Magnetarai: Ekstremalūs magnetiniai laukai

Магнетарай: Экстремальные магнитные поля

Редкий тип нейтронных звёзд с чрезвычайно сильными магнитными полями, вызывающий мощные «звёздные землетрясения»

Нейтронные звёзды, уже и так самые плотные известные звёздные остатки (за исключением чёрных дыр), могут иметь магнитные поля, в миллиарды раз сильнее, чем в типичных звёздах. Среди них выделяется редкий класс, называемый магнетарами, который характеризуется самыми сильными на сегодняшний день в Вселенной наблюдаемыми магнитными полями, достигающими даже 1015 Г или более. Эти чрезвычайно мощные поля могут вызывать необычные, насильственные явления — звёздные землетрясения (англ. starquakes), гигантские вспышки и всплески гамма-излучения, временно затмевающие целые галактики. В этой статье мы рассмотрим физику магнетаров, наблюдаемые признаки и экстремальные процессы, вызывающие их извержения и активность на поверхности.

1. Природа и формирование магнитаров

1.1 Рождение как нейтронная звезда

Магнитар по сути является нейтронной звездой, формирующейся во время суперновы с коллапсом ядра, когда железное ядро массивной звезды коллапсирует. Во время коллапса часть углового момента вращения ядра и магнитного потока может быть сжата до чрезвычайно высокого уровня. Обычные нейтронные звезды имеют поля 10^9–1012 Г, а магнитары могут увеличить их до 1014–1015 Г и, возможно, даже больше [1,2].

1.2 Гипотеза динамо

Чрезвычайно сильные магнитные поля у магнитаров могут возникать из механизма динамо на ранней фазе протонейтронной звезды:

  1. Быстрое вращение: Если новорожденная нейтронная звезда изначально вращается с периодом в миллисекунды, конвекция и дифференциальное вращение могут чрезвычайно усилить магнитное поле.
  2. Кратковременное динамо: Такой конвективный динамо может работать несколько секунд или минут после коллапса, формируя поля уровня магнитара.
  3. Магнитное торможение: В течение нескольких тысяч лет мощные поля значительно замедляют вращение звезды, оставляя более длительный период вращения, чем у типичных радиопульсаров [3].

Не все нейтронные звезды становятся магнитарами — только те, у которых начальные параметры вращения и ядра позволяют экстремально усилить поля.

1.3 Продолжительность и редкость

Магнитары сохраняют свои чрезвычайно сильные поля примерно 104–105 лет. По мере старения звезды затухание магнитного поля может вызывать внутренний нагрев и вспышки. Наблюдения показывают, что магнитары довольно редки — в Млечном Пути и близлежащих галактиках подтверждено или предполагается всего несколько десятков таких объектов [4].

2. Сила магнитного поля и его влияние

2.1 Масштабы магнитного поля

Поля магнитаров превышают 1014 Г, в то время как поля обычных нейтронных звезд достигают 109–1012 Г. Для сравнения, магнитное поле поверхности Земли составляет около 0,5 Г, а лабораторные магниты редко превышают несколько тысяч Г. Таким образом, магнитары держат рекорд по самым сильным постоянным полям во Вселенной.

2.2 Квантовая электродинамика и распад фотонов

Когда поля \(\gtrsim 10^{13}\) Г, важны явления квантовой электродинамики (QED) (например, двойное преломление вакуума, распад фотонов). Распад фотонов и изменения поляризации могут влиять на выход излучения из магнитосферы магнетара, изменяя спектральные характеристики, особенно в рентгеновском и гамма-диапазонах [5].

2.3 Напряжения и "звёздные землетрясения"

Очень сильные внутренние и воздействующие на кору магнитные поля могут напрягать кору нейтронной звезды до разрыва. Звёздные землетрясения (англ. starquakes) — внезапные разрывы коры — могут перестраивать магнитные поля и вызывать вспышки или потоки фотонов высокой энергии. Внезапное освобождение напряжения также может немного изменить скорость вращения звезды, оставляя обнаруживаемые "рывки" периода вращения.

3. Наблюдаемые признаки магнетаров

3.1 Повторяющиеся мягкие гамма-излучения (SGR)

Ещё до того, как утвердилось слово "магнетар", некоторые повторяющиеся мягкие гамма-излучения (англ. Soft Gamma Repeaters, SGR) были известны благодаря прерывистым вспышкам гамма- или жёсткого рентгеновского излучения, повторяющимся нерегулярно. Эти вспышки обычно длятся от долей секунды до нескольких секунд с средней пиковой яркостью. Сейчас мы понимаем, что SGR — это магнетары в состоянии покоя, иногда нарушаемые "звёздными землетрясениями" или перестройкой магнитного поля [6].

