Существование магнетаров было предложено в 1992 году Робертом Дунканом и Кристофером Томпсоном . [3] Их предложение было направлено на объяснение свойств транзиентных источников гамма-лучей, теперь известных как мягкие гамма-повторители (SGR). [4] [5] В течение следующего десятилетия гипотеза магнетаров получила широкое признание и была расширена для объяснения аномальных рентгеновских пульсаров (AXP). По состоянию на июль 2021 года [обновлять]было подтверждено 24 магнетара. [6]
Как и другие нейтронные звезды , магнетары имеют диаметр около 20 километров (12 миль) и массу около 1,4 солнечных масс. Они образуются в результате коллапса звезды с массой в 10–25 раз больше массы Солнца . Плотность внутренней части магнетара такова, что столовая ложка его вещества будет иметь массу более 100 миллионов тонн. [2] Магнетары отличаются от других нейтронных звезд тем, что имеют еще более сильные магнитные поля и вращаются медленнее по сравнению с ними. Большинство наблюдаемых магнетаров вращаются один раз каждые две-десять секунд, [8] тогда как типичные нейтронные звезды, наблюдаемые как радиопульсары , вращаются один-десять раз в секунду. [9] Магнитное поле магнетара вызывает очень сильные и характерные всплески рентгеновских лучей и гамма-лучей. Активная жизнь магнетара коротка по сравнению с другими небесными телами. Их сильные магнитные поля затухают примерно через 10 000 лет, после чего активность и сильное рентгеновское излучение прекращаются. Учитывая количество магнетаров, наблюдаемых сегодня, по одной из оценок, число неактивных магнетаров в Млечном Пути составляет 30 миллионов или более. [8]
Звездотрясения , возникающие на поверхности магнетара, нарушают окружающее его магнитное поле, что часто приводит к чрезвычайно мощным вспышкам гамма- излучения, которые были зарегистрированы на Земле в 1979, 1998 и 2004 годах. [10]
Типы нейтронных звезд (24 июня 2020 г.)
Магнитное поле
Магнетары характеризуются чрезвычайно мощными магнитными полями ~10 9 - 10 11 Тл . [6] Эти магнитные поля в сто миллионов раз сильнее, чем у любого искусственного магнита, [11] и примерно в триллион раз мощнее, чем поле, окружающее Землю . [12] Земля имеет геомагнитное поле 30-60 микротесла, а неодимовый редкоземельный магнит имеет поле около 1,25 тесла с плотностью магнитной энергии 4,0 × 10 5 Дж/м 3 . Поле магнетара 10 10 тесла, напротив, имеет плотность энергии4,0 × 10 25 Дж/м 3 , с плотностью массы E / c 2 более чем в 10 000 раз больше, чем у свинца . Магнитное поле магнетара было бы смертельным даже на расстоянии 1000 км из-за сильного магнитного поля, искажающего электронные облака составляющих его атомов, делая химию поддержания жизни невозможной. [13] На расстоянии половины пути от Земли до Луны, среднее расстояние между Землей и Луной составляет 384 400 км (238 900 миль), магнетар может стереть информацию с магнитных полос всех кредитных карт на Земле. [14] По состоянию на 2020 год [обновлять]они являются самыми мощными магнитными объектами, обнаруженными во всей Вселенной. [10] [15]
Как описано в статье на обложке Scientific American за февраль 2003 года , в магнитном поле магнитарной силы происходят удивительные вещи. « Рентгеновские фотоны легко разделяются на две части или сливаются. Сам вакуум поляризуется , становясь сильно двупреломляющим , как кристалл кальцита . Атомы деформируются в длинные цилиндры, более тонкие, чем квантово-релятивистская длина волны де Бройля электрона». [4] В поле около 10 5 тесла атомные орбитали деформируются в стержневые формы. При 10 10 тесла атом водорода становится в 200 раз уже своего нормального диаметра. [4]
Происхождение магнитных полей
Доминирующая модель сильных полей магнетаров заключается в том, что они возникают в результате магнитогидродинамического динамо- процесса в турбулентной, чрезвычайно плотной проводящей жидкости, которая существует до того, как нейтронная звезда установится в своей равновесной конфигурации. [16] Затем эти поля сохраняются из-за постоянных токов в протонно-сверхпроводящей фазе материи, которая существует на промежуточной глубине внутри нейтронной звезды (где нейтроны преобладают по массе). Подобный магнитогидродинамический динамо-процесс создает еще более интенсивные переходные поля во время слияния пар нейтронных звезд. [17] Альтернативная модель заключается в том, что они просто возникают в результате коллапса звезд с необычно сильными магнитными полями. [18]
Формирование
Магнетар SGR 1900+14 (в центре изображения) демонстрирует окружающее его кольцо газа диаметром 7 световых лет в инфракрасном свете, как видно космическим телескопом Spitzer . Сам магнетар не виден на этой длине волны, но был замечен в рентгеновском свете.
