Magnetarai: Ekstremalūs magnetiniai laukai

Magnetarai: Extreme magnetische velden

Een zeldzame soort neutronensterren met extreem sterke magnetische velden, die hevige "sterbevingen" veroorzaken

Neutronensterren, al de dichtste bekende overblijfselen van sterren (behalve zwarte gaten), kunnen magnetische velden hebben die miljarden keren sterker zijn dan die in typische sterren. Onder hen valt een zeldzame klasse op, genaamd magnetars, die beschikken over de sterkste magnetische velden die tot nu toe in het heelal zijn waargenomen, tot wel 1015 G of meer. Deze extreem krachtige velden kunnen ongebruikelijke, gewelddadige verschijnselen veroorzaken—sterbevingen (Engels starquakes), gigantische uitbarstingen en gammastralingsuitbarstingen die tijdelijk hele sterrenstelsels overschaduwen. In dit artikel zullen we de fysica van magnetars, de waargenomen kenmerken en de extreme processen die hun uitbarstingen en oppervlakte-activiteit veroorzaken, onderzoeken.

1. Aard en vorming van magnetars

1.1 Ontstaan als neutronenster

Magnetar is in wezen een neutronenster die ontstaat tijdens een kerninstortingssupernova, wanneer de ijzeren kern van een zware ster instort. Tijdens de instorting kan een deel van het rotatiemoment en magnetische flux van de sterkern worden samengeperst tot een uitzonderlijk hoog niveau. Gewone neutronensterren hebben velden van 10^9–1012 G, terwijl magnetars deze kunnen verhogen tot 1014–1015 G, of mogelijk nog meer [1,2].

1.2 Dynamo-hypothese

Zeer sterke magnetische velden in magnetars kunnen voortkomen uit het dynamo-mechanisme in de vroege proto-neutronensterfase:

  1. Snelle rotatie: Als een pasgeboren neutronenster aanvankelijk roteert met een millisecondeperiode, kunnen convectie en differentiële rotatie het magnetisch veld buitengewoon versterken.
  2. Kortdurende dynamo: Zo'n convectieve dynamo kan enkele seconden tot minuten na de instorting actief zijn en de magnetar-niveau velden bepalen.
  3. Magnetische remming: Gedurende enkele duizenden jaren vertragen krachtige velden de rotatie van de ster sterk, waardoor een langzamere rotatieperiode overblijft dan bij typische radio pulsars [3].

Niet alle neutronensterren worden magnetars—alleen die waarvan de initiële rotatie- en kernparameters het extreem versterken van de velden mogelijk maken.

1.3 Duur en zeldzaamheid

Magnetars behouden hun extreem sterke velden ongeveer 104–105 jaar. Naarmate de ster ouder wordt, kan verval van het magnetisch veld interne opwarming en uitbarstingen veroorzaken. Waarnemingen tonen aan dat magnetars vrij zeldzaam zijn—slechts enkele tientallen van dergelijke objecten zijn bevestigd of vermoed in de Melkweg en nabije sterrenstelsels [4].

2. Sterkte en effect van het magnetisch veld

2.1 Schalen van het magnetisch veld

Magnetarvelden overschrijden 1014 G, terwijl de velden van gewone neutronensterren 109–1012 G bereiken. Ter vergelijking, het magnetisch veld aan het aardoppervlak is ongeveer 0,5 G, en laboratoriummagneten overschrijden zelden enkele duizenden G. Magnetars houden dus het record voor de sterkste permanente velden in het heelal.

2.2 Kwantumelektrodynamica en fotonensplitsing

Wanneer velden \(\gtrsim 10^{13}\) G zijn, worden kwantumelektrodynamische (QED) effecten belangrijk (bijv. vacuüm birefringentie, fotonensplitsing). Fotonensplitsing en veranderingen in polarisatie kunnen beïnvloeden hoe straling de magnetosfeer van de magnetar verlaat, waardoor spectrale eigenschappen veranderen, vooral in de röntgen- en gammastralen [5].

2.3 Spanningen en "sterbevingen"

Zeer sterke interne en korstvervormende magnetische velden kunnen de korst van een neutronenster spannen tot breuk. Sterbevingen (starquakes)—plotselinge breuken in de korst—kunnen magnetische velden herschikken en uitbarstingen of grote stromen van energierijke fotonen veroorzaken. Een plotselinge spanningsontlading kan ook de rotatiesnelheid van de ster licht veranderen, wat detecteerbare rotatieperiode-"trillingen" achterlaat.

3. Waargenomen kenmerken van magnetars

3.1 Soft Gamma Repeaters (SGR)

Al voordat de term "magnetar" gangbaar werd, waren bepaalde Soft Gamma Repeaters (SGR) bekend vanwege intermitterende gamma- of harde röntgenuitbarstingen die onregelmatig terugkeerden. Die uitbarstingen duren meestal van fracties van een seconde tot enkele seconden, met een gemiddelde piekhelderheid. Nu begrijpen we dat SGR's magnetars in rusttoestand zijn, soms verstoord door "sterbevingen" of herstructurering van het magnetisch veld [6].

