Обычные пульсары показали свойства магнетаров


Что такое магнетар?

Здесь на Земле вы можете прожить долгую и счастливую жизнь, но во Вселенной есть места, где вы не протяните и пары секунд. Ничто не является более смертоносным, чем объекты, которые оставляют после себя сверхновые: нейтронные звёзды.

Как вы знаете, нейтронные звёзды образуются, когда звёзды более массивные, чем наше Солнце, взрываются как сверхновые. Когда эти звёзды погибают, они не могут противодействовать мощной гравитации и сжимаются до объектов диаметром в несколько десятков километров. В результате такого огромного давления внутри объекта образуются нейтроны.

В большинстве случаев вы получаете нейтронные звёзды первого типа – пульсары. Пульсар – это крошечная нейтронная звезда, которая вращается с огромной скоростью, порой достигающей нескольких сотен оборотов в секунду.

Однако примерно одна из десяти нейтронных звёзд становится чем-то действительно очень странным. Она становится магнетаром – наиболее загадочным и страшным объектом во Вселенной. Вы, наверное, слышали это слово, но что это такое?

Как я уже сказал, магнетары – это нейтронные звёзды, образовавшиеся в результате взрыва сверхновых. Но что же такого необычного происходит во время их формирования, что их магнитное поле превосходит магнитные поля любых других объектов в сотни, тысячи и даже миллионы раз? На самом деле, астрономы точно не знают, что делает магнитные поля магнетаров настолько мощными.

Согласно первой теории, если нейтронная звезда формируется быстро вращаясь, то совместная работа конвекции и вращения, которая имеет доминирующее влияние в первые несколько секунд существования нейтронной звезды, может привести к образованию мощного магнитного поля. Этот процесс известен учёным как “активное динамо”.

Однако в результате недавних исследований, астрономами была предложена вторая теория формирования магнетаров. Исследователи обнаружили магнетар, который в будущем покинет нашу галактику. Мы уже видели примеры убегающих звёзд, и все они приобретали свою траекторию в результате взрыва сверхновых в двойной системе. Другими словами, этот магнетар также являлся частью бинарной системы.

В такой системе две звезды вращаются друг около друга ближе, чем Земля вокруг Солнца. Это настолько близко, что материал в звёздах может перетекать туда и обратно. Сперва большая звезда начинает раздуваться и передавать материал меньшей звезде. Это увеличение массы приводит к увеличению размеров меньшей звезды и материал начинает перетекать обратно на первую звезду.

В конце концов одна из звёзд взрывается и выбрасывает другую звезду прочь из Млечного Пути, а на месте взрыва остаётся необычная нейтронная звезда, то есть все эти бинарные взаимодействия превратили нейтронную звезду в магнетар. Возможно это и есть решение загадки магнетара.

Магнитное поле магнетара действительно заставит вас испугаться. Магнитная индукция в центре Земли составляет около 25 Гаусс, а вот на поверхности планеты она не превышает 0,5 Гс. Обычная нейтронная звезда имеет магнитное поле с магнитной индукцией в несколько триллионов Гс. Магнетары же ещё в 1000 раз мощнее, чем нейтронные звёзды.

Одной из самых интересных особенностей магнетаров является то, что они могут испытывать звездотрясения. Вы знаете, что существуют землетрясения, но на звёздах – это будут звездотрясения. Когда магнетары образуются, они имеют более плотную внешнюю оболочку. Эта “нейтронная кора” может треснуть, подобно тектоническим плитам на Земле. Когда это происходит магнетар испускает пучок излучения, который мы можем увидеть на огромных расстояниях.

На самом деле, самое мощное из когда-либо зарегистрированных звездотрясений случилось с магнетаром под названием SGR 1806-20, который расположен примерно в 50 000 световых лет от Земли. В десятую долю секунды, этот магнетар выпустил больше энергии, чем Солнце производит за 100 000 лет. И это не был даже взрыв всего объекта, это была просто небольшая трещина на поверхности магнетара.

Магнетары являются удивительными и опасными объектами. К счастью, они находятся очень далеко, и вам не стоит беспокоиться об их влиянии на вашу жизнь.

Известные магнетары[править | править код]

27 декабря 2004 года, всплеск гамма-лучей, прибывших в нашу Солнечную систему от SGR 1806-20 (изображено в представлении художника
). Взрыв был настолько мощным, что воздействовал на атмосферу Земли на расстоянии свыше 50 000 световых лет.

