Загадкові магнетари мають найпотужнішим магнітним полем у всесвіті. Магнетар – Журнал "Все про Космос" Огляд: надмагнічені нейтронні зірки

Ілюстрація художника, що показує магнетар у дуже багатому і молодому зоряному скупченні. Автори та права: ESO / L. Calçada.

Можливо, ви вважаєте, що Всесвіт ідеально підходить для життя. Однак, це не так. Майже весь Всесвіт є жахливим і ворожим місцем, і нам просто пощастило народитися на практично нешкідливій планеті в глухому районі Чумацького Шляху.

Тут на Землі ви можете прожити довге і щасливе життя, але у Всесвіті є місця, де ви не протягнете і кілька секунд. Ніщо не є більш смертоносним, ніж об'єкти, які залишають після себе наднові: нейтронні зірки.

Як ви знаєте, нейтронні зірки утворюються, коли зірки масивніші, ніж наше Сонце, вибухають як наднові. Коли ці зірки гинуть, вони можуть протидіяти потужної гравітації і стискаються до об'єктів діаметром кілька десятків кілометрів. Внаслідок такого величезного тиску всередині об'єкта утворюються нейтрони.

Найчастіше ви отримуєте нейтронні зірки першого типу – пульсари. Пульсар – це крихітна нейтронна зірка, яка обертається з величезною швидкістю, що часом досягає кількох сотень обертів на секунду.

Однак приблизно одна з десяти нейтронних зірок стає чимось справді дуже дивним. Вона стає магнетаром – найбільш загадковим та страшним об'єктом у Всесвіті. Ви, мабуть, чули це слово, але що таке?

Як я вже сказав, магнетари – це нейтронні зірки, що утворилися внаслідок вибуху наднових. Але що ж такого незвичайного відбувається під час їхнього формування, що їхнє магнітне поле перевершує магнітні поля будь-яких інших об'єктів у сотні, тисячі і навіть мільйони разів? Насправді астрономи точно не знають, що робить магнітні поля магнетарів настільки потужними.

Враження художника про злиття двох нейтронних зірок. Автори та права: University of Warwick/Mark Garlick.

Відповідно до першої теорії, якщо нейтронна зірка формується швидко обертаючись, то спільна робота конвекції та обертання, яка має домінуючий вплив у перші кілька секунд існування нейтронної зірки, може призвести до утворення потужного магнітного поля. Цей процес відомий вченим як активне динамо.

Однак у результаті недавніх досліджень астрономами було запропоновано другу теорію формування магнетарів. Дослідники виявили магнетар, який у майбутньому покине нашу галактику. Ми вже бачили приклади зір, що тікають, і всі вони набували своєї траєкторії в результаті вибуху наднових у подвійній системі. Інакше кажучи, цей магнетар також був частиною бінарної системи.

У такій системі дві зірки обертаються одна біля одної ближче, ніж Земля навколо Сонця. Це настільки близько, що матеріал у зірках може перетікати туди та назад. Спершу велика зірка починає роздмухуватися і передавати матеріал меншій зірці. Це збільшення маси призводить до збільшення розмірів меншої зірки та матеріал починає перетікати назад на першу зірку.

Зрештою одна зі зірок вибухає і викидає іншу зірку геть із Чумацького Шляху, а на місці вибуху залишається незвичайна нейтронна зірка, тобто всі ці бінарні взаємодії перетворили нейтронну зірку на магнетар. Можливо, це і є рішення загадки магнетара.

Магнітне поле магнетара справді змусить вас злякатися. Магнітна індукція в центрі Землі становить близько 25 Гаус, а на поверхні планети вона не перевищує 0,5 Гс. Звичайна нейтронна зірка має магнітне поле з магнітною індукцією в кілька трильйонів Гс. Магнетари ж ще 1000 разів потужніший, ніж нейтронні зірки.

Зіркотруси, що руйнують поверхню нейтронної зірки у виставі художника. Автори та права: Darlene McElroy of LANL.

Однією з самих цікавих особливостейМагнетар є те, що вони можуть відчувати зіркотруси. Ви знаєте, що існують землетруси, але на зірках – це будуть зіркотруси. Коли магнетари утворюються, вони мають щільнішу зовнішню оболонку. Ця “нейтронна кора” може тріснути, подібно до тектонічних плит на Землі. Коли це відбувається, магнетар випромінює пучок випромінювання, який ми можемо побачити на величезних відстанях.

Насправді найпотужніший з коли-небудь зареєстрованих зореструмів трапився з магнетаром під назвою SGR 1806-20, який розташований приблизно в 50 000 світлових років від Землі. У десяту частку секунди цей магнетар випустив більше енергії, ніж Сонце виробляє за 100 000 років. І це був навіть вибух всього об'єкта, це була просто невелика тріщина на поверхні магнетара.

Магнетари є дивовижними та небезпечними об'єктами. На щастя, вони знаходяться дуже далеко, і вам не варто турбуватися про їхній вплив на ваше життя.

(До 10 11 Тл). Теоретично існування магнетарів було передбачено в 1992 році, а перше свідчення їх реального існування отримано в 1998 при спостереженні потужного спалаху гамма-і рентгенівського випромінювання від джерела SGR 1900 +14 в сузір'ї Орла. Однак спалах, який спостерігали ще 5 березня 1979 теж пов'язують з магнетаром. Час життя магнетарів становить близько 1 млн років. У магнетарів найсильніше магнітне поле у ​​Всесвіті.

Опис

Магнетари є маловивченим типом нейтронних зірок через те, що деякі знаходяться досить близько до Землі. Магнетари в діаметрі налічують близько 20-30 км, проте маси більшості перевищують масу Сонця. Магнетар настільки стиснутий, що горошина його матерії важила б понад 100 мільйонів тонн. Більшість відомих магнетарів обертаються дуже швидко, як мінімум кілька обертів навколо осі в секунду. Спостерігаються в гамма-випромінюванні, близькому до рентгенівського, а радіовипромінювання вони не випускають. Життєвий цикл магнетара досить короткий. Їх сильні магнітні поля зникають через 10 тис. років, після чого їх активність і випромінювання рентгенівських променів припиняється. Згідно з одним із припущень, у нашій галактиці за весь час її існування могло сформуватися до 30 мільйонів магнетарів. Магнетари утворюються з масивних зірок з початковою масою близько 40 М☉.

