Магнетари у всесвіті. Що таке магнетар? Огляд: наднамагнічені нейтронні зірки

Цей видзірок надзвичайно рідко зустрічається у природі. Не так вже давно питання про їхнє знаходження та безпосередньо виникнення піддавало вчених астрологів у невизначеність. Але, завдяки розташованому в Панамській обсерваторії, Чилі, що належить до Європейської Південної обсерваторії, Дуже великому телескопу (VLT) і за зібраними з його допомогою даними, астрономи можуть тепер сміливо вважати, що нарешті змогли розв'язати одну з численних загадок такого незбагненного для нас космосу.

Як вже було зазначено вище в цій статті, магнетари - це дуже рідкісний вид нейтронних зірок, яким властива величезна сила (вони найсильніші з поки що відомих об'єктів у всьому Всесвіті) магнітного поля. Однією з особливостей даних зірок вважається те, що вони відносно малі в розмірах і мають неймовірну густину. Вчені припускають, що маса всього одного шматочка даної матерії величиною в невелику скляну кульку може досягати більше одного мільярда тонн.

Даний вид зірок може утворюватися в той момент, коли потужні зірки починають колапсувати під впливом могутності своєї гравітації.

Магнетари у нашій галактиці

Чумацький шлях налічує близько трьох десятків магнетарів. Об'єкт, вивчений за допомогою Дуже великого телескопа, знаходиться у скупченні зірок під назвою Вестерлунд-1, а саме в південній частині сузір'я Жертвенника, що розташоване всього за 16 тисяч світлових років від нас з вами. Зірка, яка зараз стала магнетаром, за своїм розміром перевищувала наше Сонце приблизно 40-45 разів. Це спостереження привело вчених до сум'яття: адже зірки таких великих розмірів, на їхню думку, при колапсі повинні перетворюватися на чорні дірки.

Тим не менш, той факт, що зірка, яка до цього звалася CXOU J1664710.2-455216, в результаті власного колапсу перетворилася на магнітар, мучив астрономів протягом декількох років. Але все ж таки вчені припускали, що передувало такому дуже нетиповому і незвичайному явищу.

Розсіяне зоряне скупчення Westerlund 1. На знімках позначений магнетар та його зірка-компаньйон, відірвана вибухом від нього. Джерело: ESO

Нещодавно, в 2010 році, на обговорення було висунуто припущення про те, що магнетар з'явився в результаті близької взаємодії між двома масивними зірками. Зважаючи на це припущення, зірки оберталися одна навколо іншої, що і викликало перетворення. Дані об'єкти на стільки близько знаходилися, що без проблем помістилися б у такий простір, як відстань між орбітами Сонця і Землі.

Але, донедавна, вченим, які займаються цією проблемою, не вдавалося знайти будь-які докази про взаємне і таке близьке співіснування двох зірок у передбачуваній моделі бінарної системи. Але за допомогою Дуже великого телескопа, астрономи отримали можливість більш детально вивчити ділянку неба, що їх цікавить, в якому знаходиться зоряні скупчення і знайти підходящі об'єкти швидкість руху яких досить висока («втікачі» або «втікають» зірки). За однією з теорій вважається, що такі об'єкти були відкинуті зі своїх рідних орбіт внаслідок вибуху наднових зірок, що утворюють магнетари. І справді, знайшлася ця зірка, яку згодом вчені назвали Вестерлунд 1?5.

Автор, який опублікував дані дослідження, Бен Рітчі, пояснює роль знайденої зірки, що «біжить» так:
«Мало того, що знайдена нами зірка має колосальну швидкість у русі, яка цілком можливо була викликана вибухом наднової зірки, так тут уявляється тандем її напрочуд малої маси, високої світності та її складові, багаті на вуглець. Це дивно, адже дані якості рідко поєднуються в одному об'єкті. Все це свідчить про те, що Вестерлунд 1-5 міг справді утворитися в бінарній системі».

Зі зібраними даними про цю зірку, команда астрономів реконструювала передбачувану модель появи магнетара. За запропонованою схемою запас палива у меншої зірки був вищим, ніж у її «компаньйонки». Таким чином, дрібна зірка почала притягувати до себе великі верхні кулі, що призвело до інтегрування сильного магнітного поля.

