Магнетары

Магнетары Звёзды

Магнетары – это самые мощные известные магниты во Вселенной, источники чудовищных вспышек и выбросов, которые могут даже повлиять на нашу атмосферу с расстояния десятки тысяч световых лет. Объекты, на которых происходит звёздотрясения, и это тоже магнетары. Конечно, кроме, шокирующих фактов мы постараемся разобраться в деталях.

Магнетары — это тип нейтронных звёзд с особенно мощным магнитным полем. Кстати, о магнитном поле, давайте вспомним пару основных элементарных моментов. Тем более как понятно из названия, магнетары, магнитное поле играет очень важную роль.

В одной из статей про пульсары, рассказывалось о том, как когда ядро звезды-гиганта под действием гравитации коллапсирует и уменьшается в размерах, изначальное вращение многократно ускоряется из-за сохранения момента импульса, подобно тому как фигурист начинает вращаться быстрее, сводя руки. А также, кроме вращения и магнитное поле звезды непросто сохраняется, а из-за сохранения магнитного потока, усиливается при коллапсе, когда магнитные линии становятся ближе. Заряженные частицы имеют положительный или отрицательный заряд и производят электрическое поле. Если заряженная частица двигается, она создаёт магнитное поле и наоборот изменяющееся магнитное поле создаёт электрическое.

Возникает вопрос, как же в нейтронной звезде может быть магнитное поле? Ведь нейтронная звезда состоит из нейтронов, а они не имеют заряда. Но эти нейтронные звёзды состоят не только из нейтронов, там есть примеси других, а именно заряженных частиц, электроны и протоны, которые и могут создавать электрическое и магнитное поле.

Вообще магнитные поля во Вселенной повсюду. Большая часть материи ионизирована, а также всё во Вселенной постоянно движется. Даже ионизированный газ в межзвёздном пространстве под действием гравитации порождает магнитные поля. Да, они очень слабые, но и их можно зарегистрировать, например, благодаря поляризации. Но и у нейтронных звёзд наблюдаться мощные магнитные поля, хотят то, насколько они сильны может отличаться на порядки.

Что же такое магнетары

Итак, что же такое магнетары? Притом что известно более 2000 нейтронных звёзд к магнетарам относят лишь пару десятков из них, и их изучение продолжается. После просмотра какого-нибудь видео об чудовищных свойств магнетара, может сложиться впечатление, что это некий объект, который мы можем увидеть, как скажем Солнце. И хоть некоторые из них наблюдаются и в оптическом диапазоне, сами по себе нейтронные звёзды очень малы, в районе двадцати километров в диаметре и находятся очень далеко. Так что все подобные изображения — это естественное представление художника.

Однако есть множество наблюдательных данных в разных диапазонах и модель магнетара это то, что наилучшим на сегодняшний день образом описывает эти эффекты и наблюдения. Если посмотрите на список магнетаров, то в их названиях увидите набор цифр, это координаты объекта на небе в экваториальной системе, прямое восхождение и склонение. А также аббревиатуру SGR, а ещё встречается аббревиатура AXP. Что же они означают, SGR — soft gamma repeater или источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. AXP – Anomalous x-ray pulsar или аномальные рентгеновские пульсары. И те и другие — это высокоэнергетические источники и изначально их разделяли на два разных класса.

Большинство аномальных рентгеновских пульсаров были открыты как очень яркие пульсары в мягком рентгеновском диапазоне и изначально их не отличали от более многочисленных рентгеновских двойных, в которых основным источником энергии служила аккреция. Однако затем по ряду признаков, например, по их спектру, скорости вращения и тому как они замедляются, их отделили от рентгеновских двойных. А мягкие повторяющиеся гамма-всплески были обнаружены, как можно догадаться, из названия в мягком гамма-диапазоне, а также в жёсткой части рентгеновского. Их наблюдали как очень мощные всплески и интересной особенностью было то, что эти всплески повторялись и исходили из одного и того же участка неба, однако были нерегулярными.

Фото ниже можете наблюдать объект SGR J1550-5418 с обсерватории Swift. Первый такой всплеск был зарегистрирован ещё в 1979 году. Однако позже в тех же областях пространства, из которых исходили мягкие гамма-всплески, обнаружили устойчивые пульсирующие источники рентгеновского излучения, похожие на аномальные рентгеновские пульсары. И наоборот у источников, которые ранее классифицировали, как аномальные рентгеновские пульсары, обнаружили мягкие гамма-всплески. И в результате учёные считают, что это один и тот же класс объектов и все они являются магнетарами.

Вспышки SGR J1550-5418, зарегистрированные телескопом Swift 23—28 января 2009 г.
Вспышки SGR J1550-5418, зарегистрированные телескопом Swift 23—28 января 2009 г.

