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.
Картинки в конце
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 степени 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 степени 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.