Через деякий час малий об'єкт став більшим за свого бінарного компаньйона, що викликало зворотний процес передачі верхніх шарів. На думку одного з учасників експерименту, Франциско Нахарро, дані дії досліджуваних об'єктів точно нагадує відому дитячу гру «Передай іншому». Метою гри є загортання деякого предмета в кілька шарів паперу і передача його по колу, що складається з дітей. Кожен учасник повинен розгорнути один шар обгортки, знайшовши при цьому цікаву дрібничку.

За ідеєю, велика з двох зірок перетворюється на меншу і відкидається з бінарної системи, тоді як друга зірка швидко обертається навколо своєї осі і перетворюється на наднову зірку. У цій ситуації «біжить» зірка, Вестерлунд 1?5, є другою зіркою в бінарній парі (вона несе в собі всі відомі ознаки описаного процесу).
Вчені, які займалися дослідженням цього найцікавішого процесу, на основі зібраних ними даних під час експерименту дійшли висновку, що дуже швидке обертання та передача маси між бінарними зірками є ключем до формування рідкісних нейтронних зірок, також відомих як магнетари.

Відео про магнетар:

(До 10 11 Тл). Теоретично існування магнетарів було передбачено в 1992 році, а перше свідчення їх реального існування отримано в 1998 при спостереженні потужного спалаху гамма-і рентгенівського випромінювання від джерела SGR 1900 +14 в сузір'ї Орла. Однак спалах, який спостерігали ще 5 березня 1979 теж пов'язують з магнетаром. Час життя магнетарів становить близько 1 млн років. У магнетарів найсильніше магнітне поле у ​​Всесвіті.

Опис

Магнетари є маловивченим типом нейтронних зірок через те, що мало хто знаходиться досить близько до Землі. Магнетари в діаметрі налічують близько 20-30 км, проте маси більшості перевищують масу Сонця. Магнетар настільки стиснутий, що горошина його матерії важила б понад 100 мільйонів тонн. Більшість відомих магнетарів обертаються дуже швидко, як мінімум кілька обертів навколо осі в секунду. Спостерігаються в гамма-випромінюванні, близькому до рентгенівського, а радіовипромінювання вони не випускають. Життєвий цикл магнетара досить короткий. Їх сильні магнітні поля зникають через 10 тис. років, після чого їх активність і випромінювання рентгенівських променівприпиняється. Згідно з одним із припущень, у нашій галактиці за весь час її існування могло сформуватися до 30 мільйонів магнетарів. Магнетари утворюються з масивних зірок з початковою масою близько 40 М☉.

Перший відомий потужний спалах з наступними пульсаціями гамма-випромінювання був зафіксований 5 березня 1979 року під час експерименту «Конус», що проводився на АМС «Венера-11» і «Венера-12» і вважається першим спостереженням гамма-пульсара, що зв'язується 35 . Згодом такі викиди фіксувалися різними супутниками у 2004 роках.

Модель магнетару

З п'яти відомих чотири SGR розташовані в межах нашої галактики, ще один – за її межами.

Кількість енергії, що викидається при звичайному спалаху, що триває кілька десятих секунд, порівняно з кількістю, яку Сонце випромінює за цілий рік. Ці неймовірні викиди енергії можуть бути викликані «зіркотрусами» - процесами розриву твердої поверхні (кори) нейтронної зірки та викиду з її надр потужних потоків протонів, які захоплюються магнітним полемі випромінюють у гамма- та рентгенівських областяхелектромагнітний спектр.

Для пояснення цих спалахів було запропоновано концепцію магнетара - нейтронної зірки з надзвичайно потужним магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується, швидко обертаючись, то спільний вплив обертання та конвекції, яка відіграє важливу роль у перші кілька секунд існування нейтронної зірки, може створити потужне магнітне поле внаслідок складного процесу, відомого як «активне динамо» (аналогічно тому, як магнітне поле створюється всередині Землі та Сонця). Теоретики були здивовані, що таке динамо, працюючи в гарячій (~ 10 10 K) серцевині нейтронної зірки, може створювати магнітне поле з магнітною індукцією ~ 10 15 Гс. Після охолодження (через кілька десятків секунд), конвекція та динамо припиняють свою дію.