3.2 Anomalous X-ray pulsars (AXP)

Een andere klasse, anomalous X-ray pulsars (AXP), zijn neutronensterren met een rotatieperiode van enkele seconden, maar hun röntgenlicht is te sterk om alleen door rotatievertraging verklaard te worden. Extra energie komt waarschijnlijk van het verval van het magnetisch veld, dat de röntgenstraling voedt. Veel AXP vertonen ook uitbarstingen die lijken op SGR-episoden, wat hun magnetar-natuur bevestigt.

3.3 Enorme uitbarstingen

Magnetars zenden soms enorme uitbarstingen uit—vooral energetische gebeurtenissen waarvan de piekhelderheid tijdelijk 1046 erg·s−1 kan overschrijden. Voorbeelden: de uitbarsting van 1998 van SGR 1900+14 en de uitbarsting van 2004 van SGR 1806–20, waarbij laatstgenoemde zelfs de ionosfeer van de Aarde beïnvloedde vanaf 50.000 lichtjaar afstand. Tijdens zulke uitbarstingen wordt vaak een heldere initiële sprong waargenomen, gevolgd door een reeks pulsen die worden gemoduleerd door de rotatie van de ster.

3.4 Rotatie en rotatie-"trillingen"

Net als pulsars kunnen magnetars periodieke pulsen tonen volgens de rotatiefrequentie, maar met langzamere gemiddelde perioden (~2–12 s). Het verval van het magnetisch veld legt een extra remmend koppel op de rotatie, waardoor ze sneller vertragen dan gewone pulsars. Af en toe kunnen "trillingen" (plotselinge veranderingen in rotatiefrequentie) optreden na scheuren in de korst. Door deze rotatieveranderingen te observeren, kunnen we de interne interactie tussen de korst en de supervloeibare kern inschatten.

4. Verval van magnetisch veld en activiteitsmechanismen

4.1 Warmte door veldverval

Zeer sterke magnetars vervallen geleidelijk hun velden, waarbij ze energie vrijgeven als warmte. Deze interne opwarming kan oppervlaktetemperaturen handhaven van honderden duizenden tot miljoenen kelvin—veel hoger dan normaal afkoelende neutronensterren van dezelfde leeftijd. Deze opwarming veroorzaakt constante röntgenstraling.

4.2 Hall-drift en ambipolaire diffusie in korsten

Niet-lineaire interacties in de korst en kern—Hall-drift (de wisselwerking tussen elektronenstroom en magnetisch veld) en ambipolaire diffusie (beweging van geladen deeltjes als reactie op het veld)—kunnen de velden herschikken over een periode van 103–106 jaar, waarbij ze flitsen en intensere straling voeden [7].

4.3 Sterbevingen en magnetische omschakeling

De spanning die door de veldontwikkeling wordt veroorzaakt, kan korstbreuken veroorzaken die plotseling energie vrijgeven – dit zijn sterbevingen. Dergelijke breuken kunnen de magnetosferische velden herstructureren, wat omschakelingsgebeurtenissen of grote flitsen veroorzaakt. Modellen vergelijken deze processen met zonnevlammen, maar dan op veel grotere schaal. Na een flits kan het herstel de rotatiefrequentie of het karakter van de magnetosferische straling veranderen.

5. Evolutie van magnetars en eindstadia

5.1 Langdurige vervaging

Per 105–106 jarige magnetars evolueren waarschijnlijk naar meer gewone neutronensterren, omdat de velden verzwakken tot ~1012 G. Dan worden de actieve fenomenen van de ster (flitsen, enorme uitbarstingen) zeldzaam. Uiteindelijk koelt zo'n ster af en neemt haar röntgenstraling af, waardoor ze gaat lijken op een oudere "dode" pulsar met slechts een relatief klein overgebleven magnetisch veld.

5.2 Binaire interacties?

Binaire systemen met magnetars worden zelden waargenomen, maar sommige van dergelijke paren kunnen bestaan. Als een magnetar een nabije stercompagnon heeft, kan massatransfer extra flitsen veroorzaken of de rotatie-evolutie veranderen. Toch kunnen observatie"gaten" of een korte levensduur van magnetars verklaren waarom er momenteel zeer weinig van zulke binaire systemen bekend zijn.

5.3 Mogelijke samensmeltingen

Theoretisch zou een magnetar kunnen samensmelten met een andere neutronenster of zwart gat, waarbij gravitatiegolven worden uitgezonden en mogelijk een korte gammaflits veroorzaken. Dergelijke gebeurtenissen zouden waarschijnlijk de typische magnetar-flitsen qua vrijgekomen energie ver overtreffen. In observaties blijft dit speculatie, maar samensmeltingen van neutronensterren met zeer sterke velden zouden unieke "kosmische laboratoria" zijn.