Насколько мощные магнитары

Но, возможно, кто-то скажет, при чём здесь магнетары. Как из определённого гамма и рентгеновского излучения следует самые мощные магниты во Вселенной. А дело в том, что регистрируемые события, которые сейчас соотносят с магнетарами, очень сильные и такая мощность требует иных источников энергии, нежели у других пульсаров и лучше всего на эту роль подходит магнитное поле.

Но давайте поподробнее, насколько мощные эти события. Ну, например, в декабре 2004 года было зарегистрирована мощнейшая вспышка, источником, который был магнетар SGR 1806-20 и непросто мощнейшей, а рекордная. Одно из самых ярких событий, когда-либо зарегистрированных человеком из-за пределов Солнечной системы. Кратковременное излучение было ярче полной луны и всех исторических взрывов звёзд. И ярче всего излучения было в гамма-диапазоне. События наблюдалось многими телескопами.

И вот, например (фото ниже), кривая света с космической обсерватории Swift, вот этот участок кривой вначале суммарная яркость всего наблюдаемого в небо до вспышки и затем бум, первый пик даже не влезает в схему. Далее видим ещё пики, а также их периодичность, что говорит о том, что источником излучения является пульсар с периодом 7,5 секунд. Даже глядя на эту кривую, видно, насколько вспышка мощнее всего, что было в поле зрения телескопа.

Кривая света с космической обсерватории Swift
Кривая света с космической обсерватории Swift

Но знаете, что самое интересное, сигнал даже не был в поле зрения аппарата, Swift смотрел в другую сторону. Сигнал был настолько сильным, что прошёл сквозь 37 килограммовый многослойны щит из свинца и других металлов и попал на детекторы. А другой аппарат даже зарегистрировал сигнал отражённые от Луны, это, кстати, совместный аппарат России и Украины CORONAS-F.

Но и это ещё не всё, источник этого сигналы можно сказать находился на другой стороне галактики в 50-ти тысячах световых лет от нас. И это событие повлияло не только на космические аппараты, но и на атмосферу Земли. Атомы ионосферы на дневной стороне нашей планеты ионизируются под действием излучения Солнца, а ночью же находятся в нейтральном состоянии. Однако в момент этой вспышки с ночной стороны был зафиксирован уровень ионизации сопоставимый с дневными значениями.

Если бы источник этого излучения находился в 10 световых годах от нас, это вспышка оказало бы существенное и разрушительное воздействие на нашу атмосферу. За одну десятую долю секунды SGR 1806-20 выделил столько энергии, сколько наше Солнце излучала бы 150 тысяч лет.

Да, известны лишь единицы события такого масштаба, но даже если брать события слабее, всё равно магнетары выделяются из общей массы нейтронных звёзд, хотя граница может быть размыта.

Откуда такая энергия у магнитаров

Но откуда такая энергия у нейтронных звёзд, ведь по большому счёту это, можно сказать, мёртвые звёзды, точнее, останки массивных звёзд. И в отличие от звёзд на главной последовательности там не происходят термоядерные реакции.

В случае нейтронных звёзд там может быть несколько источников энергии:

  • Как мы помним, они очень быстро вращаются, поэтому, во-первых, энергия вращения.
  • Далее энергия выделяющиеся в процессе аккреции в особенности в двойных системах, когда материал одной звезды падает на другую.
  • Третий вариант — это остаточное тепло.
  • Ну и наконец энергия магнитного поля.

Известно, что со временем скорость вращения пульсаров замедляется. Зная период вращения, и то как период увеличиваются, то есть как замедляется пульсар можно рассчитать выделяемую энергию. И её оказывается достаточно и для регистрируемого радиоизлучения многих пульсаров, но и для видимого и рентгеновского излучения туманности, окружающих пульсары. Например, такие расчёты совпадают ли у пульсара PSR B0531+21 и окружающей его Крабовидную туманность. Существует множество нейтронных звёзд, основным источником энергии, для которых является вращение. Однако такие расчёты для тех нейтронных звёзд, которые сейчас ассоциируют с магнетарами показывают, что этой энергии недостаточно.

Что же до аккреции то сам процесс хорошо известен и является источником энергии в двойных рентгеновских системах. Первый открытый источник рентгеновского излучения вне Солнечной системы Скорпион Х-1 является как раз двойной системой, в которой происходит аккреция массы звезды компаньона в нейтронную звезду. И опять же таких систем где основную роль играет аккреция известны сотни. Какое-то время считали, что источником энергии для некоторых аномальных пульсаров, которые сейчас считают магнитарми, была аккреция. На тот момент это казалось наиболее естественным объяснением. Однако позже не удалось обнаружить ярких звёзд компаньонов, которые должны были бы быть, если бы это были двойные с высокой массой. А также не были обнаружены доплеровские смещения, которые должны возникать при движении компаньонов в двойной системе и это исключало мало массивные двойные системы. Эти и другие находки говорят о том, что с SGR AXP являются одиночными нейтронными звёздами, а значит аккреция не может отвечать за такие мощные события.