Перший відомий потужний спалах з наступними пульсаціями гамма-випромінювання був зафіксований 5 березня 1979 року під час експерименту «Конус», що проводився на АМС «Венера-11» і «Венера-12» і вважається першим спостереженням гамма-пульсара, що зв'язується 35 . Згодом такі викиди фіксувалися різними супутниками у 2004 роках.

Модель магнетару

З п'яти відомих чотири SGR розташовані в межах нашої галактики, ще один – за її межами.

Кількість енергії, що викидається при звичайному спалаху, що триває кілька десятих секунд, порівняно з кількістю, яку Сонце випромінює за цілий рік. Ці неймовірні викиди енергії можуть бути викликані «зіркотрусами» - процесами розриву твердої поверхні (кори) нейтронної зірки та викиду з її надр потужних потоків протонів, які захоплюються магнітним полем та випромінюють у гамма- та рентгенівських областях електромагнітного спектру.

Для пояснення цих спалахів було запропоновано концепцію магнетара - нейтронної зірки з надзвичайно потужним магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується, швидко обертаючись, то спільний вплив обертання та конвекції, яка відіграє важливу роль у перші кілька секунд існування нейтронної зірки, може створити потужне магнітне поле внаслідок складного процесу, відомого як «активне динамо» (аналогічно тому, як магнітне поле створюється всередині Землі та Сонця). Теоретики були здивовані, що таке динамо, працюючи в гарячій (~ 10 10 K) серцевині нейтронної зірки, може створювати магнітне поле з магнітною індукцією ~ 10 15 Гс. Після охолодження (через кілька десятків секунд), конвекція та динамо припиняють свою дію.

Іншим типом об'єктів, які випромінюють потужне рентгенівське випромінювання під час періодичних вибухів є так звані аномальні рентгенівські пульсари - AXP (Anomalous X-ray Pulsars). SGR та AXP характеризуються більш довгими періодами обігу (2-12 с), ніж більшість звичайних радіопульсарів. В даний час вважається, що SGR та AXP представляють єдиний клас об'єктів (на 2015 рік відомо близько 20 представників цього класу).

Відомі магнетари

Станом на березень 2016 року було відомо одинадцять магнетарів, і ще чотири кандидати чекали на підтвердження. Приклади відомих магнетарів:

Станом на вересень 2008 року, ESO повідомляє про ідентифікацію об'єкта, який спочатку вважали магнетаром, SWIFT J195509+261406; спочатку він був виявлений за гамма-сплесками (GRB 070610).

Повний список наведено в каталозі магнетарів.

Див. також

Примітки

1. У сучасній російськомовній літературі форми написання через «е» і «і» конкурують. У популярній літературі та стрічках новин переважає калька з англійської magnetar - « магн етар», тоді як фахівці останнім часом схиляються до написання « магн ітар»(див., напр., Потєхін А. Ю.Фізика нейтронних зірок // Успіхи фізичних наук, т.180, с.1279-1304 (2010)). Аргументи на користь такого написання наведено, наприклад, в огляді С. Б. Попова та М. Є. Прохорова (див. список літератури).
2. FAQ: Магнітари 10 фактів про найнезвичайніші типи нейтронних зірок від Сергія Попова Відомі магнітари
3. Зірковий гібрид: Пульсар плюс магнетар - Популярна механіка
4. Насправді речовина не може мати таку щільність за недостатньо великої маси тіла. Якщо з нейтронної зірки виділити частину розміром з горошину і відокремити його від решти її речовини, то маса, що залишилася, не зможе утримати колишню щільність, і «горошина» стане вибухоподібно розширюватися.
5. Magnetar (1999) (неопр.) (недоступне посилання). Перевірено 17 грудня 2007 року. Архівовано 14 грудня 2007 року.
6. Фізичний мінімум на початок XXI століття Академік Віталій Лазаревич Гінзбург
7. Magnetars, Soft Gamma Repeaters and Very Strong Magnetic Fields (неопр.) . Robert C. Duncan, University of Texas at Austin (березень 2003). Перевірено 4 серпня 2009 року. Архівовано 27 лютого 2012 року.
8. How Much Mass Makes a Black Hole? , SpaceRef, 19.08.2010
9. Олексій Понятов.Імпульсивна / / Наука і життя. - 2018. - №10. - С. 26-37.
10. Potekhin A.Y.., De Luca A., Pons J.A. Neutron Stars-Thermal Emitters (англ.) // Space Sci. Rev. : журнал. - N.Y.: Springer, 2015. - October (vol. 191, iss. 1). - P. 171-206. - DOI: 10.1007/s11214-014-0102-2. - arXiv: 1409.7666.

Цей вид зірок дуже рідко зустрічається в природі. Не так вже давно питання про їхнє знаходження та безпосередньо виникнення піддавало вчених астрологів у невизначеність. Але, завдяки розташованому в Панамській обсерваторії, Чилі, що належить до Європейської Південної обсерваторії, Дуже великому телескопу (VLT) і за зібраними з його допомогою даними, астрономи можуть тепер сміливо вважати, що нарешті змогли розв'язати одну з численних загадок такого незбагненного для нас космосу.

Як вже було зазначено вище в цій статті, магнетари - це дуже рідкісний вид нейтронних зірок, яким властива величезна сила (вони найсильніші з поки що відомих об'єктів у всьому Всесвіті) магнітного поля. Однією з особливостей даних зірок вважається те, що вони відносно малі в розмірах і мають неймовірну густину. Вчені припускають, що маса всього одного шматочка даної матерії величиною в невелику скляну кульку може досягати більше одного мільярда тонн.

Даний вид зірок може утворюватися в той момент, коли потужні зірки починають колапсувати під впливом могутності своєї гравітації.

Магнетари у нашій галактиці

Чумацький шлях налічує близько трьох десятків магнетарів. Об'єкт, вивчений за допомогою Дуже великого телескопа, знаходиться у скупченні зірок під назвою Вестерлунд-1, а саме в південній частині сузір'я Жертвенника, що розташоване всього за 16 тисяч світлових років від нас з вами. Зірка, яка зараз стала магнетаром, за своїм розміром перевищувала наше Сонце приблизно 40-45 разів. Це спостереження привело вчених до сум'яття: адже зірки таких великих розмірів, на їхню думку, при колапсі повинні перетворюватися на чорні дірки.

