Reta neitronzvaigžņu suga ar ārkārtīgi spēcīgiem magnētiskajiem laukiem, kas izraisa spēcīgus “zvaigžņu drebējumus”
Neitronzvaigznes, jau tāpat blīvākie zināmie zvaigžņu atlikumi (izņemot melnās caurums), var būt magnētiskie lauki, kas ir miljardiem reižu spēcīgāki nekā tipiskajās zvaigznēs. Starp tām izceļas retā klase, ko sauc par magnetāriem, kuriem ir stiprākie līdz šim Visumā novērotie magnētiskie lauki, sasniedzot pat 1015 G vai vēl vairāk. Šie ārkārtīgi spēcīgie lauki var izraisīt neparastus, vardarbīgus notikumus—zvaigžņu drebējumus (angl. starquakes), milzīgus zibšņus un gamma staru uzliesmojumus, kas īslaicīgi aptumšo veselas galaktikas. Šajā rakstā apskatīsim magnetāru fiziku, novērotās pazīmes un ekstrēmus procesus, kas izraisa to izvirdumus un virsmas aktivitāti.
1. Magnetāru daba un veidošanās
1.1 Dzimšana kā neitronzvaigzne
Magnetārs būtībā ir neitronzvaigzne, kas veidojas kodola sabrukuma supernovas laikā, kad masīvas zvaigznes dzelzs kodols sabrūk. Sabrukuma laikā daļa zvaigznes kodola griešanās momenta un magnētiskā plūsma var tikt saspiesta līdz īpaši augstam līmenim. Parastās neitronzvaigznes raksturo 10^9–1012 G lauki, bet magnetāri tos var palielināt līdz 1014–1015 G vai pat vairāk [1,2].
1.2 Dinamo hipotēze
Ļoti lieli magnētiskie lauki magnetāros var rasties no dinamo mehānisma agrīnā protonneitronzvaigznes fāzē:
- Ātra griešanās: Ja nesen dzimusī neitronzvaigzne sākotnēji griežas milisekunžu periodā, konvekcija un diferenciālā griešanās var ārkārtīgi pastiprināt magnētisko lauku.
- Īslaicīgs dinamo: Šāds konvekcijas dinamo var darboties dažas sekundes vai minūtes pēc sabrukuma, nosakot magnetāra līmeņa laukus.
- Magnētiskā bremzēšana: Dažu tūkstošu gadu laikā spēcīgie lauki būtiski palēnina zvaigznes griešanos, atstājot lēnāku griešanās periodu nekā tipiskiem radio pulsāriem [3].
Ne visas neitronzvaigznes kļūst par magnetāriem—tikai tās, kuru sākotnējie griešanās un kodola parametri ļaus ārkārtīgi pastiprināt laukus.
1.3 Ilgums un retums
Magnetāri saglabā savus ļoti stipros laukus aptuveni 104–105 gadus. Zvaigznei novecojot, magnētiskā lauka izjukšana var izraisīt iekšēju uzkaršanu un izvirdumus. Novērojumi rāda, ka magnetāri ir diezgan reti—Piena Ceļā un tuvējās galaktikās apstiprināti vai aizdomās turēti tikai daži desmiti šādu objektu [4].
2. Magnētiskā lauka stiprums un ietekme
2.1 Magnētiskā lauka mērogi
Magnetāru lauki pārsniedz 1014 G, kamēr parasto neitronzvaigžņu lauki sasniedz 109–1012 G. Salīdzinājumam, Zemes virsmas magnētiskais lauks ir aptuveni ~0,5 G, bet laboratorijas magnēti reti pārsniedz dažus tūkstošus G. Tātad magnetāri tur rekordu Visumā par spēcīgākajiem pastāvīgajiem laukiem.
2.2 Kvantu elektrodinamika un fotonu sadalīšanās
Kad lauki ir \(\gtrsim 10^{13}\) G, svarīgi kļūst kvantu elektrodinamikas (QED) efekti (piemēram, vakuuma dubultšķelšanās, fotonu sadalīšanās). Fotonu sadalīšanās un polarizācijas izmaiņas var ietekmēt, kā starojums iziet no magnetāra magnetosfēras, mainot spektrālās īpašības, īpaši rentgena un gamma starojuma diapazonos [5].
