FAQ: Магнитары19.11.2015 12:22

10 фактов об одном из самых необычных явлений современной астрофизики от Сергея Попова

Нейтронная звезда, обладающая самым сильным магнитным полем во Вселенной, в представлении художника (flickr / NASA Goddard Space Flight Center)

Все любят какую-нибудь экзотику. О чем бы мы ни говорили, всегда интересно, а как выглядят самые экзотичные случаи. Даже те, кто любят котиков и размещают их фотографии в разных социальных сетях, особенно неравнодушны к фотографиям особенно необычных и странных. Среди нейтронных звезд, наверное, самыми редкими котиками можно назвать магнитары.

Магнитарами называют нейтронные звезды, которые в основном излучают энергию своего магнитного поля (другие типы нейтронных звезд имеют другие источники энергии: вращение, запасенное тепло, аккреция). На этой стадии обычно поля велики, но довольно быстро, за тысячи или десятки тысяч лет, существенно уменьшаются.

Нейтронная звезда с линиями магнитного поля. Вблизи поверхности поле может иметь
более сложную структуру, но на больших расстояниях доминирует дипольная составляющая, образующая привычную картину силовых линий.

Магнитные поля порождаются токами. Поэтому надо представлять себе мощные токи, текущие в коре нейтронной звезды. Из-за обычного (омического) сопротивления токи затухают. Магнитное поле уменьшается, и энергия частично переходит в тепло, излучаемое с поверхности фотонами (в основном рентгеновскими), а также излучаемое нейтрино из недр компактного объекта.

Затухание токов (и, соответственно, уменьшение поля) может идти быстрее, если меняется их структура: крупномасштабные токи разбиваются на более мелкие. Это происходит из-за так называемого холловского каскада — процесса изменения топологии поля.

Магнитные поля в коре настолько велики, что вносят заметный вклад в давление. Уменьшение полей приводит к падению давления, и в итоге кора может начать менять свою структуру — будут происходить сдвиги. Это приводит как к еще более активному выделению энергии в коре, так и к изменению топологии поля снаружи нейтронной звезды. Таким образом объясняют активность магнитаров.

К магнитарам относят два основных типа объектов: аномальные рентгеновские пульсары и источники мягких повторяющихся гамма-всплесков. Это родственные типы источников, и чаще всего в результате длительных наблюдений удается увидеть, что звезда проявляет себя и так и этак.
а) Аномальные рентгеновские пульсары (АРП) были выделены в 1995 году среди обычных рентгеновских пульсаров, являющихся аккрецирующими нейтронными звездами в тесных двойных системах. Но АРП — это одиночные объекты. Период связан с вращением нейтронной звезды, на поверхности которой есть более горячие и более холодные области. Высвечиваемая тепловая энергия связана с диссипацией энергии токов (магнитного поля) в коре.
б) Источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (МПГ) были открыты в 1979 году благодаря своим мощным вспышкам. Во время наиболее мощных на долю секунды нейтронная звезда становится ярче целой галактики! Самая мощная вспышка наблюдалась в декабре 2004 года.

Кривая блеска первого зарегистрированного гамма-всплеска. Это событие произошло 2 июля 1967 года. Разгадку природы этих событий пришлось ждать 30 лет.

Приборы эксперимента «Конус». Их аналоги были установлены на аппаратах серии «Венера». Фотография предоставлена сотрудниками Лаборатории экспериментальной астрофизики ФТИ им. Иоффе.

О больших магнитных полях магнитаров говорят, во-первых, их относительно длинные периоды вращения (около 10 секунд) и быстрый темп замедления вращения, а во-вторых — спектральные данные. Кроме того, есть ряд косвенных признаков, также свидетельствующих в пользу того, что магнитные поля магнитаров в сотни раз превосходят поля обычных радиопульсаров.

Диаграмма «Период — производная периода» для радиопульсаров и родственных объектов. В среднем чем выше пульсар на диаграмме (при том же периоде), тем выше его дипольное магнитное поле. Слева внизу расположены миллисекундные пульсары,  которые были раскручены в двойных системах.

Происхождение столь сильных магнитных полей до сих пор остается загадкой. Есть две основные гипотезы:
а) или звезды-прародители имели большие поля в ядре, и при коллапсе поля выросли;

Схема коллапса с сохранением магнитного потока. Видно, что радиус объекта уменьшается, а число линий остается прежним. Значит, количество силовых линий, проходящих через элемент поверхности единичной площади, растет. Это означает усиление магнитного поля на поверхности.

б) или поле было усилено (скорее всего, за счет динамо-механизма) на стадии протонейтронной звезды.

Сейчас известно более двух десятков магнитаров в нашей Галактике (плюс один надежный источник в Большом Магеллановом Облаке; в более далеких галактиках есть только кандидаты в гигантские вспышки магнитаров). Все это молодые объекты, что говорит об относительно небольшой продолжительности активной жизни магнитара — максимум сотни тысяч лет. За это время поле должно существенно затухать, и мы можем видеть старые магнитары (с возрастом под миллион лет) как объекты Великолепной семерки. Расчеты показывают, что магнитарами рождается около 10% нейтронных звезд, то есть примерно раз в 500 лет в Галактике.

С магнитарами связан ряд вопросов, касающихся фундаментальной физики. Кроме обычного набора «сверхсвойств» нейтронных звезд: сверхвысоких плотностей, сверхтекучести и сверхпроводимости в недрах — добавляются сверхсильные магнитные поля, превышающие так называемое швингеровское критическое поле. Электромагнитные процессы в них, а также процессы с участием нейтрино идут не так, как в более слабых полях. Таким образом, это уникальные природные лаборатории для изучения ряда интересных процессов.

В последние годы набирает популярность идея, что рождение очень быстро вращающегося магнитара может объяснить ряд свойств аномально мощных сверхновых, а также гамма-всплесков. Так это или нет, должно стать ясно в ближайшие годы.

Сергей Попов