Тим не менш, той факт, що зірка, яка до цього звалася CXOU J1664710.2-455216, в результаті власного колапсу перетворилася на магнітар, мучив астрономів протягом декількох років. Але все ж таки вчені припускали, що передувало такому дуже нетиповому і незвичайному явищу.

Розсіяне зоряне скупчення Westerlund 1. На знімках позначений магнетар та його зірка-компаньйон, відірвана вибухом від нього. Джерело: ESO

Нещодавно, в 2010 році, на обговорення було висунуто припущення про те, що магнетар з'явився в результаті близької взаємодії між двома масивними зірками. Зважаючи на це припущення, зірки оберталися одна навколо іншої, що і викликало перетворення. Дані об'єкти на стільки близько знаходилися, що без проблем помістилися б у такий простір, як відстань між орбітами Сонця і Землі.

Але, донедавна, вченим, які займаються цією проблемою, не вдавалося знайти будь-які докази про взаємне і таке близьке співіснування двох зірок у передбачуваній моделі бінарної системи. Але за допомогою Дуже великого телескопа, астрономи отримали можливість більш детально вивчити ділянку неба, що їх цікавить, в якому знаходиться зоряні скупчення і знайти підходящі об'єкти швидкість руху яких досить висока («втікачі» або «втікають» зірки). За однією з теорій вважається, що такі об'єкти були відкинуті зі своїх рідних орбіт внаслідок вибуху наднових зірок, що утворюють магнетари. І справді, знайшлася ця зірка, яку згодом вчені назвали Вестерлунд 1?5.

Автор, який опублікував дані дослідження, Бен Рітчі, пояснює роль знайденої зірки, що «біжить» так:
«Мало того, що знайдена нами зірка має колосальну швидкість у русі, яка цілком можливо була викликана вибухом наднової зірки, так тут уявляється тандем її напрочуд малої маси, високої світності та її складові, багаті на вуглець. Це дивно, адже дані якості рідко поєднуються в одному об'єкті. Все це свідчить про те, що Вестерлунд 1-5 міг справді утворитися в бінарній системі».

Зі зібраними даними про цю зірку, команда астрономів реконструювала передбачувану модель появи магнетара. За запропонованою схемою запас палива у меншої зірки був вищим, ніж у її «компаньйонки». Таким чином, дрібна зірка почала притягувати до себе великі верхні кулі, що призвело до інтегрування сильного магнітного поля.

Через деякий час малий об'єкт став більшим за свого бінарного компаньйона, що викликало зворотний процес передачі верхніх шарів. На думку одного з учасників експерименту, Франциско Нахарро, дані дії досліджуваних об'єктів точно нагадує відому дитячу гру «Передай іншому». Метою гри є загортання деякого предмета в кілька шарів паперу і передача його по колу, що складається з дітей. Кожен учасник повинен розгорнути один шар обгортки, знайшовши при цьому цікаву дрібничку.

За ідеєю, велика з двох зірок перетворюється на меншу і відкидається з бінарної системи, тоді як друга зірка швидко обертається навколо своєї осі і перетворюється на наднову зірку. У цій ситуації «біжить» зірка, Вестерлунд 1?5, є другою зіркою в бінарній парі (вона несе в собі всі відомі ознаки описаного процесу).
Вчені, які займалися дослідженням цього найцікавішого процесу, на основі зібраних ними даних під час експерименту дійшли висновку, що дуже швидке обертання та передача маси між бінарними зірками є ключем до формування рідкісних нейтронних зірок, також відомих як магнетари.

Відео про магнетар:

Команді астрономів уперше у світі вдалося виміряти магнітне поле у ​​певній точці на поверхні магнетара. Магнетари – це різновид нейтронних зірок, щільне та компактне ядро ​​гігантської зірки, зовнішні шари якої були відкинуті внаслідок вибуху наднової.

Магнетари мають найсильніше магнітне поле у ​​Всесвіті. До сьогодні вдавалося виміряти лише їх найбільш великомасштабні поля, проте за допомогою нової техніки та спостережень за магнетарами в рентгенівському спектрі, астрономи виявили сильне, локалізоване магнітне поле всередині їхньої поверхні.

Магнітне поле магнетару має складну структуру. Найпростіше засікти і виміряти його зовнішню частину, яка має форму та поведінку, подібні до звичайного біполярного магніту.

Нове дослідження проводилося на магнетарі SGR 0418+5729. Спостереження за ним за допомогою космічного рентгенівського телескопа «XMM-Newton» показали, що в ньому приховано друге — надзвичайно сильне магнітне поле.

«Цей магнетар має сильне поле, що лежить під його поверхнею. Однак єдиний спосіб виявити його – це знайти пролом у поверхні, через яку приховане поле може вирватися назовні», розповідає один із співавторів дослідження Сільвія Зейн.

Такі магнітні витоку також дозволяють пояснити характерні для магнетарів спонтанні спалахи випромінювання. Викривлене магнітне поле, укладене всередині зірки, збільшує напругу під її поверхнею, рано чи пізно прориваючи «оболонку» і випускаючи несподівані спалахи рентгенівського випромінювання.

Магнетари занадто малі – лише близько 20 кілометрів у діаметрі – і видалені, щоб їх можна було розглянути навіть у найкращі телескопи. Астрономи помічають їх лише за непрямими ознаками, вимірюючи варіації рентгенівської емісії у міру обертання зірки.

«SGR 0418+5729 звертається один раз на 9 секунд. Ми виявили, що у певній точці цього обертання яскравість його рентгенівського світіння різко падає. Це означає, що щось у конкретній точці його поверхні поглинає випромінювання», додає співавтор дослідження Роберто Туролла.

Команда вважає, що концентрація протонів на невеликій ділянці поверхні магнетара – можливо, близько кількох сотень метрів – поглинає це випромінювання. Протони сконцентровані в такий малий об'єм сильним локалізованим магнітним полем, що виривається із внутрішніх шарів зірки, представляючи серйозне свідчення того, що всередині неї ховається друге викривлене магнітне поле.

