvatuse algust.
8. Kokkuvõte
Magnetarid on neutronitähtede füüsika äärmusnäited. Nende uskumatud magnetväljad, ulatudes 1015 G-ni, põhjustavad vägivaldseid purskeid, tähtede maavärinaid ja peatamatuid gammakiirguse sähvatusi. Tekkinud massiivsete tähtede kokkuvarisemise eritingimustes (kiire pöörlemine, soodne dunaamiline toime), on magnetarid lühiajalised kosmilised nähtused, mis säravad eredalt umbes ~104–105 aastat, kuni välja lagunemine vähendab aktiivsust.
Jälgimise mõttes esindavad pehmed gammakiirguse kordajad ja anomaalsed röntgenpulsarid magnetare erinevates olekutes, mis mõnikord kiirgavad muljetavaldavaid hiiglaslikke sähvatusi, mida on võimalik jälgida isegi Maal. Nende objektide uurimine laiendab meie teadmisi kvant-elektrodünaamikast äärmiselt tugevates väljade tingimustes, tuumamaterjali struktuurist ning protsessidest, mis võivad põhjustada neutriinode, gravitatsioonilainete ja elektromagnetiliste purskete plahvatusi. Väljade lagunemismudelite täiustumisel ja magnetaride purskete jälgimisel üha arenenumate mitmesageduslike instrumentidega avavad magnetarid jätkuvalt üht eksotilisemat astrofüüsika uurimisvaldkonda – kohta, kus aine, väljad ja fundamentaalsed jõud ühinevad hämmastavate äärmustega.
Viited ja täiendav lugemine
- Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). „Väga tugevalt magnetiseeritud neutronitähtede teke: tähendus gammakiirguse pursketele.” The Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
- Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). „Pehmed gammakiirguse kordajad kui väga tugevalt magnetiseeritud neutronitähed – I. Kiirgusmehhanism plahvatuste korral.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
- Kouveliotou, C., et al. (1998). „Röntgenpulsar ülitugeva magnetväljaga pehme gammakiirguse kordajas SGR 1806-20.” Nature, 393, 235–237.
- Mereghetti, S. (2008). „Kõige tugevamad kosmilised magnetid: pehmed gammakiirguse kordajad ja anomaalsed röntgenpulsarid.” Astronomy & Astrophysics Review, 15, 225–287.
- Harding, A. K., & Lai, D. (2006). „Tugevalt magnetiseeritud neutronitähtede füüsika.” Reports on Progress in Physics, 69, 2631–2708.
- Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). „Magnetarid.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.
- Pons, J. A., et al. (2009). „Magnetvälja areng neutronitähtede koorikutes.” Physical Review Letters, 102, 191102.
- Bachetti, M., et al. (2014). „Ülitulemuslik röntgenallikas, mida toidab akreeruv neutronitäht.” Nature, 514, 202–204.
- Woods, P. M., & Thompson, C. (2006). „Pehmed gammakiirguse kordajad ja anomaalsed röntgenpulsarid: magnetaride kandidaadid.” Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge University Press, 547–586.