Звездное магнитное поле — это магнитное поле, создаваемое движением проводящей плазмы внутри звезды . Это движение создается посредством конвекции , которая является формой переноса энергии, включающей физическое перемещение материала. Локализованное магнитное поле оказывает силу на плазму, эффективно увеличивая давление без сопоставимого увеличения плотности. В результате намагниченная область поднимается относительно остальной части плазмы, пока не достигнет фотосферы звезды . Это создает звездные пятна на поверхности и связанное с ними явление корональных петель . [1]
Магнитное поле звезды можно измерить с помощью эффекта Зеемана . Обычно атомы в атмосфере звезды поглощают определенные частоты энергии в электромагнитном спектре , создавая характерные темные линии поглощения в спектре. Однако, когда атомы находятся в магнитном поле, эти линии расщепляются на несколько близко расположенных линий. Энергия также становится поляризованной с ориентацией, которая зависит от ориентации магнитного поля. Таким образом, силу и направление магнитного поля звезды можно определить, исследуя линии эффекта Зеемана. [2] [3]
Звездный спектрополяриметр используется для измерения магнитного поля звезды. Этот инструмент состоит из спектрографа , объединенного с поляриметром . Первым инструментом, предназначенным для изучения звездных магнитных полей, был NARVAL, который был установлен на телескопе Бернара Лио на пике Миди-де-Бигор во французских Пиренеях . [4]
Различные измерения, включая измерения магнитометра за последние 150 лет; [5] 14 C в кольцах деревьев; и 10 Be в ледяных кернах [6] , установили существенную магнитную изменчивость Солнца в масштабах десятилетий, столетий и тысячелетий. [7]
Звездные магнитные поля, согласно теории солнечного динамо , возникают в конвективной зоне звезды. Конвективная циркуляция проводящей плазмы функционирует как динамо . Эта активность разрушает изначальное магнитное поле звезды, а затем генерирует дипольное магнитное поле. Поскольку звезда подвергается дифференциальному вращению — вращению с разной скоростью для разных широт — магнетизм скручивается в тороидальное поле «потоковых канатов», которые оборачиваются вокруг звезды. Поля могут стать высококонцентрированными, вызывая активность, когда они выходят на поверхность. [8]
Магнитное поле вращающегося тела проводящего газа или жидкости развивает самоусиливающиеся электрические токи , и, таким образом, самогенерируемое магнитное поле, из-за комбинации дифференциального вращения (различная угловая скорость разных частей тела), сил Кориолиса и индукции. Распределение токов может быть довольно сложным, с многочисленными открытыми и замкнутыми контурами, и, таким образом, магнитное поле этих токов в их непосредственной близости также довольно закручено. Однако на больших расстояниях магнитные поля токов, текущих в противоположных направлениях, нейтрализуются, и выживает только чистое дипольное поле, медленно уменьшающееся с расстоянием. Поскольку основные токи текут в направлении движения проводящей массы (экваториальные токи), основным компонентом генерируемого магнитного поля является дипольное поле экваториальной токовой петли, таким образом создавая магнитные полюса вблизи географических полюсов вращающегося тела.
Магнитные поля всех небесных тел часто совпадают с направлением вращения, за исключением некоторых пульсаров .
Еще одной особенностью этой модели динамо является то, что токи являются переменными, а не постоянными. Их направление, а значит и направление магнитного поля, которое они генерируют, чередуется более или менее периодически, меняя амплитуду и направление, хотя все еще более или менее выровненным с осью вращения.
Основной компонент магнитного поля Солнца меняет направление каждые 11 лет (так что период составляет около 22 лет), что приводит к уменьшению величины магнитного поля вблизи времени инверсии. Во время этого покоя активность солнечных пятен максимальна (из-за отсутствия магнитного торможения плазмы) и, как следствие, происходит массивный выброс высокоэнергетической плазмы в солнечную корону и межпланетное пространство. Столкновения соседних солнечных пятен с противоположно направленными магнитными полями приводят к образованию сильных электрических полей вблизи быстро исчезающих областей магнитного поля. Это электрическое поле ускоряет электроны и протоны до высоких энергий (килоэлектронвольт), что приводит к струям чрезвычайно горячей плазмы, покидающим поверхность Солнца, и нагреванию корональной плазмы до высоких температур (миллионы кельвинов ).