«Це приголомшливе відкриття також підтверджує, що в принципі інші пульсари можуть приховувати подібні потужні магнітні поля під своєю поверхнею. В результаті, багато пульсарів можуть перемикатися, і на якийсь час стає активними магнетарами - і завдяки цьому в майбутньому ми можемо відкрити набагато більше магнетаорів, ніж думали раніше. Це змусить нас суттєво переглянути наші уявлення про нейтронні зірки», каже Зейн.

Деякі зірки намагнічені настільки сильно, що випромінюють гігантські спалахи за рахунок енергії магнітного поля та суттєво змінюють квантові властивості вакууму. «Зіркотрус» на магнітарі вивільняє величезну кількість електромагнітної енергії (еквівалентна енергії землетрусу силою в 21 бал) і викидає розпечену плазмову кулю, яка захоплюється магнітним полем.

5 березня 1979 р., скинувши апарати, що спускаються в отруйну атмосферу Венери, радянські космічні станції «Венера-11» і «Венера-12» продовжили політ по еліптичних орбітах через внутрішню частину Сонячної системи. Покази лічильників радіації на борту обох станцій коливалися в межах 100 відліків на секунду. Однак о 10:51 за середньоєвропейським часом (EST) на апарати обрушився потік гамма-випромінювання. За частку мілісекунди рівень радіації перевищив 200 тис. відліків за секунду. Через 11 с. потік гамма-випромінювання накрив космічний зонд Helios-2 NASA, який також рухався орбітою навколо Сонця. Стало ясно, що через Сонячну систему пройшов плаский фронт випромінювання високої енергії. Незабаром він дійшов до Венери, і на супутнику Pioneer VenusOrbiter, що звертався навколо неї, детектор зашкалило. Через кілька секунд потік досяг Землі та був зареєстрований трьома супутниками Vela міністерства оборони США, радянським супутником «Прогноз-7» та космічною обсерваторією Einstein. Зрештою, на шляху через Сонячну систему хвильовий фронт вдарив міжнародною космічною станцією International Sun-Earth Explorer.

Сплеск жорсткого гамма-випромінювання високої енергії був у 100 разів інтенсивніший за всі попередні, що приходили з-за меж Сонячної системи, і тривав всього 0,2 сек. За ним пішов потік м'якого рентгенівського та гамма-випромінювання, що пульсував з періодом у 8 сек. і затухлого за три хвилини. Через 14,5 години о 01:17 6 березня в тій же точці небесної сфери спостерігався ще один, але слабкіший спалах гамма-випромінювання. Протягом наступних чотирьох років група вчених із Ленінградського фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе під керівництвом Євгена Мазеца зареєструвала ще 16 спалахів. Вони відрізнялися за інтенсивністю, але були слабшими і коротшими від сплеску 5 березня 1979 р.

Астрономи ніколи не стикалися з таким. Спочатку нові спалахи були внесені в каталоги вже добре відомих і вивчених гамма-сплесків (Gamma-Ray Bursts, GRB), хоча відрізнялися від них за цілою низкою ознак. У 80-х роках. Кевін Харлі (Kevin C. Hurley) із Каліфорнійського університету в Берклі виявив, що подібні вибухи відбувалися ще у двох областях неба. Спалахи всіх цих джерел повторювалися, на відміну від GRB, які спалахували лише один раз (див. №4 «У світі науки». Нейл Герелс, Луїджі Піроі Пітер Леонард «Найяскравіші вибухи у Всесвіті»). У липні 1986 р. на конференції в Тулузі астрономи дійшли згоди щодо становищу цих джерел на небі і назвали їх «повторними м'якими гамма-сплесками» (Soft Gamma Repeaters, SGR).

ОГЛЯД: СВЕРХНАМАГНІЧНІ НЕЙТРОННІ ЗІРКИ

• Астрономи виявили кілька зірок, що випромінюють потужні спалахи гамма- і рентгенівського випромінювання, які можуть бути в мільйони разів яскравішими за всі інші відомі повторювані спалахи. Величезна величина цих енергій та пульсації випромінювання вказують на нейтронні зірки – другий за екстремальністю (після чорних дірок) тип об'єктів у Всесвіті.
• Ці нейтронні зірки мають найсильніші з виміряних магнітними полями, тому їх і назвали магнітарами. Спостережувані спалахи можуть пояснюватися магнітною нестійкістю, подібною до землетрусів.
• Мільйони магнітар дрейфують через нашу Галактику непоміченими, т.к. зберігають активність лише 10 тис. років.

Минуло ще сім років, перш ніж Дункан і Томпсон, двоє з авторів цієї статті, вигадали пояснення для цих дивних об'єктів, і тільки в 1988 р. Кувеліоту та її група знайшли переконливі свідчення, що підтверджують запропоновану модель. Останні спостереження показали, що все це стосується ще одного типу загадкових небесних тіл, відомих під назвою аномальних рентгенівських пульсарів (Anomalous X-ray Pulsars, AXP).

Нейтронні зірки – найщільніші з відомих небесних тіл: їхня маса, що трохи перевищує масу Сонця, зосереджена в кулі діаметром всього 20 км. Дослідження SGR показали, що деякі нейтронні зірки мають настільки сильне магнітне поле, що воно істотно змінює властивості речовини всередині зірок і квантовий стан вакууму навколо них, що і призводить до фізичних ефектів, що не спостерігаються в інших місцях Всесвіту.

Ніхто не очікував

Оскільки сплеск радіації у березні 1979 р. був настільки сильним, теоретики припустили, що її джерело знаходиться десь у нашій Галактиці на відстані не більше кількох сотень світлових років від Землі. У цьому випадку інтенсивність рентгенівського та гамма-випромінювання об'єкта могла б лежати нижче за максимум стаціонарної світності зірки, який був розрахований у 1926 р. англійським астрофізиком Артуром Еддінгтоном (ArthurEddington). Він визначається тиском випромінювання, що проходить через зовнішні зовнішні шари зірки. Якщо інтенсивність випромінювання перевищить цей максимум, його тиск подолає силу гравітації, викличе викид речовини зірки і порушить її стаціонарність. А потік випромінювання, менший за межі Еддінгтона, пояснити не складно. Наприклад, деякі теоретики припускали, що сплеск випромінювання міг бути викликаний ударом згустку речовини, наприклад астероїда або комети, розташовану неподалік від нас нейтронну зірку.