Іншим типом об'єктів, які випромінюють потужне рентгенівське випромінюванняпід час періодичних вибухів є так звані аномальні рентгенівські пульсари - AXP (Anomalous X-ray Pulsars). SGR та AXP характеризуються більш довгими періодами обігу (2-12 с), ніж більшість звичайних радіопульсарів. В даний час вважається, що SGR та AXP представляють єдиний клас об'єктів (на 2015 рік відомо близько 20 представників цього класу).

Відомі магнетари

Станом на березень 2016 року було відомо одинадцять магнетарів, і ще чотири кандидати чекали на підтвердження. Приклади відомих магнетарів:

Станом на вересень 2008 року, ESO повідомляє про ідентифікацію об'єкта, який спочатку вважали магнетаром, SWIFT J195509+261406; спочатку він був виявлений за гамма-сплесками (GRB 070610).

Повний список наведено в каталозі магнетарів.

також

Примітки

1. У сучасній російськомовній літературі форми написання через «е» і «і» конкурують. У популярній літературі та стрічках новин переважає калька з англійської magnetar - « магн етар», тоді як фахівці останнім часом схиляються до написання « магн ітар»(див., напр., Потєхін А. Ю.Фізика нейтронних зірок // Успіхи фізичних наук, т.180, с.1279-1304 (2010)). Аргументи на користь такого написання наведено, наприклад, в огляді С. Б. Попова та М. Є. Прохорова (див. список літератури).
2. FAQ: Магнітари 10 фактів про найнезвичайніші типи нейтронних зірок від Сергія Попова Відомі магнітари
3. Зірковий гібрид: Пульсар плюс магнетар - Популярна механіка
4. Насправді речовина не може мати таку щільність за недостатньо великої маси тіла. Якщо з нейтронної зірки виділити частину розміром з горошину і відокремити його від решти її речовини, то маса, що залишилася, не зможе утримати колишню щільність, і «горошина» стане вибухоподібно розширюватися.
5. Magnetar (1999) (неопр.) (недоступне посилання). Перевірено 17 грудня 2007 року. Архівовано 14 грудня 2007 року.
6. Фізичний мінімум на початок XXI століття Академік Віталій Лазаревич Гінзбург
7. Magnetars, Soft Gamma Repeaters and Very Strong Magnetic Fields (неопр.) . Robert C. Duncan, University of Texas at Austin (березень 2003). Перевірено 4 серпня 2009 року. Архівовано 27 лютого 2012 року.
8. How Much Mass Makes a Black Hole? , SpaceRef, 19.08.2010
9. Олексій Понятов.Імпульсивна / / Наука і життя. - 2018. - №10. - С. 26-37.
10. Potekhin A.Y.., De Luca A., Pons J.A. Neutron Stars-Thermal Emitters (англ.) // Space Sci. Rev. : журнал. - N.Y.: Springer, 2015. - October (vol. 191, iss. 1). - P. 171-206. - DOI: 10.1007/s11214-014-0102-2. - arXiv: 1409.7666.

> Магнетари

Дізнайтесь, що таке магнетар: опис нейтронних зірок з потужним магнітним полем, історія дослідження з фото, сусід Чумацького Шляху, що викидає енергії.

Хоча Всесвіт і зачаровує своїми дивовижними об'єктами, це далеко не найприязніше місце. На Землі йде приблизно 80-100 років, щоб вас вбити. Але є містечка, де ви помрете за секунду. Так що, познайомтеся з магнетарами.

Коли зірки, що перевершують за масивністю, вибухають, там може сформуватися нейтронна зірка. Вмираюче небесне тіло більше не має достатнього світлового тиску, щоб утримувати гравітацію. Сила настільки потужна, що протони та електрони виштовхуються у простір, утворюючи нейтрони. І що ми маємо? Нейтрони! Суцільна маса нейтронів.

Якщо сформувалася нейтронна зірка, ми отримуємо . Раніше накопичена маса стискається до розмірів крихітної «кулі», що обертається сотню разів на секунду. Але це не найдивніше. З десяти нейтронних зірок, що з'явилися, завжди знайдеться одна досить дивна, яку називають магнетаром. Це нейтронні зірки, що з'явилися із наднових. Але у процесі формування відбуваються незвичайні речі. Що саме? Магнітне поле стає настільки інтенсивним, що вчені не можуть зрозуміти, звідки воно береться.