2.3 Spriegumi un "zvaigžņu drebēšana"
Ļoti spēcīgi iekšējie un garozu ietekmējošie magnētiskie lauki var izstiept neitronzvaigznes garozu līdz lūzumam. Zvaigžņu drebēšana (angl. starquakes)—strauji garozas lūzumi—var pārkārtot magnētiskos laukus un izraisīt zibšņus vai augstas enerģijas fotonu plūsmas. Strauja sprieguma atbrīvošana var arī nedaudz mainīt zvaigznes rotācijas ātrumu, atstājot pamanāmus rotācijas perioda "trūkumus".
3. Magnetāru novērotās pazīmes
3.1 Mīksto gamma atkārtojumi (SGR)
Vēl pirms termina "magnetārs" nostiprināšanās, noteikti mīksto gamma staru atkārtojumi (angl. Soft Gamma Repeaters, SGR) bija zināmi ar periodiskiem gamma vai cietā rentgena starojuma zibšņiem, kas atkārtojās neregulāri. Šie zibšņi parasti ilgst no daļas sekundes līdz dažām sekundēm, ar vidēju maksimālo spožumu. Tagad saprotam, ka SGR ir magnetāri miera stāvoklī, kuri reizēm tiek traucēti ar "zvaigznes drebēšanu" vai magnētiskā lauka pārkārtošanos [6].
3.2 Anomālie rentgena pulsāri (AXP)
Vēl viena klase, anomālie rentgena pulsāri (AXP), ir neitronzvaigznes, kuru rotācijas periods ilgst dažas sekundes, bet to rentgena spožums ir pārāk liels, lai to izskaidrotu tikai ar rotācijas palēnināšanos. Papildu enerģija, visticamāk, rodas no magnētiskā lauka sabrukuma, kas baro rentgena starojumu. Daudzi AXP arī rāda SGR epizodēm līdzīgus zibšņus, apstiprinot to magnetāro dabu.
3.3 Milzīgie zibšņi
Magnetāri reizēm izstaro milzīgus zibšņus—īpaši enerģētiskus notikumus, kuru maksimālais spožums īslaicīgi var pārsniegt 1046 erg·s−1. Piemēri: 1998. gada zibšnis no SGR 1900+14 un 2004. gada zibšnis no SGR 1806–20, pēdējais pat ietekmēja Zemes jonosfēru, atrodoties 50 000 gaismas gadu attālumā. Šādu zibšņu laikā bieži novēro spilgtu sākotnējās fāzes lēcienu, kam seko pulsāciju ķēde, ko modulē zvaigznes rotācija.
3.4 Rotācija un rotācijas "trūkumi"
Tāpat kā pulsāri, magnetāri var radīt periodiskus impulsus atbilstoši rotācijas frekvencei, taču ar lēnākiem vidējiem periodiem (~2–12 s). Magnētiskā lauka sabrukums rada papildu rotācijas bremzēšanas momentu, tāpēc tie palēninās ātrāk nekā parastie pulsāri. Reizēm "trūkumi" (straujas rotācijas frekvences izmaiņas) var notikt pēc garozas plaisāšanas. Novērojot šīs rotācijas izmaiņas, varam novērtēt iekšējo mijiedarbību starp garozu un superskābā kodola.
4. Magnētiskā lauka izjukšana un aktivitātes mehānismi
4.1 Lauka izjukšanas siltums
Ļoti spēcīgi magnetāri pakāpeniski izjūk savus laukus, atbrīvojot enerģiju kā siltumu. Šī iekšējā uzkaršana var uzturēt virsmas temperatūras simtiem tūkstošu vai miljonu kelvinu līmenī — daudz augstāk nekā parasti atdziestošās tāda paša vecuma neitronzvaigznēs. Šāda uzkaršana nodrošina pastāvīgu rentgena starojumu.