КАНДИДАТИ В МАГНІТАРИ

У нашій Галактиці та її околицях виявлено дванадцять об'єктів, які можуть бути магнітарами.

Ці спостереження змусили вчених відмовитися від цієї гіпотези. Кожна з космічних станцій відзначила час прибуття першого сплеску жорсткого випромінювання, що дозволило групі астрономів на чолі з Томасом Клайном (Thomas Litton Cline) із Годдардівського центру космічних польотів NASA визначити методом тріангуляції місцезнаходження його джерела. Виявилося, що вона збігається з Великою Магеллановою хмарою – невеликою галактикою, віддаленою від нас приблизно на 170 тис. світлових років. Точніше, становище джерела збігається з молодим залишком наднової – залишками зірки, що світяться, яка вибухнула у Великій Магеллановій хмарі 5 тис. років тому. Якщо це не випадковий збіг, джерело має знаходитися в тисячу разів далі від Землі, ніж передбачалося спочатку, отже, його інтенсивність повинна бути в мільйон разів більша за межу Еддінгтона. У березні 1979 р. це джерело виділив за 0,2 сек. стільки енергії, скільки Сонце випромінює приблизно за 10 тис. років, причому ця енергія сконцентрована в гамма-діапазоні, а не розподілена по всьому спектру електромагнітного випромінювання.

Звичайна зірка не може виділяти стільки енергії, отже джерело має бути чимось незвичайним, наприклад чорною діркою або нейтронною зіркою. Варіант чорної дірки заперечили, т.к. інтенсивність випромінювання змінювалася з періодом близько 8 сек., а чорна діра – безструктурний об'єкт, який може випускати строго періодичні імпульси. Зв'язок із залишком наднової ще більше підкріплює гіпотезу про нейтронну зірку, яка, як зараз вважається, утворюється, коли запас ядерного палива в ядрі звичайної зірки великої маси виснажується, і вона під дією сил гравітації колапсує, викликаючи вибух наднової.

Все ж таки ототожнення джерела сплесків з нейтронною зіркою не вирішило проблеми. Астрономам відомо кілька нейтронних зірок, що у залишках наднових, є радіопульсарами – об'єктами, які періодично випускають імпульси радіохвиль. Однак джерело сплеску в березні 1979 р. оберталося з періодом близько 8 сек., що набагато повільніше, ніж обертання всіх відомих на той час радіопульсарів. І навіть у «спокійний» час він випускав стаціонарний потік рентгенівського випромінювання такої великої інтенсивності, яку може пояснити гальмування обертання нейтронної зірки. Дивно й те, що джерело помітно зміщене від центру залишку наднового. Якщо він утворився в центрі залишку, то для такого зміщення він під час вибуху мав придбати швидкість 1000 км/с, не типову для нейтронних зірок.

Нарешті, незрозумілими здаються і спалахи. Сплески рентгенівського випромінювання спостерігалися в деяких нейтронних зірок і раніше, але вони ніколи не перевищували Еддінгтонівської межі. Астрономи приписували їх процесам термоядерного горіння водню чи гелію чи процесам раптової акреції на зірку. Однак інтенсивність спалахів SGR була безпрецедентною, і для її пояснення був потрібен інший механізм.

Завжди уповільнюючи обертання

Останній сплеск гамма-випромінювання від джерела 5 березня 1979 р. був зареєстрований у травні 1983 р. Два інших SGR, розташовані в межах нашої Галактики, були виявлені в 1979 р. і залишаються активними досі, виробляючи сотні спалахів на рік. У 1998 р. було виявлено четвертий SGR. Три з чотирьох цих об'єктів, ймовірно, пов'язані із залишками наднових. Два з них знаходяться поблизу дуже щільних скупчень масивних молодих зірок, що дозволяє думати про їхнє походження з таких зірок. П'ятий кандидат у SGR спалахував лише двічі, і його точне становище на небі поки не встановлено.

ДВА ТИПУ НЕЙТРОННИХ ЗІРОК

Структура нейтронної зірки, що базується на теорії ядерної матерії. У корі нейтронної зірки, що є структурою з атомних ядер і електронів, можуть відбуватися зіркотруси. Ядро складається здебільшого з нейтронів і, можливо, кварків. Атмосфера з гарячої плазми може простягатися лише на кілька сантиметрів.

У 1996 р. дослідники Баолянь Чен (Baolian L. Chang), Річард Епштейн (Richard I. Epstein), Роберт Гайєр (Robert A. Guyer) та Алекс Янг (C. AlexY oung) з Лос-Аламоської національної лабораторії відзначили, що спалахи SGR схожі на землетруси: спалахи менших енергій трапляються частіше. Випускник Алабамського університету в Хантсвіллі Ерсін Геґюс (Ersin Gegus) підтвердив таку поведінку для великої вибірки спалахів різних джерел. Подібні статистичні властивості характерні для систем, що самоорганізуються, досягають критичного стану, при якому мале обурення здатне викликати ланцюгову реакцію. Така поведінка притаманна різним системам – від обвалення піщаних схилів до магнітних спалахів на Сонці.

Але чому нейтронні зірки поводяться таким чином? Вивчення радіопульсарів, які являють собою нейтронні зірки, що швидко обертаються, з сильними магнітними полями, допомогло відповісти на запитання. Магнітне поле, яке підтримується електричними струмами, що протікають глибоко всередині зірки, обертається разом із зіркою. Пучки радіохвиль випромінюються з магнітних полюсів зірки і переміщуються в просторі через її обертання, подібно до сигнальних вогнів маяка, внаслідок чого і спостерігаються пульсації. Пульсари випускають також потоки заряджених частинок і низькочастотні електромагнітні хвилі, які забирають енергію та кутову нейтронну зірку, внаслідок чого її обертання поступово сповільнюється.

Мабуть, найвідоміший пульсар знаходиться в Крабовидної туманності - залишку наднової, що вибухнула в 1054 р. Період його обертання становить сьогодні 33 мс і за кожні сто років збільшується на 1,3 мс. Зворотна екстраполяція дає початкового періоду пульсара значення близько 20 мс. Вчені вважають, що обертання пульсара і далі уповільнюватиметься, і в результаті його частота стане настільки малою, що він не зможе випускати радіоімпульси. Темп уповільнення обертання був виміряний майже всім радіопульсарів, і, відповідно до теорії, залежить від напруженості магнітного поля зірки. З цих спостережень було зроблено висновок, більшість молодих радіопульсарів повинно мати магнітне полі між $10^(12)$ і $10^(13)$Гс. (Для порівняння: магніт у динаміці звукової колонки має поле близько 100 Гс.)