В сверхновой звезда коллапсирует в нейтронную звезду, и ее магнитное поле резко увеличивается в силе за счет сохранения магнитного потока . Уменьшение линейного размера вдвое увеличивает силу магнитного поля в четыре раза. Дункан и Томпсон подсчитали, что когда спин, температура и магнитное поле недавно образованной нейтронной звезды попадают в правильные диапазоны, может сработать динамо-механизм , преобразующий тепло и энергию вращения в магнитную энергию и увеличивающий магнитное поле, обычно и без того огромное 10 8 тесла , до более чем 10 11 тесла (или 10 15 гаусс ). Результатом является магнетар . [ 19] Подсчитано, что примерно один из десяти взрывов сверхновой приводит к образованию магнетара, а не более стандартной нейтронной звезды или пульсара. [20]
Открытие 1979 года
5 марта 1979 года, через несколько месяцев после успешного спуска посадочных модулей в атмосферу Венеры , два беспилотных советских космических зонда «Венера-11» и «Венера -12» , находившиеся тогда на гелиоцентрической орбите , подверглись воздействию гамма-излучения примерно в 10:51 по восточному времени. Этот контакт поднял показания радиации на обоих зондах с обычных 100 отсчетов в секунду до более чем 200 000 отсчетов в секунду всего за долю миллисекунды. [4]
Это была самая сильная волна внесолнечных гамма-лучей, когда-либо обнаруженная, более чем в 100 раз интенсивнее любого ранее известного всплеска. Учитывая скорость света и ее обнаружение несколькими широко разбросанными космическими аппаратами, источник гамма -излучения мог быть триангулирован с точностью примерно в 2 угловые секунды . [21] Направление источника соответствовало остаткам звезды, которая стала сверхновой около 3000 г. до н. э . [10] Он находился в Большом Магеллановом Облаке , и источник был назван SGR 0525-66 ; само событие было названо GRB 790305b , первой наблюдаемой мегавспышкой SGR.
Недавние открытия
Художественное представление гамма-всплеска и сверхновой, вызванной магнетаром [22]
21 февраля 2008 года было объявлено, что NASA и исследователи из Университета Макгилла обнаружили нейтронную звезду со свойствами радиопульсара, которая испускала некоторые магнитно-активные всплески, как магнетар. Это говорит о том, что магнетары — это не просто редкий тип пульсаров, но и (возможно, обратимая) фаза в жизни некоторых пульсаров. [23] 24 сентября 2008 года ESO объявила о том, что, как она установила, был обнаружен первый оптически активный кандидат в магнетары с помощью Очень Большого Телескопа ESO . Недавно обнаруженный объект получил обозначение SWIFT J195509+261406. [24] 1 сентября 2014 года ESA опубликовало новость о магнетаре, близком к остатку сверхновой Kesteven 79 . Астрономы из Европы и Китая обнаружили этот магнетар, названный 3XMM J185246.6+003317, в 2013 году, просматривая изображения, сделанные в 2008 и 2009 годах. [25] В 2013 году был обнаружен магнетар PSR J1745−2900 , который вращается вокруг черной дыры в системе Стрельца A* . Этот объект представляет собой ценный инструмент для изучения ионизированной межзвездной среды в направлении Галактического центра . В 2018 году было установлено, что временный результат слияния двух нейтронных звезд представляет собой гипермассивный магнетар, который вскоре превратился в черную дыру. [26]
В апреле 2020 года была высказана гипотеза о возможной связи между быстрыми радиовсплесками (FRB) и магнетарами на основе наблюдений SGR 1935+2154 , вероятного магнетара, расположенного в галактике Млечный Путь . [27] [28] [29] [30] [31]
Известные магнетары
27 декабря 2004 года вспышка гамма-излучения от SGR 1806−20 прошла через Солнечную систему ( показано представление художника ). Вспышка была настолько мощной, что оказала воздействие на атмосферу Земли на расстоянии около 50 000 световых лет .
По состоянию на июль 2021 года [обновлять]известно 24 магнетара, еще шесть кандидатов ожидают подтверждения. [6] Полный список приведен в онлайн-каталоге McGill SGR/AXP. [6] Примеры известных магнетаров включают в себя:
SGR 1806−20 , расположенный на расстоянии 50 000 световых лет от Земли на дальней стороне Млечного Пути в созвездии Стрельца , является самым намагниченным из известных объектов.
SGR 1900+14 , расположенный в 20 000 световых лет от нас в созвездии Орла . После длительного периода низких выбросов (значительные всплески только в 1979 и 1993 годах) он стал активным в мае-августе 1998 года, а всплеск, обнаруженный 27 августа 1998 года, был достаточно мощным, чтобы заставить NEAR Shoemaker отключиться, чтобы предотвратить повреждение и насытить инструменты на BeppoSAX , WIND и RXTE . 29 мая 2008 года космический телескоп НАСА Spitzer обнаружил кольцо материи вокруг этого магнетара. Считается, что это кольцо образовалось во время всплеска 1998 года. [32]
SGR 0501+4516 был обнаружен 22 августа 2008 года. [33]
1E 1048.1−5937 , расположенная на расстоянии 9000 световых лет в созвездии Карина . Первоначальная звезда, из которой образовался магнетар, имела массу в 30–40 раз больше массы Солнца .
По состоянию на сентябрь 2008 года [обновлять]ESO сообщает об идентификации объекта, который изначально был идентифицирован как магнетар, SWIFT J195509+261406 , первоначально идентифицированный по гамма-всплеску (GRB 070610). [24]
CXO J164710.2-455216 , расположенный в массивном галактическом скоплении Вестерлунд 1 , которое образовалось из звезды с массой, превышающей 40 масс Солнца. [34] [35] [36]
SWIFT J1822.3 Star-1606 открыт 14 июля 2011 года итальянскими и испанскими исследователями CSIC в Мадриде и Каталонии. Этот магнетар вопреки прогнозам имеет слабое внешнее магнитное поле, и его возраст может составлять всего полмиллиона лет. [37]
3XMM J185246.6+003317, обнаруженный международной группой астрономов, изучавших данные рентгеновского телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства . [38]
SGR 1935+2154 28 апреля 2020 года излучил пару ярких радиовсплесков. Было высказано предположение, что это могут быть галактические примеры быстрых радиовсплесков .
Swift J1818.0-1607 , рентгеновский всплеск, обнаруженный в марте 2020 года, является одним из пяти известных магнетаров, которые также являются радиопульсарами. К моменту открытия ему может быть всего 240 лет. [39] [40]
Яркие сверхновые
Необычно яркие сверхновые, как полагают, являются результатом смерти очень больших звезд как сверхновые с парной нестабильностью (или сверхновые с пульсационной парной нестабильностью). Однако недавние исследования астрономов [41] [42] постулировали, что энергия, высвобождаемая из недавно образованных магнетаров в окружающие остатки сверхновых, может быть ответственна за некоторые из самых ярких сверхновых, таких как SN 2005ap и SN 2008es. [43] [44] [45]
Ссылки
Специфический
^ Каспи, Виктория М.; Белобородов, Андрей М. (2017). «Магнетары». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 55 (1): 261–301. arXiv : 1703.00068 . Bibcode :2017ARA&A..55..261K. doi :10.1146/annurev-astro-081915-023329.
^ ab Ward; Brownlee, стр. 286
^ Дункан, Роберт С.; Томпсон, Кристофер (1992). «Формирование очень сильно намагниченных нейтронных звезд: последствия для гамма-всплесков». Astrophysical Journal Letters . 392 : L9. Bibcode : 1992ApJ...392L...9D. doi : 10.1086/186413.
^ abcde Kouveliotou, C.; Duncan, RC; Thompson, C. (февраль 2003 г.). "Магнетары". Scientific American ; стр. 41.
^ Томпсон, Кристофер; Дункан, Роберт К. (июль 1995 г.). «Мягкие гамма-повторители как очень сильно намагниченные нейтронные звезды — I. радиационные механизмы вспышек». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 275 (2): 255–300. Bibcode : 1995MNRAS.275..255T. doi : 10.1093/mnras/275.2.255 .
^ abcd "McGill SGR/AXP Online Catalog" . Получено 26 января 2021 г. .
^ Старр, Мишель (1 июня 2020 г.). «Астрономы только что сузили круг источников мощных радиосигналов из космоса». ScienceAlert.com . Получено 2 июня 2020 г. .
^ ab Kaspi, VM (апрель 2010 г.). «Великое объединение нейтронных звезд». Труды Национальной академии наук . 107 (16). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки: 7147–7152. arXiv : 1005.0876 . Bibcode :2010PNAS..107.7147K. doi : 10.1073/pnas.1000812107 . PMC 2867699 . PMID 20404205.
^ Кондон, Дж. Дж. и Рэнсом, СМ. «Свойства пульсара (Основы радиоастрономии)». Национальная радиоастрономическая обсерватория . Получено 26 февраля 2021 г.
^ abc Kouveliotou, C.; Duncan, RC; Thompson, C. (февраль 2003 г.). "Магнетары, архивированные 2007-06-11 в Wayback Machine ". Scientific American ; Страница 36.
^ "Программа пользователя HLD, в Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей" . Получено 2009-02-04 .
^ Naeye, Robert (18 февраля 2005 г.). «Самый яркий взрыв». Sky & Telescope . Получено 10 ноября 2020 г. .
^ Дункан, Роберт. «МАГНЕТАРЫ», МЯГКИЕ ГАММА-ПОВТОРИТЕЛИ И ОЧЕНЬ СИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ». Техасский университет.
↑ Wanjek, Christopher (18 февраля 2005 г.). «Космический взрыв среди самых ярких в зарегистрированной истории». NASA . Получено 17 декабря 2007 г.
↑ Дулинг, Дэйв (20 мая 1998 г.). «Открытие «Магнетара» решает 19-летнюю тайну». Science@NASA Headline News . Архивировано из оригинала 14 декабря 2007 г. Получено 17 декабря 2007 г.
^ Томпсон, Кристофер; Дункан, Роберт С. (1993). «Нейтронные звездные динамо и происхождение пульсарного магнетизма». Astrophysical Journal . 408 : 194–217. Bibcode : 1993ApJ...408..194T. doi : 10.1086/172580 – через NASA Astrophysics Data System.
^ Price, Daniel J.; Rosswog, Stephan (май 2006). «Создание сверхсильных магнитных полей при слияниях нейтронных звезд». Science . 312 (5774): 719–722. arXiv : astro-ph/0603845 . Bibcode :2006Sci...312..719P. doi :10.1126/science.1125201. PMID 16574823. S2CID 30023248. Архивировано из оригинала 2018-07-17 . Получено 2012-07-13 .
^ Чжоу, Пин; Винк, Джакко; Сафи-Харб, Самар; Мичели, Марко (сентябрь 2019 г.). «Пространственно-разрешенное рентгеновское исследование остатков сверхновых, содержащих магнетары: значение их ископаемого происхождения поля». Астрономия и астрофизика . 629 (A51): 12. arXiv : 1909.01922 . Bibcode : 2019A&A...629A..51Z. doi : 10.1051/0004-6361/201936002. S2CID 201252025.
^ Кувелиоту, стр.237
^ Попов, СБ; Прохоров, МЭ (апрель 2006 г.). «Прародители с усиленным вращением и происхождение магнетаров». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 367 (2): 732–736. arXiv : astro-ph/0505406 . Bibcode : 2006MNRAS.367..732P. doi : 10.1111/j.1365-2966.2005.09983.x . S2CID 14930432.
^ Cline, TL, Desai, UD, Teegarden, BJ, Evans, WD, Klebesadel, RW, Laros, JG (апрель 1982 г.). "Точное местоположение источника аномального гамма-транзиента 5 марта 1979 г.". The Astrophysical Journal . 255 : L45–L48. Bibcode :1982ApJ...255L..45C. doi :10.1086/183766. hdl : 2060/19820012236 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ "Крупнейшие взрывы во Вселенной, вызванные сильнейшими магнитами" . Получено 9 июля 2015 г.
^ Шейнблум, Марк (21 февраля 2008 г.). «Исследователи обнаружили нейтронную звезду Джекилла-Хайда». Университет Макгилла .
^ ab "Спящий звездный магнит: обнаружен первый оптически активный кандидат в магнетары". ESO . 23 сентября 2008 г.
^ «Магнетар обнаружен вблизи остатка сверхновой Кестевен 79». ESA/XMM-Newton/Пин Чжоу, Нанкинский университет, Китай. 1 сентября 2014 г.
^ van Putten, Maurice HPM; Della Valle, Massimo (2018-09-04). «Наблюдательные свидетельства расширенной эмиссии в GW170817». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 482 (1): L46–L49. arXiv : 1806.02165 . Bibcode : 2019MNRAS.482L..46V. doi : 10.1093/mnrasl/sly166 . ISSN 1745-3925. S2CID 119216166.
^ Тиммер, Джон (4 ноября 2020 г.). «Мы наконец-то знаем, что производит быстрые радиовсплески — магнетары, тип нейтронных звезд, могут производить ранее загадочные всплески». Ars Technica . Получено 4 ноября 2020 г.
^ Кофилд, Калла; Андреоли, Калире; Редди, Фрэнсис (4 ноября 2020 г.). «Миссии НАСА помогают определить источник уникального рентгеновского излучения и радиовсплеска». НАСА . Проверено 4 ноября 2020 г. .
^ Андерсен, Б.; и др. (4 ноября 2020 г.). «Яркий миллисекундный радиовсплеск от галактического магнетара». Nature . 587 (7832): 54–58. arXiv : 2005.10324 . Bibcode :2020Natur.587...54C. doi :10.1038/s41586-020-2863-y. PMID 33149292. S2CID 218763435 . Получено 5 ноября 2020 г. .
^ Дрейк, Надя (5 мая 2020 г.). «Радиоволны «магнитной звезды» могут раскрыть тайну быстрых радиовсплесков — неожиданное обнаружение радиовсплеска от нейтронной звезды в нашей галактике может раскрыть происхождение более крупного космологического явления». Scientific American . Получено 9 мая 2020 г.
^ Старр, Мишель (1 мая 2020 г.). «Эксклюзив: возможно, мы впервые обнаружили быстрый радиовсплеск в нашей собственной Галактике». ScienceAlert.com . Получено 9 мая 2020 г.
^ "Странное кольцо найдено вокруг мертвой звезды". Архивировано из оригинала 21-07-2012.
^ "NASA - Европейские спутники исследуют новый магнетар". www.nasa.gov .
^ Kasen, D.; L. Bildsten. (1 июля 2010 г.). «Кривые блеска сверхновых, усиленные молодыми магнетарами». Astrophysical Journal . 717 (1): 245–249. arXiv : 0911.0680 . Bibcode :2010ApJ...717..245K. doi :10.1088/0004-637X/717/1/245. S2CID 118630165.
^ Вусли, С. (20 августа 2010 г.). «Яркие сверхновые от рождения магнетара». Astrophysical Journal Letters . 719 (2): L204–L207. arXiv : 0911.0698 . Bibcode : 2010ApJ...719L.204W. doi : 10.1088/2041-8205/719/2/L204. S2CID 118564100.
^ Инсерра, К.; Смартт, С.Дж.; Джеркстранд, А.; Валенти, С.; Фрейзер, М.; Райт, Д.; Смит, К.; Чен, Т.-В.; Котак, Р.; и др. (июнь 2013 г.). "Сверхъяркие сверхновые Ic: поймать магнетар за хвост". The Astrophysical Journal . 770 (2): 128. arXiv : 1304.3320 . Bibcode :2013ApJ...770..128I. doi :10.1088/0004-637X/770/2/128. S2CID 13122542.
↑ Университет Квинс, Белфаст (16 октября 2013 г.). «Новый взгляд на смерть звезд: сверхъяркие сверхновые могут питаться магнетарами». ScienceDaily . Получено 21 октября 2013 г.
^ М. Николл; С. Дж. Смартт; А. Джеркстранд; К. Инсерра; М. Маккрам; Р. Котак; М. Фрейзер; Д. Райт; Т.-В. Чен; К. Смит; Д. Р. Янг; С.А. Сим; С. Валенти; Д.А. Хауэлл; Ф. Бресолин; Р.П. Кудрицкий; Дж. Л. Тонри; М. Е. Хубер; А. Отдых; А. Пасторелло; Л. Томаселла; Э. Каппелларо; С. Бенетти; С. Маттила; Э. Канкаре; Т. Кангас; Г. Лелудас; Дж. Соллерман; Ф. Таддиа; Э. Бергер; Р. Чорнок; Г. Нараян; CW Стаббс; Р. Дж. Фоли; Р. Луннан; А. Содерберг ; Н. Сандерс; Д. Милисавлевич; Р. Маргутти; Р.П. Киршнер; Н. Элиас-Роза; А. Моралес-Гароффоло; С. Таубенбергер; М. Т. Боттичелла; С. Гезари; И. Урата; С. Родни; А. Г. Рисс; Д. Сколник; В. М. Вуд-Вейси; В. С. Бергетт; К. Чемберс; Х. А. Флюэллинг; Э. А. Манье; Н. Кайзер; Н. Меткалф; Дж. Морган; П. А. Прайс; В. Суини; К. Уотерс. (17 октября 2013 г.). «Медленно затухающие сверхъяркие сверхновые, которые не являются взрывами парной нестабильности». Nature . 7471. 502 (346): 346–9. arXiv : 1310.4446 . Bibcode :2013Natur.502..346N. doi :10.1038/nature12569. PMID 24132291. S2CID 4472977.