Если газ или жидкость очень вязкие (что приводит к турбулентному дифференциальному движению), то инверсия магнитного поля может быть не очень периодической. Так обстоит дело с магнитным полем Земли, которое создается турбулентными течениями в вязком внешнем ядре.
Звездные пятна — это области интенсивной магнитной активности на поверхности звезды. (На Солнце они называются солнечными пятнами .) Они образуют видимый компонент трубок магнитного потока , которые формируются в конвективной зоне звезды . Из-за дифференциального вращения звезды трубка скручивается и растягивается, что препятствует конвекции и создает зоны с температурой ниже нормальной. [9] Корональные петли часто образуются над звездными пятнами, формируясь из линий магнитного поля, которые тянутся в звездную корону . Они, в свою очередь, нагревают корону до температур более миллиона кельвинов . [10]
Магнитные поля, связанные со звездными пятнами и корональными петлями, связаны с вспышечной активностью и связанным с ней выбросом корональной массы . Плазма нагревается до десятков миллионов кельвинов, и частицы ускоряются от поверхности звезды на экстремальных скоростях. [11]
Поверхностная активность, по-видимому, связана с возрастом и скоростью вращения звезд главной последовательности. Молодые звезды с высокой скоростью вращения демонстрируют сильную активность. Напротив, звезды среднего возраста, подобные Солнцу, с низкой скоростью вращения демонстрируют низкий уровень активности, который меняется циклически. Некоторые старые звезды практически не проявляют активности, что может означать, что они вошли в затишье, сравнимое с минимумом Маундера Солнца . Измерения изменения звездной активности во времени могут быть полезны для определения дифференциальных скоростей вращения звезды. [12]
Звезда с магнитным полем будет генерировать магнитосферу , которая простирается наружу в окружающее пространство. Линии поля этого поля берут начало на одном магнитном полюсе звезды, а затем заканчиваются на другом полюсе, образуя замкнутую петлю. Магнитосфера содержит заряженные частицы, которые захватываются из звездного ветра , которые затем движутся вдоль этих линий поля. Когда звезда вращается, магнитосфера вращается вместе с ней, увлекая за собой заряженные частицы. [13]
Поскольку звезды испускают материю со звездным ветром из фотосферы, магнитосфера создает крутящий момент на выброшенной материи. Это приводит к передаче углового момента от звезды к окружающему пространству, вызывая замедление скорости вращения звезды . Быстро вращающиеся звезды имеют более высокую скорость потери массы, что приводит к более быстрой потере импульса. По мере замедления скорости вращения уменьшается и угловое замедление. Таким образом, звезда будет постепенно приближаться, но никогда не достигнет состояния нулевого вращения. [14]
Звезда типа T Тельца — это тип звезды до главной последовательности , которая нагревается посредством гравитационного сжатия и еще не начала сжигать водород в своем ядре. Это переменные звезды, которые магнитно активны. Считается, что магнитное поле этих звезд взаимодействует с их сильным звездным ветром, передавая угловой момент окружающему протопланетному диску . Это позволяет звезде тормозить скорость своего вращения по мере коллапса. [15]
Небольшие звезды класса М (с массой 0,1–0,6 массы Солнца ), которые демонстрируют быструю, нерегулярную изменчивость, известны как вспыхивающие звезды . Предполагается, что эти колебания вызваны вспышками, хотя активность намного сильнее по сравнению с размером звезды. Вспышки на этом классе звезд могут простираться до 20% окружности и излучать большую часть своей энергии в синей и ультрафиолетовой части спектра. [16]
На границе между звездами, в ядрах которых происходит ядерный синтез, и неводородными коричневыми карликами находятся ультрахолодные карлики . Эти объекты могут излучать радиоволны из-за своих сильных магнитных полей. Примерно у 5–10% этих объектов были измерены магнитные поля. [17] Самый холодный из них, 2MASS J10475385+2124234 с температурой 800–900 К, сохраняет магнитное поле сильнее 1,7 кГс, что делает его примерно в 3000 раз сильнее магнитного поля Земли. [18] Радионаблюдения также показывают, что их магнитные поля периодически меняют свою ориентацию, подобно Солнцу во время солнечного цикла . [19]
