Магнетары - это нейтронные звезды, наделенные сильнейшими магнитными полями, наблюдаемыми во Вселенной, но их происхождение остается спорным. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, группа ученых из CEA, Saclay, Института астрофизики им. Макса Планка и Института физики мира в Париже разработала новую и беспрецедентно детальную компьютерную модель. Она может объяснить происхождение этих гигантских полей благодаря усилению ранее существовавшего слабого поля, когда быстро вращающиеся нейтронные звезды рождаются из коллапсирующих массивных звезд. Работа открывает новые возможности для понимания самых мощных и самых ярких взрывов таких звезд.
Магнетары: кто они?
Нейтронные звезды - это компактные объекты, имеющие вес от одной до двух солнечных масс в радиусе около 12 километров. Магнетары характеризуются излучением рентгеновских и гамма-лучей. Энергия, связанная с этими всплесками интенсивного излучения, вероятно, связана со сверхсильными магнитными полями. Таким образом, магнетары должны вращаться быстрее, чем другие нейтронные звезды, благодаря усиленному магнитному полю и измерение периода их вращения подтвердили этот сценарий. Таким образом, мы заключаем, что магнетары имеют дипольное магнитное поле порядка 1015 Гс (1 Гс = 100 мкТл = 10-4 Тл.), т.е. в 1000 раз больше, чем типичные нейтронные звезды! Хотя существование этих огромных магнитных полей в настоящее время хорошо установлено, их происхождение остается спорным.
Как они образуются?
Нейтронные звезды обычно образуются после коллапса железного ядра массивной звезды, состоящего из более чем девяти солнечных масс, тогда как внешние слои звезды выбрасываются в межзвездное пространство в результате гигантского взрыва, называемого сверхновой с коллапсом ядра. Поэтому некоторые теории предполагают, что магнитные поля нейтронной звезды и магнетара могут быть унаследованы от их прародительских звезд, что означает, что поля могут быть полностью определены намагниченностью железного ядра перед коллапсом. Однако проблема с этой гипотезой заключается в том, что очень сильные магнитные поля в звездах могут замедлять вращение звездного ядра, так что нейтронные звезды от таких намагниченных звезд будут вращаться, только 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 МПА. Таким образом, альтернативный механизм выглядит более благоприятным, в котором экстремальные магнитные поля могут быть созданы 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 на плите. Такие насильственные движения звездного вещества могут 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 нейтронных звезд, команда исследователей использовала суперкомпьютер Французского национального вычислительного центра для моделирования конвекции у новорожденной, очень горячей и быстро вращающейся нейтронной звезды. Действительно, с помощью этого нового подхода к моделированию, который был более подробным, чем любой другой использованный ранее, они обнаружили, что слабые начальные магнитные поля могут быть усилены до значений, достигающих 1016 Гс для достаточно быстрых периодов вращения.
«Наши модели демонстрируют, что периоды вращения, меньшие, чем 8 миллисекунд, обеспечивают более эффективный процесс динамо, чем более медленное вращение», - говорит Рафаэль Рейно из CEA, ведущий автор публикации. «Медленно вращающиеся модели не отображают огромные поля, созданные этим сильным динамо».
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, в то время как другие, называемые гиперновыми, характеризуются кинетической энергией, в десять раз большей, и иногда связаны с гамма-всплеском продолжительностью в несколько десятков секунд. Эти выдающиеся взрывы заставляют нас представить нестандартные процессы, которые должны извлекать огромные количества энергии из «центрального двигателя».
Сценарий «миллисекундный магнетар» в настоящее время является одной из наиболее многообещающих моделей для центрального «двигателя» таких экстремальных явлений. Он рассматривает энергию вращения быстро вращающейся нейтронной звезды как дополнительный источник энергии, который увеличивает мощность взрыва. Прилагая тормозной момент, сильное дипольное магнитное поле 1015 Гс может передать вращательную энергию взрывающейся нейтронной звезде. «Чтобы этот механизм был эффективным, напряженность поля должна составлять порядка 1015 Гс», - объясняет соавтор Жером Гийет из CEA. «Это близко совпадает со значениями, достигнутыми конвективными динамо за миллисекундные периоды вращения».
До сих пор основной слабостью миллисекундного сценария с магнетаром было принятие специального магнитного поля, независимого от высокой скорости вращения нейтронной звезды. Таким образом, результаты, полученные исследовательской группой, обеспечивают теоретическую поддержку, которая отсутствовала в старом сценарии с центральным двигателем, приводящим в действие самые сильные взрывы, наблюдаемые во вселенной.
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200316181000
Обозрение "Terra & Comp".