3.2 Аномальные рентгеновские пульсары (AXP)

Другой класс, аномальные рентгеновские пульсары (AXP), — это нейтронные звёзды с периодом вращения в несколько секунд, но их рентгеновское излучение слишком велико, чтобы объясняться только замедлением вращения. Дополнительная энергия, по-видимому, исходит от распада магнитного поля, питающего рентгеновское излучение. Многие AXP также демонстрируют вспышки, напоминающие эпизоды SGR, подтверждая их магнетарную природу.

3.3 Огромные вспышки

Магнетары иногда излучают огромные вспышки — особенно энергетические события, пиковая яркость которых кратковременно может превышать 1046 эрг·с−1. Примеры: вспышка 1998 года от SGR 1900+14 и вспышка 2004 года от SGR 1806–20, последняя даже повлияла на ионосферу Земли, находясь на расстоянии 50 000 световых лет. Во время таких вспышек часто наблюдается резкий скачок начальной фазы, за которым следует цепочка пульсаций, модулируемых вращением звезды.

3.4 Вращение и "рывки" вращения

Как и пульсары, магнетары могут показывать периодические импульсы в соответствии с частотой вращения, но с более медленными средними периодами (~2–12 с). Распад магнитного поля накладывает дополнительный тормозящий момент на вращение, поэтому они замедляются быстрее, чем обычные пульсары. Иногда "рывки" (внезапные изменения частоты вращения) могут происходить после трещин в коре. Наблюдая эти изменения вращения, мы можем оценить внутреннее взаимодействие между корой и сверхтекучим ядром.

4. Распад магнитного поля и механизмы активности

4.1 Тепло от распада поля

Очень сильные магнитары постепенно разлагают свои поля, высвобождая энергию в виде тепла. Этот внутренний нагрев может поддерживать температуры поверхности в сотни тысяч или миллионы кельвинов — значительно выше, чем у обычно остывающих нейтронных звёзд того же возраста. Такой нагрев вызывает постоянное рентгеновское излучение.

4.2 Дрейф Холла и амбиполярная диффузия в коре

Нелинейные взаимодействия в коре и ядре — дрейф Холла (взаимодействие потока электронов и магнитного поля) и амбиполярная диффузия (движение заряженных частиц под воздействием поля) — могут перестраивать поля в течение 103–106 лет, подпитывая вспышки и более сильное свечение [7].

4.3 Звёздные землетрясения и магнитное переключение

Напряжение, вызванное эволюцией поля, может вызывать разломы коры, высвобождающие внезапную энергию — это и есть звёздные землетрясения. Такие разломы могут перестраивать магнитосферные поля, вызывая события переключения или крупные вспышки. Модели сравнивают эти процессы с солнечными вспышками, но на значительно больших масштабах. После вспышки восстановление может изменить частоту вращения или характер излучения магнитосферы.

5. Эволюция магнитаров и конечные стадии

5.1 Длительное затухание

За 105–106 магнитары возрастом в годы, вероятно, эволюционируют в более обычные нейтронные звёзды, поскольку поля ослабевают до ~1012 Г. Тогда активные явления звезды (вспышки, гигантские извержения) становятся редкими. В конечном итоге такая звезда остывает, и её рентгеновское излучение уменьшается, она начинает походить на более старый «мертвый» пульсар с относительно небольшим остаточным магнитным полем.

5.2 Взаимодействия в двойных системах?

Двойных систем с магнитарами наблюдается немного, но некоторые такие пары, возможно, существуют. Если у магнитара есть близкий звёздный компаньон, перенос массы мог бы вызывать дополнительные вспышки или изменять эволюцию вращения. Тем не менее, «пробелы» в наблюдениях или короткий срок жизни магнитаров могут объяснить, почему в настоящее время известно очень мало таких двойных систем.

5.3 Возможные слияния

Теоретически, магнитар мог бы сливаться с другой нейтронной звездой или чёрной дырой, излучая гравитационные волны и, возможно, вызывая короткий всплеск гамма-излучения. Такие события, вероятно, значительно превосходили бы типичные вспышки магнитаров по выделяемой энергии. В наблюдениях это остаётся спекуляцией, однако слияние нейтронных звёзд с очень сильными полями стало бы уникальной «космической лабораторией».