Спочатку була конвективна піч

Все ж таки питання залишається відкритим: звідки береться магнітне поле? Більшість астрономів припускають, що воно виникло в ті часи, коли зірка ще не стала надновою. Слабке магнітне поле мають усі зірки, і воно може посилитися просто внаслідок її стиснення. Відповідно до рівнянь електродинаміки Максвелла, зменшення розмірів намагніченого об'єкта вдвічі збільшує силу його магнітного поля вчетверо. За час колапсу ядра масивної зірки, що закінчується народженням нейтронної зірки, його розміри зменшуються в $10^5$ разів, отже магнітне поле має посилитися в $10^(10)$ разів.

Якщо магнітне поле ядра зірки від початку було досить сильно, стиснення ядра може пояснити намагніченість пульсара. На жаль, виміряти магнітне поле всередині зірки неможливо, тож перевірити гіпотезу не можна. Крім того, є досить вагомі підстави вважати, що стиск зірки – не єдина причина посилення поля.

У процесі еволюції магнітне поле змінює свою форму, породжуючи електричні струми, що протікають уздовж магнітних силових ліній зовні зірки.

У зірці газ може циркулювати внаслідок конвекції. Більш гарячі ділянки іонізованого газу спливають, а холодніші – опускаються. Оскільки іонізований газ добре проводить електричний струм, магнітні силові лінії, що пронизують його, захоплюються потоком речовини. Таким чином, поле може змінюватись і іноді посилюватися. Передбачається, що це явище, відоме під назвою динамо-механизма, може бути причиною виникнення магнітних полів у зірок і планет. Динамо-механізм може діяти на будь-якій стадії життя масивної зірки, якщо її турбулентне ядро ​​обертається досить швидко. Більше того, саме протягом короткого періоду після перетворення ядра на нейтронну зірку конвекція особливо сильна.

У 1986 р. Адам Берроуз (Adam Burrows) з університету Арізони і Джеймс Латтімер (James M. Lattimer) з Університету штату Нью-Йорк за допомогою комп'ютерного моделювання показали, що температура щойно утворилася нейтронної зірки перевищує 30 млрд. градусів. Гаряча ядерна рідина циркулює з періодом 10 мс, маючи величезну кінетичну енергію. Приблизно через 10 с. конвекція згасає.

Незабаром після моделювання, проведеного Берроузом і Латтімером, Дункан і Томпсон, які тоді працювали в Прінстонському університеті, оцінили ступінь важливості такої потужної конвекції для утворення магнітного поля нейтронної зірки. Як вихідна точка можна використовувати Сонце. Коли речовина всередині неї циркулює, вона захоплює у себе магнітні силові лінії, віддаючи магнітному полю близько 10% своєї кінетичної енергії. Якщо середовище, що рухається всередині нейтронної зірки, також перетворює на магнітне поле одну десяту своєї кінетичної енергії, то напруженість поля повинна перевищити $10^(15)$ Гс, що в 1000 разів більше полів більшості радіопульсарів.

Чи діятиме динамо-машина у всьому обсязі зірки або лише в окремих її областях, залежить від того, чи можна порівняти швидкість обертання зірки зі швидкістю конвекції. У глибоких шарах усередині Сонця ці швидкості близькі, і магнітне поле може самоорганізовуватися у великому масштабі. Аналогічно у новонародженої нейтронної зірки період обертання вбирається у 10 мс, отже надсильні магнітні поля у ній можуть широко поширитися. У 1992 р. ми назвали такі гіпотетичні нейтронні зірки. магнітарами .

Верхня межа напруженості магнітного поля нейтронної зірки близько $10^(17)$Гс. При сильніших полях речовина всередині зірки починає перемішуватися і магнітне поле розсіюється. У Всесвіті нам не відомі об'єкти, здатні генерувати та підтримувати магнітні поля, що перевищують названу межу. Одним із побічних наслідків наших розрахунків є висновок, що радіопульсари – це нейтронні зірки, у яких великомасштабний динамо-механізм не запрацював. Так, у разі пульсара в Крабі молода нейтронна зірка оберталася з періодом близько 20 мс, тобто суттєво повільніше, ніж період конвекції.

Мерехтливий маленький магнітар

Хоча концепція магнітара ще не розроблена настільки, щоб можна було пояснити природу SGR, її висновки зараз стануть зрозумілими. Магнітне поле має діяти на обертання магнітара як сильне гальмо. За 5 тис. років поле $10^(15)$Гс уповільнить обертання об'єкта настільки, що його період досягне 8 сек., – що пояснює пульсації випромінювання, що спостерігалися під час сплеску в березні 1979 р.

У процесі еволюції магнітне поле змінює свою форму, породжуючи електричні струми, що точаться вздовж магнітних силових ліній зовні зірки, які, своєю чергою, генерують рентгенівські промені. Одночасно магнітне поле рухається через тверду кору магнітара, створюючи в ній згинальні і напруги, що розтягують. Це викликає нагрів внутрішніх шарів зірки і іноді призводить до розломів кори, що супроводжується потужними «зіркотрусами». Електромагнітна енергія, що виділяється при цьому, створює щільні хмари електронів і позитронів, а також раптові сплески м'якого гамма-випромінювання помірної сили, які дали назву періодичним джерелам SGR.

Рідше магнітне поле стає нестабільним і зазнає великомасштабної перебудови. Подібні (але менші) викиди відбуваються іноді і на Сонці, породжуючи сонячні спалахи. Магнітар може мати енергію, достатню для надпотужних спалахів, подібних до спостерігалася в березні 1979 р. Згідно з теорією, протягом першої півсекунди гігантського сплеску джерелом радіації була плазмова куля, що розширюється. У 1995 р. ми припустили, що його речовина була захоплена магнітними силовими лініями і утримувалася поблизу зірки. Ця захоплена частина поступово стискалася і випаровувалась, безперервно випромінюючи рентгенівські промені. Виходячи з кількості енергії, що виділилася, ми розрахували, що для утримання цієї величезної плазмової кулі потрібно магнітне поле не менше $10^(14)$Гс, що відповідає оцінці, зробленій на основі швидкості уповільнення обертання зірки.