Учитывая, что перечисленные источники энергии не могли объяснить поведение горстки необычных нейтронных звёзд, была предложена модель магнетара. Нейтронных звёзд, главным источником энергии которых является мощное магнитное поле. Достаточно мощное магнитное поле уже могло объяснить свойства источников мягких гамма-всплесков и аномальных рентгеновских пульсаров. Ну и для того чтобы проверить эту модель нужно измерить магнитное поле этих объектов.

Очевидно, что мы не можем взять и отправить к ним аппарат с магнитометром, ведь они находятся очень далеко. Например, один из известных таких объектов вообще находятся в другой галактике, в Большом Магеллановом облаке. Поэтому нужны другие методы и сразу несколько аргументов действительно указывают на существование мощного магнитного поля. Традиционный способ определения магнитного поля одиночных нейтронных звёзд основан на отношение периода или скорости вращения и того, как быстро это вращение замедляется.

Наверняка многие из вас видели диаграмма Герцшпрунга — Рассела. Так вот у нейтронных звёзд есть своя диаграмма. По горизонтальной оси мы видим период вращения в секундах от миллисекунд до 10 секунд, по вертикали показано замедление вращения. Те что сверху замедляются быстрее всего, а у нижних вращение замедляется очень медленно. Учёные измеряют эти параметры и наносят пульсары на диаграмму. В нижнем правом углу у нас, например, миллисекундные пульсары, которые совершают сотни оборотов в секунду. В течение своей жизни пульсары постепенно перемещаются в вправо и однажды попадают на так называемое кладбище, нижний правый угол. Их энергии уже может быть недостаточно, чтобы их зарегистрировать. Ну и наши магнетары отмеченные незакрашенными треугольниками стоят особнячком в правом верхнем углу.

Диаграмма нейтронных звёзд
Диаграмма нейтронных звёзд

У них длительный период обращения в сравнении с другими пульсарами 2 до 12 секунд, однако замедляются они быстрее всех. Это отношения, количества энергии, изучение мощных вспышек энергии, кратковременных всплесков и характера вариации светимости, позволяют рассчитать магнитное поле для потенциальных магнетаров. Но насколько же она мощное?

Самые мощные магнитары

Магнитное поле нашей планеты на поверхности, которая управляет стрелкой компаса равно примерно 0,6 Гаусс, обычный магнит 100 Гаусс. Магнитное поле тёмных пятен на Солнце 1500 Гаусс и более. Магниты в магнитно-резонансных томографов могут достигать 7 Тесла или 70 тысяч Гаусс. Но магнетары и их внешнее магнитное поле может варьироваться от 1013 до 1015 или квадриллиона Гаусс это миллион миллиардов. Такое магнитное поле с расстояния в сотни тысяч километров может стирать информацию с магнитных носителей. А окажись человек слишком близко к такому полю, ближе, чем на тысячу километров она бы разорвало его тело на уровне атомов.

Самым мощным известным магнитом во вселенной на данный момент является магнетар SGR 1806-20, тот самый, что произвёл мощнейшую вспышку, о которой я говорил ранее, и это внешнее поле. Внутреннее поле может быть ещё более сильным и иметь более сложную структуру, чем внешние. Предполагается что внутренние магнитное поле может производить разломы в плотной коре нейтронной звезды и получаются скажем так, звёздотрясение. И через эти разломы высвобождается огромное количество накопленной энергии, что мы и регистрируем как мощные выбросы, как, например, в случае с магнетаром SGR 04 18, у которого сравнительно слабое внешнее магнитное поле, но были зарегистрированы мощные выбросы, которые, видимо, и были результатом таких разломов в оболочке нейтронной звезды.

Вспышки и выбросы на Солнце имеют также магнитную природу и кажутся нам очень мощными событиями, но то, что предположительно происходит на магнитарах имеет совершенно другой невообразимый масштаб. Конечно, ещё предстоит ответить на много вопросов, есть несколько теорий, которые объясняют природу такого мощного магнитного поля и появление магнетаров. Возможно, останки звёзд становятся магнитарами, когда совпадают необходимые параметры магнитного поля, скорости вращения и температуры и они запускают механизм динамо, которая на порядки усиливает магнитное поле. А также есть версия, что появление магнетаров происходит изначально в двойных системах и один из компаньонов выбрасывается и остаётся одиночный магнетар. На это, например, указывает сравнительно недавнее открытие, к этому мы, возможно, ещё вернёмся. На сегодняшний день модель магнетара лучше всего объясняет природу небольшой, необычной группы нейтронных звёзд и является широко признанный в научном сообществе, но безусловно, продолжает активно изучаться.

Оцените статью
Добавить комментарий