6. Betekenis voor de astrofysica

6.1 Gammaflitsen

Sommige korte of lange gammaflitsen zouden gevoed kunnen worden door magnetaren die ontstaan zijn bij kerninstorting of fusie-incidenten. Zeer snel roterende “milliseconde magnetaren” kunnen enorme rotatie-energie vrijmaken, die een GRB-jet aandrijft of vormt. Waarnemingen van de “afterglow plateau” van sommige GRB’s komen overeen met extra energievoorziening van een pasgeboren magnetaar.

6.2 Ultraheldere röntgenbronnen?

Sterke B-velden kunnen krachtige uitstromingen of stralingsconcentraties veroorzaken, die sommige ultraheldere röntgenbronnen (ULX) kunnen verklaren, als accretie plaatsvindt op een neutronenster met een veld vergelijkbaar met dat van een magnetaar. In zulke systemen kan de helderheid de gebruikelijke Eddington-limiet overschrijden, vooral als de straling gefocust is [8].

6.3 Onderzoek naar dichte materie en QED

Extreme omstandigheden aan het oppervlak van een magnetaar maken het mogelijk QED in sterke velden te bestuderen. Waarnemingen van polarisatie of spectrale lijnen kunnen vacuüm birefringentie of foton-splijting aantonen—fenomenen die niet reproduceerbaar zijn in aardse laboratoria. Dit helpt bij het verfijnen van kernfysica en kwantumveldentheorieën onder ultradense omstandigheden.

7. Waarnemingscampagnes en toekomstige studies

  1. Swift en NICER: Waarnemingen van magnetar-uitbarstingen in röntgen- en gamma-bereiken.
  2. NuSTAR: Gevoeligheid in het harde röntgenspectrum, helpt bij het detecteren van hoogenergetische straling van flitsen of gigantische uitbarstingen.
  3. Radiozoektochten: Sommige magnetaren zenden soms radio-impulsen uit, waarmee magnetaren en gewone pulsars in één populatie worden verbonden.
  4. Optische/IR waarnemingen: Zeldzame optische of IR tegenhangers zijn zeer zwak, maar kunnen straalstromen of stofuitstraling na flitsen tonen.

Toekomstige of geplande observatoria, zoals Europees ATHENA (röntgengebied), beloven nog diepere inzichten: het bestuderen van zwakkere magnetaren of het in realtime vastleggen van het begin van een gigantische flits.

8. Conclusie

Magnetaren zijn extremen voorbeelden in de fysica van neutronensterren. Hun ongelooflijke magnetische velden, tot 1015 G, veroorzaken gewelddadige uitbarstingen, sterbevingen en onstuitbare gammaflitsen. Ontstaan uit de instorting van zware sterren onder bijzondere omstandigheden (snelle rotatie, gunstige dynamo-werking), zijn magnetaren kortlevende kosmische fenomenen die het helderst schijnen gedurende ~104–105 jaar, totdat het veld vervalt en de activiteit afneemt.

In observatiezin vertegenwoordigen zachte gamma-herhalers en anomalous X-ray pulsars magnetars in verschillende toestanden, die soms indrukwekkende gigantische uitbarstingen uitzenden, zelfs waarneembaar vanaf de aarde. Het onderzoek naar deze objecten breidt onze kennis uit over kwantumelektrodynamica in extreem sterke velden, de structuur van nucleaire materie en processen die uitbarstingen van neutrino's, gravitatiegolven en elektromagnetische erupties kunnen veroorzaken. Met de vooruitgang in veldvervalmodellen en het observeren van magnetar-uitbarstingen met steeds geavanceerdere multi-golflengte-instrumenten, zullen magnetars blijven openen tot enkele van de meest exotische onderzoeksgebieden in de astrofysica—daar waar materie, velden en fundamentele krachten samenkomen in verbluffende extremen.

Links en verdere lectuur

  1. Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). “Vorming van zeer sterk gemagnetiseerde neutronensterren: Implicaties voor gamma-ray bursts.” The Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
  2. Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). “De soft gamma repeaters als zeer sterk gemagnetiseerde neutronensterren – I. Stralingsmechanisme voor uitbarstingen.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
  3. Kouveliotou, C., et al. (1998). “Een röntgenpulsar met een supersterk magnetisch veld in de soft gamma-ray repeater SGR 1806-20.” Nature, 393, 235–237.
  4. Mereghetti, S. (2008). “De sterkste kosmische magneten: Soft Gamma-ray Repeaters en Anomalous X-ray Pulsars.” Astronomy & Astrophysics Review, 15, 225–287.
  5. Harding, A. K., & Lai, D. (2006). “Fysica van sterk gemagnetiseerde neutronensterren.” Reports on Progress in Physics, 69, 2631–2708.
  6. Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). “Magnetars.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.
  7. Pons, J. A., et al. (2009). “Evolutie van het magnetisch veld in neutronensterkruimels.” Physical Review Letters, 102, 191102.
  8. Bachetti, M., et al. (2014). “Een ultralumineuze röntgenbron aangedreven door een accreterende neutronenster.” Nature, 514, 202–204.
  9. Woods, P. M., & Thompson, C. (2006). “Zachte gamma-herhalers en anomalous X-ray pulsars: Magnetar kandidaten.” Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge University Press, 547–586.
Keer terug naar de blog