Ученые установили, как образуются магнитные звезды

Европейские астрофизики разработали детальную компьютерную модель, объясняющую происхождение гигантских магнитных полей у особого класса нейтронных звезд — магнетаров, с которыми связаны самые мощные и яркие взрывы во Вселенной — усилением ранее существовавших в недрах этих звезд слабых магнитных полей. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Магнетары — нейтронные звезды, обладающие сильнейшими магнитными полями, наблюдаемыми во Вселенной. Это сверхкомпактные объекты, которые при диаметре 12-20 километров имеют массу, сопоставимую с массой Солнца или даже превышающую ее. Магнетары характеризуются мощными выбросами рентгеновского и гамма-излучения. В соответствии с этим они делятся на два класса: аномальные рентгеновские пульсары (Аnomalous X-ray Pulsar — AXP) и источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (Soft Gamma Repeater — SGR).

По поводу образования сверхсильных магнитных полей магнетаров у ученых до сих пор нет единого мнения. Изучать магнетары тяжело. Во-первых, таких объектов немного — на сегодняшний день известны всего четыре SGR звезды, расположенные в пределах нашей Галактики, и еще одна — за ее пределами. Во-вторых, они живут очень недолго — всего около 1 миллиона лет, а сильные магнитные поля у них исчезают по прошествии примерно 10 тысяч лет, после чего их активность и излучение рентгеновских лучей прекращаются.

Нейтронные звезды обычно образуются после коллапса железного ядра массивной звезды больше девяти масс Солнца, когда внешние слои звезды выбрасываются в межзвездное пространство в результате гигантского взрыва, называемого сверхновой с коллапсом ядра. Поэтому некоторые теории предполагают, что магнитные поля магнетара могут быть унаследованы от их звезд-предшественниц, то есть полностью определяться намагниченностью железного ядра перед коллапсом. Проблема этой гипотезы заключается в том, что очень сильное магнитное поле в звездах-предшественницах должно было замедлять вращение звездного ядра, так что нейтронные звезды, образовавшиеся от таких намагниченных звезд, тоже вращались бы медленно, а этого не наблюдается.

Европейские ученые из Института астрофизики им. Макса Планка в Германии и Института физики Земли в Париже предложили новую теорию образования магнетаров и разработали цифровую модель, снимающую существующие противоречия. По мнению авторов, быстро вращающиеся нейтронные звезды рождаются в коллапсирующих массивных звездах, а сильное магнитное поле появляется у них позже, благодаря усилению ранее существовавших слабых полей.

"Прежняя теория не позволила 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", — приводятся в пресс-релизе Института астрофизики им. Макса Планка слова Томаса Янка (Thomas Janka), одного из авторов исследования.

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 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, ученые использовали суперкомпьютер Французского национального вычислительного центра высшего образования для моделирования конвекции у новорожденной, очень горячей и быстро вращающейся нейтронной звезды. Результаты моделирования показали, что, действительно, слабые начальные магнитные поля при очень коротких периодах вращения могут быть усилены до значений, достигающих 1016 Гаусс.

"Наши модели демонстрируют, что короткие периоды вращения — меньше чем 8 миллисекунд, обеспечивают более эффективный динамо-процесс, чем более медленное вращение", — говорит ведущий автор публикации Рафаэль Рейно (Raphaël Raynaud) из французского Ядерного исследовательского центра в Саклае. — Медленно вращающиеся модели не отображают огромные поля, созданные этим сильным динамо".

Помимо того, что эта модель, получившая название "миллисекундный магнетар", проливает свет на формирование магнитных звезд, она также дает новое понимание природы самых мощных и самых ярких взрывов во Вселенной.