Несколько недель назад на многих медиаресурсах научно-популярной тематики появились новости об обнаружении якобы самого мощного магнитного поля во Вселенной. Мы подробно изучили тему, во всём разобрались и в своей статье объясним, так ли это на самом деле (спойлер: нет).
В начале сентября 2020 года команда китайских и германских астрономов опубликовала результат исследования аккрецирующего рентгеновского пульсара GRO J1008-57. Это быстро вращающаяся нейтронная звезда, обладающая мощным магнитным полем, которая перетягивает вещество со своей звезды-компаньона. Пульсар расположен в нашей Галактике на расстоянии примерно 19 тысяч световых лет от Солнца. Периодически на нём происходят вспышки. Одна из них произошла в 2017 году и стала объектом интереса для учёных, которые работали с данными рентгеновского космического телескопа Insight-HXMT.
Изучение спектра рентгеновского излучения, испускаемого астрофизическим объектом, может рассказать учёным о наличии у него магнитного поля и даже помочь определить его напряженность. Это возможно благодаря явлению циклотронного резонанса — рассеяния или поглощения электромагнитного излучения определённой частоты плазмой в магнитном поле.
Заряженные частицы движутся в магнитном поле по спиралям. Количество полных витков, которое совершает частица за единицу времени, называется циклотронной частотой. Именно ей обладает поглощаемое плазмой электромагнитное излучение. Это явление используют для исследования свойств веществ на ускорителях частиц — циклотронах. Одна из их разновидностей — известный многим по советской комедии «Приключения Шурика» синхрофазотрон, принцип работы которого так безуспешно пытался рассказать один из студентов.
Чем выше частота, тем выше энергия рентгеновских фотонов, которые рассеиваются из-за циклотронного резонанса. И тем «мощнее» магнитное поле, в котором находится плазма. Учёные обнаружили, что линия поглощения циклотронного резонанса в рентгеновском спектре GRO J1008-57 соответствует энергии фотонов в 90 кэВ. Это самое большое зарегистрированное значение для такого явления, оно подразумевает магнитное поле с напряженностью примерно миллиард тесла. Для сравнения, напряжённость магнитного поля Земли в среднем составляет 25-65 микротесла, а в аппарате для магнитно-резонансной томографии — порядка 10 тесла.
Однако это не самое мощное поле во Вселенной. Известен целый класс объектов, чьи магнитные поля в десятки и даже сотни раз выше, чем у GRO J1008-57. Они называются магнитарами. Так же как и пульсары, эти компактные объекты — одна из разновидностей нейтронных звёзд. Предположительно, их магнитные поля возникают благодаря эффекту магнетогидродинамического динамо, когда сверхплотная проводящая жидкость из субатомных частиц движется внутри магнитара.
Самая большая напряженность магнитного поля была зарегистрирована у магнитара SGR 1806−20, находящегося на расстоянии в 50 тысяч световых лет от Солнца. Её значение составляет 200 миллиардов тесла. Что интересно, она была измерена ещё в 2002 году точно таким же методом — по линиями поглощения на циклотронном резонансе в рентгеновском спектре. Наблюдения за нейтронной звездой вела орбитальная рентгеновская обсерватория NASA RXTE. Однако тогда энергия рентгеновских фотонов, которому соответствовала линия поглощения, составила всего лишь 5 кэВ.
Но почему более мощное поле привело к поглощению фотонов с меньшими энергиями? Циклотронная частота зависит не только от величины магнитного поля, но и от массы заряженной частицы. Рассеяние фотонов, след которого недавно нашли учёные в рентгеновском спектре GRO J1008-57, происходило на электронах. А в случае с SGR 1806−20 оно происходило на протонах. При таком магнитном поле энергия излучения на линии рассеяния от циклотронного резонанса электронов составляла бы около 1 МэВ — это 4 раза больше максимума, который способны зафиксировать детекторы как на RXTE, так и на Insight-HXMT.
Однако многие агрегаторы научных новостей поспешили сделать ошибочное заявление, что обнаружено самое мощное магнитное поле во Вселенной, тогда как в научной статье такого утверждения нет. Эта история наглядно показывает, что нельзя слепо верить даже самым авторитетным источникам, ведь астрофизический дьявол всегда кроется в кажущихся незаметными, но всё равно крайне важными деталями научного исследования.
Автор: Дмитрий Логинов
Источники: https://phys.org/news/2020-09-strongest-magnetic-field-universe-x-ray.html, https://arxiv.org/pdf/2008.01797.pdf, https://en.wikipedia.org/wiki/SGR_1806%E2%88%9220, https://web.archive.org/web/20100428073012/, http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/20021030strongestmag.html, http://www.physics.mcgill.ca/~pulsar/magnetar/main.html, https://en.wikipedia.org/wiki/Rossi_X-ray_Timing_Explorer, https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_X-ray_Modulation_Telescope, https://iopscience.iop.org/article/10.1086/342366/fulltext/