Планетарные туманности образуются, когда красная гигантская звезда выбрасывает свою внешнюю оболочку, образуя расширяющуюся газовую оболочку. Однако остается загадкой, почему эти оболочки не всегда сферически симметричны. 80% планетарных туманностей не имеют сферической формы; вместо этого они образуют биполярные или эллиптические туманности. Одной из гипотез образования несферической формы является эффект магнитного поля звезды. Вместо того чтобы равномерно расширяться во всех направлениях, выброшенная плазма имеет тенденцию уходить через магнитные полюса. Наблюдения за центральными звездами по крайней мере в четырех планетарных туманностях подтвердили, что они действительно обладают мощными магнитными полями. [20]
После того, как некоторые массивные звезды прекратили термоядерный синтез , часть их массы коллапсирует в компактное тело нейтронов , называемое нейтронной звездой . Эти тела сохраняют значительное магнитное поле от исходной звезды, но коллапс в размерах приводит к тому, что сила этого поля резко увеличивается. Быстрое вращение этих коллапсировавших нейтронных звезд приводит к появлению пульсара , который испускает узкий луч энергии, который может периодически указывать на наблюдателя.
Компактные и быстро вращающиеся астрономические объекты ( белые карлики , нейтронные звезды и черные дыры ) обладают чрезвычайно сильными магнитными полями. Магнитное поле недавно родившейся быстро вращающейся нейтронной звезды настолько сильное (до 10 8 тесла), что оно электромагнитно излучает достаточно энергии, чтобы быстро (за несколько миллионов лет) затухнуть вращение звезды в 100–1000 раз. Материя, падающая на нейтронную звезду, также должна следовать линиям магнитного поля, в результате чего на поверхности образуются две горячие точки, которых она может достичь и столкнуться с поверхностью звезды. Эти пятна буквально несколько футов (около метра) в поперечнике, но они чрезвычайно яркие. Предполагается, что их периодическое затмение во время вращения звезды является источником пульсирующего излучения (см. пульсары ).
Крайней формой намагниченной нейтронной звезды является магнетар . Они образуются в результате коллапса ядра сверхновой . [21] Существование таких звезд было подтверждено в 1998 году измерением звезды SGR 1806-20 . Магнитное поле этой звезды увеличило температуру поверхности до 18 миллионов К, и она выделяет огромное количество энергии в виде гамма-всплесков . [22]
Струи релятивистской плазмы часто наблюдаются вдоль направления магнитных полюсов активных черных дыр в центрах очень молодых галактик.
В 2008 году группа астрономов впервые описала, как экзопланета, вращающаяся вокруг HD 189733 A, достигает определенного места на своей орбите и вызывает усиление звездных вспышек . В 2010 году другая группа обнаружила, что каждый раз, когда они наблюдают экзопланету в определенном положении на ее орбите, они также обнаруживают рентгеновские вспышки. Теоретические исследования с 2000 года предполагали, что экзопланета, находящаяся очень близко к звезде, вокруг которой она вращается, может вызывать усиление вспышек из-за взаимодействия их магнитных полей или из-за приливных сил . В 2019 году астрономы объединили данные из обсерватории Аресибо , MOST и автоматизированного фотоэлектрического телескопа, а также исторические наблюдения за звездой в радио-, оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах длин волн, чтобы проверить эти утверждения. Их анализ показал, что предыдущие заявления были преувеличены, и звезда-хозяин не смогла продемонстрировать многие из яркости и спектральных характеристик, связанных со звездными вспышками и активными солнечными областями , включая солнечные пятна. Они также обнаружили, что заявления не выдерживают статистического анализа, учитывая, что многие звездные вспышки видны независимо от положения экзопланеты, тем самым развенчивая предыдущие заявления. Магнитные поля звезды-хозяина и экзопланеты не взаимодействуют, и эта система больше не считается имеющей «взаимодействие звезда-планета». [23]
