Как плазма проникает сквозь мощные магнитные поля нейтронных звезд
Нейтронная звезда примерно в 1,5 раза массивнее Солнца, а ее диаметр составляет около 10 километров
Новые расчеты физиков приблизили человечество к пониманию того, как вещество, падая на нейтронные звезды, вызывает мощные рентгеновские вспышки. Если к мертвой звезде притягивается достаточное количество плазмы, то она может пробивать мощное магнитное поле звезды и попадать в ее атмосферу. Это часть давней неразгаданной тайны аккреции нейтронных звезд и рентгеновских вспышек на них.
«Исследование началось с абстрактных вопросов, — рассказывает физик плазмы Рассел Кулсруд из Принстонской лаборатории физики плазмы. — Как может вещество звезды-компаньона прорваться сквозь мощное магнитное поле нейтронной звезды и вызвать рентгеновское излучение, и что вызывает наблюдаемые изменения в этих полях?»
Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Плотнее только черные дыры. Это останки звезд масса которых при жизни составляла 8—30 солнечных масс. Внешняя оболочка звезды разлетается в результате взрыва сверхновой, а ядро звезды гравитационно коллапсирует, образуя компактную сверхплотную сферу. Через миллионы лет это ядро перестает даже светиться. Магнитные поля нейтронных звезд в триллионы раз сильнее, чем у Земли. Иногда рядом с нейтронными звездами есть звезда-компаньон, которая «кормит» мертвую сестру своим материалом. При этом материал образует диск вокруг нейтронной звезды, который набирает энергию по мере ускорения вращения под влиянием гравитации мертвой звезды. Эта энергия высвобождается в виде рентгеновского излучения на полюсах звезды. И физикам было непонятно, как плазма может проходить через столь мощное магнитное поле.
К счастью, у Кульсруда было свободное время для расчетов: «Когда началась пандемия, и все сидели по домам, я решил рассмотреть эту загадку нейтронной звезды», — говорит он.
Вместе с коллегой астрофизиком Рашидом Сюняевым из Института астрофизики Макса Планка в Германии они провели математическое моделирование, чтобы выяснить, прикрепляется ли плазма к магнитному полю, увлекая его за собой, или ей удается проскользнуть внутрь, не нарушив магнитное поле.
Вторая версия оказалась верной. Если масса падающей плазмы достаточно высока, она оказывает гравитационное давление на магнитное поле. Это вызывает каскад колебаний силы магнитного поля, приводящий к нестабильности, что и позволяет плазме проскальзывать внутрь.
Когда плазма оказывается по ту сторону, она следует вдоль силовых линий магнитного поля нейтронной звезды к полюсам, где аккрецируется. Плазма, накапливающаяся на полюсах, становится слишком тяжелой и не может оставаться на поверхности, погружаясь в нейтронную звезду. Внутреннее давление на полюсах со временем заставляет плазму растекаться по всей поверхности нейтронной звезды, и тогда высвобождается энергия в виде рентгеновского излучения. «Дополнительная масса на поверхности нейтронной звезды может исказить внешнюю область магнитного поля звезды, — говорит Кульсруд. — Если вы наблюдаете за звездой, вы должны заметить, что излучение, испускаемое ее магнитным полем, будет постепенно меняться».
В течение нескольких десятков тысяч лет нейтронная звезда будет постепенно увеличивать свою массу, а также радиус — примерно на 1 миллиметр в год. В конечном итоге будет достигнуто устойчивое состояние ее магнитного поля.