По состоянию на март 2020 года было известно одиннадцать магнетаров, и ещё четыре кандидата ожидали подтверждения. Примеры известных магнетаров:

  • SGR 1806-20, расположенный на расстоянии около 50 тыс. световых лет от Земли на противоположной стороне нашей Галактики Млечный Путь в созвездии Стрельца. 27 декабря 2004 года, излучение от взрыва на поверхности SGR 1806-20 достигло Земли. В гамма-диапазоне взрыв был ярче полной луны. Магнетар за одну десятую долю секунды испустил больше энергии (1,3⋅1039), чем Солнце испускает за 100 000 лет (4⋅1026×3,2⋅1012 сек = 1,3⋅1039Дж). Такой всплеск считается крупнейшим взрывом в галактике после того, как взорвалась сверхновая SN 1604, которую наблюдал Иоганн Кеплер в 1604 году.
  • SGR 1900+14, отдалённый на 20 тыс. световых лет, находящийся в созвездии Орла. После длительного периода низких эмиссионных выбросов (существенные взрывы только в 1979 и 1993) активизировался в мае-августе 1998, и взрыв, обнаруженный 27 августа 1998 г., имел достаточную силу, чтобы заставить выключить космический аппарат NEAR Shoemaker в целях предотвращения ущерба. 29 мая 2008 года телескоп НАСА «Спитцер» обнаружил кольца материи вокруг этого магнетара. Считается, что это кольцо образовалось при взрыве, наблюдавшемся в 1998 году[12].
  • 1E 1048.1-5937 — аномальный рентгеновский пульсар, расположенный в 9 тыс. световых лет в созвездии Киль. Звезда, из которой сформировался магнетар, имела массу в 30—40 раз больше, чем у Солнца.

По состоянию на сентябрь 2008, ESO сообщает об идентификации объекта, который изначально считали магнетаром, SWIFT J195509+261406; первоначально он был выявлен по гамма-всплескам (GRB 070610).

В декабре 2020 г. международной группой учёных-астрономов подтверждено что в центре сверхновой DES16C2nm также находится магнетар[13][14].

Полный список приведён в каталоге магнетаров[15].

Магнетар оживает

Но 8 декабря прошлого года исследователи из Манчестерского университета и Института радиоастрономии им. Макса Планка снова начали получать сигналы от XTE J1810-197 в радиодиапазоне.

Интересно, но профиль ритма принимаемых сейчас радиоволн имеет довольно большие различия с тем, который впервые зафиксирован многие годы назад.

Как можно объяснить столь странное поведение XTE J1810-197? Дело в том, что мы до сих пор очень мало знаем о магнетарах. Считается, что они образуются так же, как обычная нейтронная звезда. Все начинается с коллапса ядра массивной умирающей звезды. В ходе этого процесса атомы настолько сильно сжимаются, что их ядра буквально прижимаются друг к другу.

В какой – то момент это компактное тело начинает генерировать магнитное поле плотностью до 10 ^ 15 Гс. Для сравнения, типичный магнит на холодильнике генерирует поле плотностью около 50 Гс. И это всего в 100 раз больше, чем плотность магнитного поля нашей планеты на ее поверхности.

Описание

Магнетары являются малоизученным типом нейтронных звёзд по причине того, что немногие находятся достаточно близко к Земле. Магнетары в диаметре насчитывают около 20—30 км, однако массы большинства превышают массу Солнца. Магнетар настолько сжат, что горошина его материи весила бы более 100 миллионов тонн. Большинство из известных магнетаров вращаются очень быстро, как минимум несколько оборотов вокруг оси в секунду[4]. Наблюдаются в гамма-излучении, близком к рентгеновскому, радиоизлучение не испускает[5]. Жизненный цикл магнетара достаточно короток. Их сильные магнитные поля исчезают по прошествии примерно 10 тыс. лет, после чего их активность и излучение рентгеновских лучей прекращается. Согласно одному из предположений, в нашей галактике за всё время её существования могло сформироваться до 30 миллионов магнетаров[6]. Магнетары образуются из массивных звёзд с начальной массой около 40 М☉[7].

Толчки, образованные на поверхности магнетара, вызывают огромные колебания в звезде; колебания магнитного поля, которые сопровождают их, часто приводят к огромным выбросам гамма-излучения, которые были зафиксированы на Земле в 1979, 1998 и 2004 годах.

Строение и состав

Схема строения магнетара

Схема строения магнетара

Магнетар – тип нейтронной звезды, которая имеет чрезвычайно высокую плотность. Как правило, все нейтронные звезды покрыты относительно тонкой корой, состоящей в основном из электронов и тяжелых атомных ядер. Внутри нейтронной звезды находится жидкая плазма, которая в основном состоит из нейтронов. Считается, что именно чрезвычайно сильная внутренняя плотность магнетара служит причиной его высокого магнитного излучения.

А Вы смотрели: Спутники Урана

Магнетары – это звезды, которые очень быстро вращаются вокруг своей оси. Скорость вращения этих звезд колеблется в пределах от нескольких раз до тысяч оборотов в секунду. Большинство магнетаров имеет относительно небольшие размеры. Как правило, диаметр большинства из них достигает всего 20-30 километров. Хотя, конечно же, существуют сверхмассивные магнетары, которые обладают гораздо большими габаритами.