6. Значение для астрофизики

6.1 Гамма-всплески

Некоторые короткие или длинные гамма-всплески могут питаться магнетарами, образовавшимися в результате коллапса ядра или слияния. Очень быстро вращающиеся «миллисекундные магнетары» могут высвобождать огромную энергию вращения, вызывая или формируя струю GRB. Наблюдения «плато послесвечения» некоторых GRB соответствуют дополнительному питанию энергией от новорожденного магнетара.

6.2 Очень яркие рентгеновские источники?

Сильные магнитные поля B могут вызывать мощные выбросы или фокусировку излучения, что может объяснить некоторые очень яркие рентгеновские источники (ULX), если аккреция происходит на нейтронную звезду с полем, близким к магнетарному. В таких системах светимость может превышать обычный предел Эддингтона, особенно если излучение сфокусировано [8].

6.3 Исследования плотной материи и QED

Экстремальные условия на поверхности магнетара позволяют изучать QED в сильных полях. Наблюдения поляризации или спектральных линий могут показать вакуумную двусмысленность или распад фотонов — явления, невозможные для воспроизведения в земных лабораториях. Это помогает совершенствовать теории ядерной физики и квантового поля в условиях ультраплотной материи.

7. Кампании наблюдений и будущие исследования

  1. Swift и NICER: Наблюдение за выбросами магнетаров в рентгеновском и гамма-диапазонах.
  2. NuSTAR: Чувствительность к жесткому рентгеновскому диапазону, помогающая фиксировать высокоэнергетическое излучение от вспышек или гигантских выбросов.
  3. Радиопоиск: Некоторые магнетары иногда излучают радиосигналы, связывая магнетары и обычные пульсары в одной популяции.
  4. Оптические/ИК наблюдения: Редкие оптические или ИК аналоги очень слабы, но могут показать струи или пылевое послесвечение после вспышек.

Будущие или планируемые обсерватории, например, Европейская ATHENA (диапазон рентгеновских лучей), обещают ещё более глубокие открытия: изучать более слабые магнетары или фиксировать начало гигантского всплеска в реальном времени.

8. Заключение

Магнетары являются крайними примерами физики нейтронных звезд. Их невероятные магнитные поля до 1015 Г, вызывают мощные вспышки, звездотрясения и неудержимые гамма-всплески. Образовавшиеся из коллапса массивных звезд в особых условиях (быстрое вращение, благоприятный динамо-эффект), магнетары — краткоживущие космические явления, наиболее ярко светящиеся в течение ~104–105 лет, пока распад поля не снижает активность.

В наблюдательном плане мягкие гамма-повторы и аномальные рентгеновские пульсары представляют собой магнетары в различных состояниях, иногда испускающие впечатляющие гигантские вспышки, заметные даже на Земле. Исследования этих объектов расширяют наши знания о квантовой электродинамике в экстремально сильных полях, структуре ядерной материи и процессах, способных вызвать всплески нейтрино, гравитационных волн и электромагнитных извержений. По мере совершенствования моделей распада поля и наблюдения за извержениями магнетаров с помощью всё более продвинутых многочастотных инструментов, магнетары продолжат открывать одни из самых экзотических областей астрофизики — там, где материя, поля и фундаментальные силы сливаются в поразительных крайностях.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). «Формирование очень сильно магнитизированных нейтронных звезд: последствия для гамма-всплесков.» The Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
  2. Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). «Мягкие гамма-повторы как очень сильно магнитизированные нейтронные звезды – I. Радиационный механизм вспышек.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
  3. Kouveliotou, C., et al. (1998). «Рентгеновский пульсар с сверхсильным магнитным полем в мягком гамма-повторе SGR 1806-20.» Nature, 393, 235–237.
  4. Mereghetti, S. (2008). «Самые сильные космические магниты: мягкие гамма-повторы и аномальные рентгеновские пульсары.» Astronomy & Astrophysics Review, 15, 225–287.
  5. Harding, A. K., & Lai, D. (2006). «Физика сильно магнитизированных нейтронных звезд.» Reports on Progress in Physics, 69, 2631–2708.
  6. Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). «Магнетары.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.
  7. Pons, J. A., et al. (2009). «Эволюция магнитного поля в корках нейтронных звезд.» Physical Review Letters, 102, 191102.
  8. Bachetti, M., et al. (2014). «Ультраллюминесцентный рентгеновский источник, питаемый аккрецирующей нейтронной звездой.» Nature, 514, 202–204.
  9. Woods, P. M., & Thompson, C. (2006). «Мягкие гамма-повторы и аномальные рентгеновские пульсары: кандидаты в магнетары.» Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge University Press, 547–586.
Вернуться в блог