4.2 Hall dreifs un ambipolārā difūzija garozā
Nelineāras mijiedarbības garozā un kodolā — Hall dreifs (elektronu plūsmas un magnētiskā lauka savstarpējā mijiedarbība) un ambipolārā difūzija (lādētu daļiņu kustība, reaģējot uz lauku) — var pārkārtot laukus 103–106 gadu laikā, barojot uzliesmojumus un intensīvāku starojumu [7].
4.3 Zvaigžņu zemestrīces un magnētiskā pāreja
Lauka evolūcijas radītā spriedze var izraisīt garozas plaisāšanu, atbrīvojot pēkšņu enerģiju — tas ir zvaigžņu zemestrīces. Šādas plaisas var pārkārtot magnetosfēras laukus, izraisot pārejas notikumus vai lielus uzliesmojumus. Modeļi salīdzina šos procesus ar Saules zibšņiem, bet daudz lielākā mērogā. Pēc uzliesmojuma atjaunošanās var mainīt rotācijas frekvenci vai magnetosfēras starojuma raksturu.
5. Magnetāru evolūcija un galējās stadijas
5.1 Ilgstoša izbalēšana
Pēc 105–106 gadu magnetāri, visticamāk, attīstās par parastākām neitronzvaigznēm, jo lauki vājinās līdz ~1012 G. Tad zvaigznes aktīvie procesi (uzliesmojumi, milzīgi izvirdumi) kļūst reti. Galu galā šāda zvaigzne atdziest un samazinās tās rentgena starojums, tā sāk līdzināties vecākam "mirušam" pulsāram ar relatīvi nelielu atlikušā magnētiskā lauka intensitāti.
5.2 Dubultsistēmu mijiedarbība?
Magnētiskajiem dubultsistēmu novērojumu ir maz, taču dažas šādas pāru varētu pastāvēt. Ja magnetāram ir tuvs zvaigžņu pavadonis, masas pārnese varētu izraisīt papildu uzliesmojumus vai mainīt rotācijas evolūciju. Tomēr novērojumu "caurumi" vai īss magnetāru dzīves ilgums var izskaidrot, kāpēc šobrīd ir zināmi ļoti daži šādi dubultsistēmas.
5.3 Iespējamie saplūšanas gadījumi
Teorētiski magnetārs varētu saplūst ar citu neitronzvaigzni vai melno caurumu, izstarojot gravitācijas viļņus un iespējams izraisot īsu gamma starojuma uzliesmojumu. Šādi notikumi, visticamāk, būtiski pārsniegtu tipiskos magnetāru uzliesmojumus atbrīvotās enerģijas ziņā. Novērojumos tas joprojām ir spekulācija, taču neitronzvaigžņu ar ļoti spēcīgiem laukiem saplūšana būtu unikāla "kosmiskā laboratorija".
6. Nozīme astrofizikā
6.1 Gamma staru uzliesmojumi
Daži īsie vai garie gamma staru uzliesmojumi varētu tikt baroti no magnetāriem, kas veidojušies kodola sabrukuma vai saplūšanas notikumos. Ļoti ātri rotējošie “milisekunžu magnetāri” var atbrīvot milzīgu rotācijas enerģiju, kas izraisa vai veido GRB strūklu. Dažu GRB “pēcuslīdes plato” novērojumi atbilst papildu enerģijas piegādei no nesen dzimuša magnetāra.
6.2 Īpaši spoži rentgena avoti?
Lieli B lauki var izraisīt spēcīgus izvirdumus vai starojuma fokusēšanos, kas var izskaidrot dažus īpaši spožus rentgena avotus (ULX), ja akrecija notiek uz neitronu zvaigzni ar magnetāram līdzīgu lauku. Šādās sistēmās spožums var pārsniegt parasto Eddingtona robežu, īpaši, ja starojums ir fokusēts [8].
6.3 Blīvas matērijas un QED pētījumi
Ekstremāli apstākļi pie magnetāra virsmas ļauj pētīt QED stiprajos laukos. Polarizācijas vai spektrālo līniju novērojumi var parādīt vakuuma dubultību vai fotonu sadalīšanos — fenomenus, ko nav iespējams atdarināt Zemes laboratorijās. Tas palīdz pilnveidot kodolfizikas un kvantu lauka teorijas ultracietos apstākļos.