Что касается массы, то здесь не все так просто. Из-за своей высокой плотности, магнетар диаметром в 30 километров будет значительно тяжелее нашего Солнца. Что касается сверхкрупных магнетаров, то их вес может превышать вес Солнца в несколько десятков раз, а то и более.

Астрофизики выяснили, откуда берутся мощнейшие магниты во Вселенной

Магнетары – это нейтронные звезды, наделенные сильнейшими магнитными полями, наблюдаемыми во Вселенной, но их природа остается спорной. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, международная группа ученых разработала беспрецедентно детальную компьютерную модель, объясняющую происхождение мощнейшего магнетизма благодаря усилению ранее существовавших слабых полей, возникающих в момент, когда вращающиеся нейтронные звезды рождаются в коллапсе массивных светил.

Нейтронные звезды – это компактные объекты, содержащие от одной до двух солнечных масс при радиусе около 12 километров. Магнетары, их частный случай, характеризуются выбросами рентгеновского и гамма-излучения. Энергия этих вспышек, вероятно, связана со сверхсильными магнитными полями. Таким образом, магнетары должны вращаться быстрее, чем обычные нейтронные звезды, и измерения эволюции их периода вращения подтвердили этот сценарий.

«Мы считаем, что магнетары имеют дипольное магнитное поле порядка 1015 Гаусс, то есть в 1000 раз сильнее, чем типичные нейтронные звезды! Хотя существование этих огромных магнитов уже подтверждено, их происхождение остается спорным», – пишут авторы исследования.

Как образуются нейтронные звезды?

Нейтронные звезды обычно образуются после коллапса железного ядра массивной звезды, насчитывающей более девяти солнечных масс, в то время как ее внешние слои выбрасываются в межзвездное пространство в результате гигантского взрыва сверхновой. Некоторые теории предполагают, что магнитные поля нейтронной звезды и магнетара могут быть унаследованы от их прародительских светил. Это означает, что они могут быть полностью определены намагниченностью железного ядра перед коллапсом. Однако проблема с этой гипотезой заключается в том, что очень сильные магнитные поля могут замедлять вращение звездного ядра, так что оставшиеся нейтронные звезды вращались бы медленно.

«Это не позволило бы нам объяснить огромные энергии взрывов сверхновых и длительных гамма-всплесков, где быстро вращающиеся нейтронные звезды или быстро вращающиеся черные дыры считаются центральными источниками огромных энергий», – отмечает член команды H. Томас Янка из Института астрофизики Общества Макса Планка (Германия).

Таким образом, более благоприятным выглядит альтернативный механизм, в котором экстремальные магнитные поля возникают во время формирования самой нейтронной звезды.

В первые несколько секунд после коллапса звездного ядра новорожденная горячая нейтронная звезда остывает, испуская нейтрино. Это охлаждение вызывает сильные внутренние конвективные потоки массы, похожие на пузырьки кипящей воды в кастрюле. Движение вещества может привести к усилению любого ранее существовавшего слабого магнитного поля. Этот механизм усиления поля, известный как эффект динамо, работает, например, в жидком железном ядре Земли или в конвективной оболочке Солнца.

Чтобы проверить такую ​​возможность для магнетара, команда исследователей использовала суперкомпьютер Национального компьютерного центра высшего образования (Франция) для моделирования конвекции в новорожденной, очень горячей и быстро вращающейся нейтронной звезде. Астрофизики обнаружили, что слабые начальные магнитные поля могут быть усилены до значений, достигающих 1016 Гаусс при достаточно быстрых периодах вращения.

«Наши модели демонстрируют, что периоды вращения менее 8 миллисекунд обеспечивают более эффективный динамо-процесс, чем при медленном вращении», – сообщил ведущий автор публикации Рафаэль Рейно из научно-исследовательского центра CEA Saclay (Франция).

Самые большие космические бомбы

Помимо того, что они проливают свет на формирование галактического магнетара, эти результаты открывают новые возможности для понимания самых мощных и самых ярких взрывов массивных звезд. Например, сверхсветовые сверхновые излучают в сотни раз больше света, чем обычные сверхновые, тогда как другие, называемые гиперновыми, характеризуются десятикратной кинетической энергией и иногда связаны с гамма-всплеском, продолжающимся несколько десятков секунд. Эти выдающиеся взрывы заставляют задуматься о нестандартных процессах, извлекающих огромные количества энергии из «центрального двигателя».

Сценарий «миллисекундный магнетар» в настоящее время является одной из наиболее многообещающих моделей «центрального двигателя» таких экстремальных явлений. Он рассматривает вращение магнетара как дополнительный источник энергии, который увеличивает мощность взрыва, и результаты, полученные исследовательской группой, обеспечивают поддержку этой теории.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: