Magnetarai: Ekstremalūs magnetiniai laukai

Магнетараї: Екстремальні магнітні поля

Рідкісний тип нейтронних зір із надзвичайно сильними магнітними полями, що викликає потужні «зоряні землетруси»

Нейтронні зорі, вже й так найщільніші відомі зоряні залишки (окрім чорних дір), можуть мати магнітні поля, мільярди разів сильніші за типові зорі. Серед них виділяється рідкісний клас, званий магнетарами, який характеризується найсильнішими на сьогодні у Всесвіті спостережуваними магнітними полями, що досягають навіть 1015 Гаус або більше. Ці надпотужні поля можуть викликати незвичайні, насильницькі явища — зоряні землетруси (англ. starquakes), гігантські спалахи та спалахи гамма-променів, які тимчасово затуляють цілі галактики. У цій статті ми розглянемо фізику магнетарів, спостережувані ознаки та екстремальні процеси, що призводять до їх вивержень і поверхневої активності.

1. Природа та формування магнетарів

1.1 Народження як нейтронна зірка

Магнетар по суті є нейтронною зіркою, що формується під час супернової колапсу ядра, коли залізне ядро масивної зірки руйнується. Під час колапсу частина моменту обертання ядра зірки та магнітного потоку може бути стиснена до надзвичайно високого рівня. Звичайні нейтронні зірки мають поля 10^9–1012 Г, а магнетари можуть збільшувати їх до 1014–1015 Г, а можливо й більше [1,2].

1.2 Гіпотеза динамо

Надзвичайно великі магнітні поля у магнетарах можуть виникати з механізму динамо на ранній фазі протонейтронної зірки:

  1. Швидке обертання: Якщо новонароджена нейтронна зірка спочатку обертається з мілісекундним періодом, конвекція та диференційне обертання можуть надзвичайно посилити магнітне поле.
  2. Короткочасний динамо: Такий конвекційний динамо може діяти кілька секунд або хвилин після колапсу, встановлюючи поля рівня магнетара.
  3. Магнітне гальмування: Протягом кількох тисяч років потужні поля значно сповільнюють обертання зірки, залишаючи повільніший період обертання, ніж у типових радіопульсарів [3].

Не всі нейтронні зірки стають магнетарами — лише ті, у яких початкові параметри обертання та ядра дозволяють екстремально посилити поля.

1.3 Тривалість і рідкість

Магнетари зберігають свої надзвичайно сильні поля приблизно 104–105 років. Зі старінням зірки розпад магнітного поля може спричинити внутрішнє нагрівання та викиди. Спостереження показують, що магнетари досить рідкісні — у Чумацькому Шляху та близьких галактиках підтверджено або підозрюється лише кілька десятків таких об’єктів [4].

2. Сила магнітного поля та його вплив

2.1 Масштаби магнітного поля

Поля магнетарів перевищують 1014 Г, тоді як поля звичайних нейтронних зірок сягають 109–1012 Г. Для порівняння, магнітне поле поверхні Землі становить близько ~0,5 Г, а лабораторні магніти рідко перевищують кілька тисяч Г. Отже, магнетари тримають рекорд за найсильнішими постійними полями у Всесвіті.

2.2 Квантова електродинаміка та розпад фотонів

Коли поля \(\gtrsim 10^{13}\) Г, важливими стають явища квантової електродинаміки (QED) (наприклад, вакуумний двовідлам, розпад фотонів). Розпад фотонів і зміни поляризації можуть впливати на те, як випромінювання виходить із магнітосфери магнетара, змінюючи спектральні властивості, особливо в рентгенівському та гамма-діапазонах [5].

2.3 Напруги та «зоряні землетруси»

Надзвичайно сильні внутрішні та кору впливаючі магнітні поля можуть напружувати кору нейтронної зорі до розриву. Зоряні землетруси (англ. starquakes) — раптові розриви кори — можуть перебудовувати магнітні поля та викликати спалахи або потоки фотонів великої енергії. Раптове звільнення напруги також може трохи змінити швидкість обертання зірки, залишаючи виявлені «ривки» періоду обертання.

3. Спостережувані ознаки магнетарів

3.1 М’які гамма-повторювачі (SGR)

Ще до того, як утвердилося слово «магнетар», певні м’які гамма-повторювачі (англ. Soft Gamma Repeaters, SGR) були відомі через періодичні спалахи гамма- або жорстких рентгенівських променів, що повторювалися нерегулярно. Ці спалахи зазвичай тривають від частки секунди до кількох секунд із середньою піковою яскравістю. Зараз ми розуміємо, що SGR — це магнетари у стані спокою, іноді порушувані «землетрусами зірки» або перебудовою магнітного поля [6].

3.2 Аномальні рентгенівські пульсари (AXP)

Інший клас, аномальні рентгенівські пульсари (AXP), це нейтронні зорі, період обертання яких триває кілька секунд, але їх рентгенівське світло надто яскраве, щоб пояснити це лише уповільненням обертання. Додаткова енергія, ймовірно, походить від розпаду магнітного поля, що живить рентгенівське випромінювання. Багато AXP також демонструють спалахи, схожі на епізоди SGR, підтверджуючи їх магнетарну природу.

3.3 Гігантські спалахи

Магнетари іноді випромінюють гігантські спалахи — особливо енергетичні події, піковий яскравість яких короткочасно може перевищувати 1046 ерг·с−1. Приклади: спалах 1998 року від SGR 1900+14 і спалах 2004 року від SGR 1806–20, останній навіть вплинув на іоносферу Землі, перебуваючи за 50 000 світлових років. Під час таких спалахів часто спостерігається яскравий початковий стрибок, за яким слідує ланцюг пульсацій, модуляція яких пов’язана з обертанням зірки.

3.4 Обертання та «ривки» обертання

Як і пульсари, магнетари можуть показувати періодичні імпульси відповідно до частоти обертання, але з повільнішими середніми періодами (~2–12 с). Розпад магнітного поля накладає додатковий момент гальмування обертання, тому вони сповільнюються швидше, ніж звичайні пульсари. Іноді «ривки» (раптові зміни частоти обертання) можуть відбуватися після тріщин кори. Спостерігаючи ці зміни обертання, ми можемо оцінити внутрішню взаємодію між корою та надрідким ядром.

4. Іржавіння магнітного поля та механізми активності

4.1 Тепло від іржавіння поля

Надзвичайно сильні магнетари поступово іржавіють свої поля, вивільняючи енергію у вигляді тепла. Це внутрішнє нагрівання може підтримувати поверхневі температури в сотні тисяч або мільйони кельвінів — значно вищі, ніж у звичайних нейтронних зірок того ж віку. Таке нагрівання спричиняє постійне рентгенівське випромінювання.

4.2 Дрейф Холла та амбіполярна дифузія в корі

Нелінійні взаємодії в корі та ядрі — дрейф Холла (взаємодія електронного потоку та магнітного поля) і амбіполярна дифузія (рух заряджених частинок у відповідь на поле) — можуть перебудовувати поля протягом 103–106 років, живлячи спалахи та інтенсивне світло [7].

4.3 Зоряні землетруси та магнітне переключення

Напруга, спричинена еволюцією поля, може викликати розломи кори, що вивільняють раптову енергію — це і є зоряні землетруси. Такі розломи можуть перебудовувати магнітосферні поля, спричиняючи події переключення або великі спалахи. Моделі порівнюють ці процеси з сонячними спалахами, але на значно більших масштабах. Після спалаху відновлення може змінити частоту обертання або характер випромінювання магнітосфери.

5. Еволюція магнетарів і кінцеві стадії

5.1 Тривале тьмяні́ння

Протягом 105–106 магнетари віком років, ймовірно, еволюціонують у більш звичайні нейтронні зорі, оскільки поля слабшають до ~1012 Г. Тоді активні явища зорі (спалахи, гігантські викиди) стають рідкісними. Зрештою така зоря охолоджується і зменшується її рентгенівське випромінювання, вона починає нагадувати старший «мертвий» пульсар із відносно невеликим залишковим магнітним полем.

5.2 Взаємодії двійкових систем?

Двійкових систем з магнетарами спостерігається небагато, але деякі такі пари, можливо, існують. Якщо магнетар має близьку зоряну компаньйонку, передача маси могла б викликати додаткові спалахи або змінити еволюцію обертання. Проте, спостережні «прогалини» або короткий життєвий цикл магнетарів можуть пояснити, чому наразі відомо дуже мало таких двійкових систем.

5.3 Можливі злиття

Теоретично, магнетар міг би злитись з іншою нейтронною зіркою або чорною дірою, випромінюючи гравітаційні хвилі і, можливо, спричиняючи короткий спалах гамма-променів. Такі події, ймовірно, значно перевищували б типові спалахи магнетарів за вивільненою енергією. У спостереженнях це залишається спекуляцією, але злиття нейтронних зірок з дуже сильними полями створило б унікальні «космічні лабораторії».

6. Значення для астрофізики

6.1 Гамма-спалахи

Деякі короткі або довгі гамма-спалахи можуть живитися магнетарами, що утворилися під час колапсу ядра або злиття. Надшвидко обертові «мілісекундні магнетари» можуть вивільняти величезну енергію обертання, що спричиняє або формує струмінь GRB. Спостереження «плато післясвітіння» деяких GRB відповідають додатковому постачанню енергії від новонародженого магнетара.