7. Novērojumu kampaņas un nākotnes pētījumi
- Swift un NICER: Magnetāru izvirdumu novērošana rentgena un gamma diapazonos.
- NuSTAR: Jutība cietā rentgena diapazonā, kas palīdz fiksēt augstas enerģijas starojumu no uzliesmojumiem vai milzīgiem izvirdumiem.
- Radio meklējumi: Daži magnetāri reizēm izstaro radio impulsus, sasaistot magnetārus un parastos pulsārus vienā populācijā.
- Optiskie/IR novērojumi: Retie optiskie vai IR atbilstošie signāli ir ļoti vāji, taču var parādīt strūklas vai putekļu starojumu pēc uzliesmojumiem.
Nākotnes vai plānotās observatorijas, piemēram, Eiropas ATHENA (X staru diapazons), sola vēl dziļākas atziņas: pētīt vājākus magnetārus vai reāllaikā fiksēt milzīga uzliesmojuma sākumu.
8. Secinājums
Magnetāri ir neitralo zvaigžņu fizikas ekstrēmu piemēri. To neticami magnētiskie lauki, sasniedzot 1015 G, izraisa vardarbīgas uzliesmojumus, zvaigžņu trīcēšanu un neapturamus gamma zibspuldzes. Veidojoties no masīvu zvaigžņu sabrukuma īpašos apstākļos (ātri rotējoties, labvēlīgā dinamā), magnetāri ir īslaicīgi kosmiski fenomeni, kas spoži spīd ~104–105 gadu periodā, līdz lauka sabrukums samazina aktivitāti.
Novērošanas ziņā mīksto gamma staru atkārtojumi un anomālie rentgena pulsāri pārstāv magnetārus dažādos stāvokļos, reizēm izstarojot iespaidīgus milzīgus zibšņus, kas ir novērojami pat uz Zemes. Šo objektu pētījumi paplašina mūsu zināšanas par kvantu elektrodinamiku ļoti spēcīgos laukos, kodolmateriāla struktūru un procesiem, kas var izraisīt neitriņu, gravitācijas viļņu un elektromagnētisko izvirdumu uzliesmojumus. Attīstoties lauka izzušanas modeļiem un novērojot magnetāru izvirdumus ar arvien progresīvākiem daudzjoslu instrumentiem, magnetāri turpinās atklāt vienus no eksotiskākajiem astrofizikas pētījumu laukiem — tur, kur viela, lauki un fundamentālās spējas saplūst pārsteidzošos galējībās.
Saites un papildu lasījumi
- Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). “Ļoti stipri magnētizētu neitronzvaigžņu veidošanās: sekas gamma staru uzliesmojumiem.” The Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
- Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). “Mīksto gamma staru atkārtojumi kā ļoti stipri magnētizētas neitronzvaigznes – I. Starojuma mehānisms uzliesmojumiem.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
- Kouveliotou, C., et al. (1998). “Rentgena pulsārs ar ļoti spēcīgu magnētisko lauku mīkstā gamma staru atkārtojuma SGR 1806-20.” Nature, 393, 235–237.
- Mereghetti, S. (2008). “Spēcīgākie kosmiskie magnēti: mīksto gamma staru atkārtojumi un anomālie rentgena pulsāri.” Astronomy & Astrophysics Review, 15, 225–287.
- Harding, A. K., & Lai, D. (2006). “Stipri magnētizētu neitronzvaigžņu fizika.” Reports on Progress in Physics, 69, 2631–2708.
- Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). “Magnetāri.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.
- Pons, J. A., et al. (2009). “Magnētiskā lauka evolūcija neitronzvaigžņu garozās.” Physical Review Letters, 102, 191102.
- Bachetti, M., et al. (2014). “Ultraluminozs rentgena avots, ko baro akrēcijas neitronzvaigzne.” Nature, 514, 202–204.
- Woods, P. M., & Thompson, C. (2006). “Mīksto gamma staru atkārtojumi un anomālie rentgena pulsāri: magnetāru kandidāti.” Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge University Press, 547–586.