Деякі вважають, що коли обертання, температура та магнітне поле нейтронної зірки збираються в ідеальну пляму, ви отримуєте динамо-двигун, що підсилює магнітне поле у ​​1000 разів.

Але нещодавні відкриття дали більше підказок. Вчені знайшли магнетар, що віддаляється від . Нам уже вдавалося спостерігати подібні об'єкти, коли одна зірка у системі вибухає у вигляді наднової. Тобто він був частиною двійкової системи.

Під час партнерства об'єкти оберталися поруч (ближче за дистанцію Земля-Сонце). Цієї відстані вистачало, щоб обмінюватися матеріалом. Першою почала вмирати велика зірка, віддаючи свою масу меншій. Це змусило її розкручуватися та віддавати масу назад. У результаті менша вибухає як наднова, викинувши другу на нову траєкторію. Замість формування нейтронної зірки ми здобули магнетар.

Потужність магнітного поля, що спостерігається, просто приголомшує! У Землі воно займає 25 гауссів, але в поверхні ми відчуваємо лише менше 0.5 гауссів. У нейтронної зірки – трильйон гауссів, але магнетари перевершують цю позначку у 1000 разів!

Щоб сталося, якби ви опинилися поряд? Ну, в межах 1000 км. магнітне поле настільки сильне, що розірвало б вас на атомному рівні. Справа в тому, що самі атоми деформуються і більше не можуть підтримувати вашу форму.

Але ви б так нічого й не зрозуміли, бо померли від інтенсивного випромінювання та смертоносних частинок об'єкта у магнітному полі.

Ще одна унікальність магнетарів полягає в тому, що вони здатні володіти землетрусом (струсу). Воно нагадує земне, але відбувається на зірці. У нейтронної зірки є зовнішня кірка, яка може тріснути, нагадуючи рух земних тектонічних плит. Таке трапляється, якщо магнетар створює вибух.

Найбільш сильна подія сталася з об'єктом SGR 1806-20, віддаленим на 50 000 світлових років. За 1/10 секунди один із землетрусів створив більше енергії, ніж Сонце за 100000 років. І це не наднова, а лише одна тріщина на поверхні!

На щастя для нас, ці справді вбивчі об'єкти розташовані далеко і немає ймовірності, що вони можуть наблизитися. Щоб краще вивчити магнетари та дізнатися більше цікавої інформації, перегляньте відео.

Магнітари

Астрофізик Сергій Попов про гамма-сплески, сильні магнітні поля і рентгенівські пульсари:

«Сховані» магнітари

Астрофізик Сергій Попов про магнітори, вибухи наднових та магнітне поле зірок:

Команді астрономів уперше у світі вдалося виміряти магнітне поле у ​​певній точці на поверхні магнетара. Магнетари – це різновид нейтронних зірок, щільне та компактне ядро ​​гігантської зірки, зовнішні шари якої були відкинуті внаслідок вибуху наднової.

Магнетари мають найсильніше магнітне поле у ​​Всесвіті. До сьогодні вдавалося виміряти лише їх найбільш великомасштабні поля, проте за допомогою нової техніки та спостережень за магнетарами в рентгенівському спектрі, астрономи виявили сильне, локалізоване магнітне поле всередині їхньої поверхні.

Магнітне поле магнетару має складну структуру. Найпростіше засікти і виміряти його зовнішню частину, яка має форму та поведінку, подібні до звичайного біполярного магніту.

Нове дослідження проводилося на магнетарі SGR 0418+5729. Спостереження за ним за допомогою космічного рентгенівського телескопа «XMM-Newton» показали, що в ньому приховано друге — надзвичайно сильне магнітне поле.

«Цей магнетар має сильне поле, що лежить під його поверхнею. Однак єдиний спосіб виявити його – це знайти пролом у поверхні, через яку приховане поле може вирватися назовні», розповідає один із співавторів дослідження Сільвія Зейн.