6.2 Надяскраві рентгенівські джерела?

Великі магнітні поля B можуть спричиняти сильні викиди або фокусування випромінювання, що може пояснити деякі надяскраві рентгенівські джерела (ULX), якщо акреція відбувається на нейтронну зірку з полем, близьким до магнетарного. У таких системах світність може перевищувати звичайний поріг Еддінгтона, особливо якщо випромінювання сфокусоване [8].

6.3 Дослідження щільної матерії та QED

Екстремальні умови на поверхні магнетара дозволяють досліджувати QED у сильних полях. Спостереження поляризації чи спектральних ліній можуть показати вакуумний двозначність або розпад фотонів — явища, які неможливо відтворити в земних лабораторіях. Це допомагає вдосконалювати теорії ядерної фізики та квантового поля в ультрагустих умовах.

7. Кампанії спостережень і майбутні дослідження

  1. Swift і NICER: Спостереження викидів магнетарів у рентгенівському та гамма-діапазонах.
  2. NuSTAR: Чутливість до твердого рентгенівського діапазону, що допомагає фіксувати високоенергетичне випромінювання від спалахів чи гігантських викидів.
  3. Радіопошуки: Деякі магнетари іноді випромінюють радіоімпульси, пов’язуючи магнетари та звичайні пульсари в одній популяції.
  4. Оптичні/ІЧ спостереження: Рідкісні оптичні чи ІЧ відповідники дуже тьмяні, але можуть показати струмені або пилове випромінювання після спалахів.

Майбутні або заплановані обсерваторії, наприклад, Європейська ATHENA (X-променева область), обіцяють ще глибші інсайти: досліджувати слабші магнетари або в реальному часі зафіксувати початок гігантського спалаху.

8. Висновок

Магнетари є крайніми прикладами фізики нейтронних зірок. Їхні неймовірні магнітні поля, що досягають 1015 Г, спричиняють насильницькі викиди, зіркові землетруси та невгамовні гамма-спалахи. Утворені в особливих умовах колапсу масивних зірок (швидке обертання, сприятлива дія динамо), магнетари є короткоживучими космічними явищами, що найяскравіше світяться протягом ~104–105 років, поки розпад поля не знижує активність.

З точки зору спостережень, м'які гамма-повторювачі та аномальні рентгенівські пульсари представляють магнетари в різних станах, іноді випромінюючи вражаючі гігантські спалахи, помітні навіть на Землі. Вивчення цих об'єктів розширює наші знання про квантову електродинаміку в надсильних полях, структуру ядерної матерії та процеси, які можуть викликати сплески нейтрино, гравітаційних хвиль і електромагнітних викидів. У міру вдосконалення моделей розпаду поля та спостереження за спалахами магнетарів за допомогою все більш досконалих багатохвильових інструментів, магнетари й надалі відкриватимуть одні з найекзотичніших куточків астрофізики — там, де матерія, поля та фундаментальні сили поєднуються в приголомшливих крайнощах.

Посилання та додаткове читання

  1. Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). “Формування дуже сильно намагнічених нейтронних зірок: наслідки для гамма-спалахів.” The Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
  2. Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). “М'які гамма-повторювачі як дуже сильно намагнічені нейтронні зірки – I. Радіаційний механізм спалахів.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
  3. Kouveliotou, C., et al. (1998). “Рентгенівський пульсар із надсильним магнітним полем у м'якому гамма-повторювачі SGR 1806-20.” Nature, 393, 235–237.
  4. Mereghetti, S. (2008). “Найсильніші космічні магніти: М'які гамма-повторювачі та аномальні рентгенівські пульсари.” Astronomy & Astrophysics Review, 15, 225–287.
  5. Harding, A. K., & Lai, D. (2006). “Фізика сильно намагнічених нейтронних зірок.” Reports on Progress in Physics, 69, 2631–2708.
  6. Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). “Магнетари.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.
  7. Pons, J. A., et al. (2009). “Еволюція магнітного поля в корі нейтронних зірок.” Physical Review Letters, 102, 191102.
  8. Bachetti, M., et al. (2014). “Ультралюмінесцентне рентгенівське джерело, живлене акреціюючою нейтронною зіркою.” Nature, 514, 202–204.
  9. Woods, P. M., & Thompson, C. (2006). “М'які гамма-повторювачі та аномальні рентгенівські пульсари: кандидати в магнетари.” Compact Stellar X-ray Sources, Cambridge University Press, 547–586.
Повернутися до блогу