У 1992 р. Богдан Пачинський (Bohdan Paczinski) з Прінстонського університету дав незалежну оцінку магнітного поля, зазначивши, що рентгенівські промені можуть легше проходити через електронні хмари, якщо заряджені частинки знаходяться в сильному магнітному полі. Щоб інтенсивність потоку рентгенівських променів у спалаху могла бути такою великою, індукція магнітного поля мала перевищувати $10^(14)$Гс.

ЕКСТРЕМАЛЬНІ МАГНІТНІ ПОЛЯ

МАГНІТНІ ПОЛЯ вносять сум'яття у випромінювання та речовину

ДВУЛУЧЕПРОЛАМЛЕННЯ ВАКУУМА
Поляризована світлова хвиля (помаранчева лінія) при вході в дуже сильне магнітне поле змінює свою швидкість, а отже, довжину хвилі (чорні лінії).

Розщеплення фотонів
Рентгенівські фотони легко розпадаються на два або зливаються один з одним. Цей процес важливий у полях сильніше за $10^(14)$Гс.

ПРИГЛЯД РОЗСІЯ
Світлова хвиля може проходити повз електрон (чорна точка) майже без обурення, якщо магнітне поле не дозволяє йому коливатися і вібрувати з частотою хвилі.

ДЕФОРМАЦІЯ АТОМІВ
Поля сильніші за $10^9$Гс надають орбіталям електронів сигароподібну форму. У полі інтенсивністю $10^(14)$Гс атом водню звужується у 200 разів.

Теорію ускладнює те що, що напруженість полів магнітарів перевищує квантовий електродинамічний поріг, що становить $4\cdot 10^(13)$Гс. У таких сильних полях починають творитися дивні речі: рентгенівські фотони легко розщеплюються на два або зливаються один з одним. Поляризується сам вакуум, внаслідок чого в ньому виникає сильне двопроменезаломлення, як у кристалі кальциту. Атоми деформуються, перетворюючись на витягнуті циліндри діаметром менше від комптонівської довжини хвилі електрона (див. таблицю). Усі ці дивні ефекти впливають на спостережливі прояви магнітарів. Фізика цих явищ настільки незвичайна, що вона приваблює лише небагатьох дослідників.

Новий спалах

Дослідники продовжили спостереження за джерелами сплесків випромінювання. Перша сприятлива нагода з'явилася тоді, коли Комптонівська космічна гамма-обсерваторія NASA у жовтні 1993 року зареєструвала сплеск гамма-випромінювання. Цього давно чекала Кувеліоту, яка приєдналася до команди обсерваторії у Хантсвіллі. Прилад, що зареєстрував подію, дозволяв визначити розташування джерела лише з точністю до порівняно широкої смуги неба. Кувеліоту звернулася за допомогою до команди японського супутника ASCA. Незабаром Тошіо Муракамі (Toshio Murakami) і його колеги з японського Інституту космічних наук і астронавтики виявили в тій же області неба рентгенівське джерело, що рівномірно випромінювало. Потім стався ще один сплеск, який зняв усі сумніви, що цей об'єкт є SGR. Вперше цей об'єкт було виявлено у 1979 р., і тоді йому було надано назву SGR 1806-20.

У 1995 р. NASA запустила супутник Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE), розроблений для високоточної реєстрації змін інтенсивності рентгенівського випромінювання. За його допомогою Кувеліоту встановила, що випромінювання від SGR 1806-20 пульсує з періодом 7,47 сек., близьким до періоду 8 сек., Що спостерігалося у сплеску випромінювання в березні 1979 (від джерела SGR 0526-66). За п'ять років період обертання SGR збільшився приблизно на 0,2%. Хоча темп уповільнення здається невисоким, він вищий, ніж у будь-якого відомого радіопульсара, що дозволяє оцінити магнітне поле джерела $10^(15)$Гс.

Для суворішої перевірки моделі магнітара був потрібний ще один гігантський спалах. Рано-вранці 27 серпня 1998 р., через 19 років після спалаху, що започаткував астрономію SGR, до Землі з глибин світового простору прийшла ще потужніша хвиля гамма-випромінювання. Внаслідок цього детектори семи наукових космічних станцій зашкалили, а міжпланетна станція NASA Comet Asteroid Rendezvous Flyby була змушена перейти в режим аварійного відключення. Гамма-промені потрапили на нічний бік Землі з джерела, що знаходиться в зеніті над серединою Тихого океану.

Цього ранку інженер-електрик Умран Інан (Umran S. Inan) та його колеги зі Стенфордського університету збирали дані про поширення дуже низькочастотних радіохвиль навколо Землі. О 3:22 за середньоєвропейським часом вони виявили різку зміну іонізованих верхніх шарів атмосфери: нижня межа іоносфери за п'ять хвилин опустилася з 85 до 60 км. Це дивовижне явище було викликане нейтронною зіркою у віддаленій від нас частині Галактики, що віддалялася від Землі на 20 тис. світлових років.

Ще одна динамо-машина

Спалах 27 серпня 1998 р. був майже копією події березня 1979 р. Насправді її енергія була вдесятеро менша, але оскільки джерело розташовувалося ближче до Землі, інтенсивність сплеску гамма-випромінювання була набагато більшою, ніж будь-якого з коли-небудь зареєстрованих сплесків, що прийшли з-за меж Сонячної системи. Останні кількасот секунд спалаху спостерігалися виразні пульсації з періодом 5,16 сек. За допомогою супутника RXTE група Кувеліота провела вимірювання швидкості уповільнення обертання зірки. Вона виявилася порівнянною зі швидкістю уповільнення SGR 1806-20, відповідно їх магнітні поля близькі. Таким чином, до списку магнітарів було внесено ще один SGR. Точна локалізація джерел у рентгенівських променях дозволила вивчати їх за допомогою радіо- та інфрачервоних телескопів (але не у видимому світлі, яке сильно поглинається міжзоряним пилом). Цією проблемою займалися кілька астрономів, зокрема Дейл Фрейл (Dale Frail) із Національної радіоастрономічної лабораторії США та Шрі Кулкарні (Shri Kulkarni) із Каліфорнійського технологічного інституту. Інші спостереження показали, що всі чотири підтверджені SGR продовжують випромінювати енергію, хоча й слабше, у проміжках між спалахами.

ЯК ВІДБУВАЮТЬСЯ СПОЛУКИ МАГНІТАРА

Магнітне поле зірки настільки сильне, що у твердій корі часом відбуваються розломи, вивільняючи величезну кількість енергії.

1 Більшість часу магнітар спокійний, але викликані магнітним полем напруги у його твердій корі поступово наростають.

2 У певний момент напруги в корі перевищують межу її міцності, і вона ламається, ймовірно, на безліч дрібних шматків.

3 Цей «зіркотрус» породжує пульсуючий електричний струм, який швидко згасає, залишаючи після себе розпечену плазмову кулю.

4 Плазмовий шар охолоджується, випускаючи зі своєї поверхні рентгенівські промені. За лічені хвилини він випаровується.

Сьогодні можна сказати, що магнітні поля магнітарів виміряні точніше магнітних полів пульсарів. У випадку одиночних пульсарів єдиним свідченням того, що їх магнітні поля досягають $10^(12)$ Гс є виміряні швидкості уповільнення їх обертання. У той час як поєднання швидкого уповільнення та яскравих рентгенівських спалахів надає кілька незалежних аргументів на користь того, що магнітні поля магнітарів становлять від $10^(14)$ до $10^(15)$Гс. Алаа Ібрагім (Alaa Ibrahim) і його колеги з Годдардовського центру космічних польотів NASA представили ще одне свідчення, що говорить про велику силу магнітних полів магнітарів, а саме рентгенівські циклотронні спектральні, що генеруються, мабуть, протонами, що обертаються на 0 (15) $ Гс.

Цікаво, чи пов'язані магнітари з якими ще космічними явищами, крім SGR? Природа коротких гамма-сплесків ще не отримала переконливого пояснення, але деякі з них, можливо, виникають через спалахи на магнітарах в інших галактиках. При спостереженні з дуже великих відстаней навіть гігантський спалах може бути близьким до межі чутливості телескопа. При цьому можна буде зафіксувати лише короткий інтенсивний сплеск жорсткого гамма-випромінювання, тому телескопи його зареєструють як GRB, а не SGR.

У середині 90-х років. Томпсон і Дункан припустили, що магнітарами можуть виявитися також аномальні рентгенівські пульсари (AXP) - об'єкти, багато в чому подібні до SGR. Але спалахів таких пульсарів не спостерігалося. Однак Вікторія Каспі (Victoria M. Kaspi) та Фотіс Гевріл (Fotis P. Gavriil) з Університету Макгілла та Пітер Вудз (Peter M. Woods) з ​​Національного центру космічних досліджень та технологій у Хантсвіллі зареєстрували спалахи у двох із семи відомих AXP. Один із цих об'єктів асоціюється із залишками молодої наднової в сузір'ї Кассіопеї, інший AXP – перший кандидат у магнітари, зафіксований у видимому світлі. Три роки тому його виявили Ферді Хюллеман (Ferdi Hulleman) та Мартін ван Керквік (Marten van Kerkwijk) з Утрехтського університету (Нідерланди), які працювали з Кулкарні. З того часу Браян Керн (Brian Kern) та Крістофер Мартін (Christopher Martin) з Каліфорнійського технологічного інституту спостерігають за його яскравістю у видимому світлі. Його випромінювання слабшає та посилюється з періодом, рівним періоду пульсацій рентгенівського випромінювання нейтронної зірки. Ці спостереження підтверджують ідею у тому, що це AXP є магнітаром. Якби він був звичайною нейтронною зіркою, оточеною диском речовини, його видиме та інфрачервоне випромінювання були б набагато інтенсивнішими, а їх пульсації – набагато слабшими.

Природа коротких гамма-сплесків ще не отримала переконливого пояснення, але деякі з них, можливо, виникають через спалахи на магнітарах в інших галактиках.

Останні відкриття та повне мовчання джерела сплесків у Великій Магеллановій хмарі протягом 20 років наводять на думку, що магнітари можуть зберігати стан спокою протягом кількох років і десятиліть, а потім раптово виявляти високу активність. Деякі астрономи вважають, що AXP в середньому молодший, ніж SGR, але питання залишається відкритим. Якщо і SGR, і AXP є магнітарами, вони становлять, мабуть, значну частку загальної кількості нейтронних зірок.

Історія магнітарів - нагадування про те, як багато нам ще доведеться дізнатися про Всесвіт. Сьогодні ми ледве розрізняємо дюжину магнітарів серед безлічі зірок. Вони виявляють себе лише на частки секунди в таких променях, які реєструють найскладніші сучасні телескопи. За 10 тис. років їх магнітні поля згасають, і вони перестають випромінювати інтенсивне рентгенівське випромінювання. Таким чином, десяток виявлених магнітарів свідчить про існування більше мільйона, а можливо, сотень мільйонів подібних до них. Старі, темні, давно згаслі магнітари, подібно до дивовижних світів, мандрують у міжзоряному просторі. Яку таємницю ми маємо ще відкрити?

ДОДАТКОВАЛІТЕРАТУРА:
Flash! Hunt for Biggest Explosions in the Universe. Govert Schilling. Cambridge University Press, 2002.

ПРО АВТОРИ:
Крісса Кувеліоту (Chryssa Kouveliotou), Роберт Дункан (Robert C. Duncan), Крістофер Томпсон (Christopher Thompson) вивчають магнітари загалом 40 років. Кувеліоту – спостерігач, працює у Національному центрі космічних наук та технологій у Хантсвіллі (штат Алабама). До об'єктів, що нею спостерігаються, крім повторних м'яких гамма-сплесків (SGR), входять «звичайні» гамма-сплески і подвійні рентгенівські системи. Дункан і Томпсон – теоретики: перший працює у Техаському університеті в Остіні, а другий – у Канадському інституті теоретичної астрофізики у Торонто. Дункан вивчає наднову, кваркову речовину та міжгалактичні газові хмари. Томпсон вивчав різні теми - від космічних струн до падіння гігантських метеоритів у Сонячній системі на ранніх етапах її існування.