Такі магнітні витоку також дозволяють пояснити характерні для магнетарів спонтанні спалахи випромінювання. Викривлене магнітне поле, укладене всередині зірки, збільшує напругу під її поверхнею, рано чи пізно прориваючи «оболонку» і випускаючи несподівані спалахи рентгенівського випромінювання.

Магнетари занадто малі – лише близько 20 кілометрів у діаметрі – і видалені, щоб їх можна було розглянути навіть у найкращі телескопи. Астрономи помічають їх лише за непрямим ознакамвимірюючи варіації рентгенівської емісії в міру обертання зірки.

«SGR 0418+5729 звертається один раз на 9 секунд. Ми виявили, що у певній точці цього обертання яскравість його рентгенівського світіння різко падає. Це означає, що щось у конкретній точці його поверхні поглинає випромінювання», додає співавтор дослідження Роберто Туролла.

Команда вважає, що концентрація протонів на невеликій ділянці поверхні магнетара – можливо, близько кількох сотень метрів – поглинає це випромінювання. Протони сконцентровані в такий малий об'єм сильним локалізованим магнітним полем, що виривається із внутрішніх шарів зірки, представляючи серйозне свідчення того, що всередині неї ховається друге викривлене магнітне поле.

«Це приголомшливе відкриття також підтверджує, що в принципі інші пульсари можуть приховувати подібні потужні магнітні поля під своєю поверхнею. В результаті, багато пульсарів можуть перемикатися, і на якийсь час стає активними магнетарами - і завдяки цьому в майбутньому ми можемо відкрити набагато більше магнетаорів, ніж думали раніше. Це змусить нас суттєво переглянути наші уявлення про нейтронні зірки», каже Зейн.

Магнетар у виставі художника

Опис

Магнетари є маловивченим типом нейтронних зірок через те, що деякі знаходяться досить близько до . Магнетари у діаметрі налічують близько 20-30 км, проте маси більшості перевищують масу . Магнетар настільки стиснутий, що горошина його матерії важила б понад 100 мільйонів тонн. Більшість відомих магнетарів обертаються дуже швидко, як мінімум кілька обертів навколо осі за секунду. Спостерігаються у гамма-випромінюванні, близькому до рентгенівського, радіовипромінювання не випромінює. Життєвий циклмагнетара досить короткий. Їх сильні магнітні поля зникають через 10 000 років, після чого їх активність і випромінювання рентгенівських променів припиняється. Згідно з одним із припущень, у нашій галактиці за весь час її існування могло сформуватися до 30 мільйонів магнетарів. Магнетари утворюються з масивних з початковою масою близько 40 М☉.

Поштовхи, утворені на поверхні магнетара, викликають величезні коливання у зірці; коливання магнітного поля, що їх супроводжують, часто призводять до величезних викидів гамма-випромінювання, які були зафіксовані на Землі в 1979, 1998 і 2004 роках.

Модель магнетару

З п'яти відомих чотири SGR розташовані в межах нашої , ще один - за її межами. Кількість енергії, що викидається при звичайному спалаху, що триває кілька десятих секунд, порівняно з кількістю, яку Сонце випромінює за цілий рік. Ці неймовірні викиди енергії можуть бути спричинені “зірковотрусами” - процесами розриву твердої поверхні (кори) нейтронної зірки та викиду з її надр потужних потоків протонів, які захоплюються магнітним полем та випромінюють у гамма- та рентгенівських областях електромагнітного спектру. Для пояснення цих спалахів було запропоновано концепцію магнетара, нейтронної зірки з надзвичайно потужним магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується, швидко обертаючись, то спільний вплив обертання та конвекції, яка відіграє важливу роль у перші кілька секунд існування нейтронної зірки, може створити потужне магнітне поле внаслідок складного процесу, відомого як «активне динамо» (аналогічно тому, як магнітне поле створюється всередині Землі та Сонця). Теоретики були здивовані, що таке динамо, працюючи в гарячій (~ 10 10 K) серцевині нейтронної зірки, може створювати магнітне поле з магнітною індукцією ~ 10 15 Гс. Після охолодження (через кілька десятків секунд), конвекція та динамо припиняють свою дію.

Іншим типом об'єктів, які випромінюють потужне рентгенівське випромінювання під час періодичних вибухів є так звані аномальні рентгенівські - AXP (Anomalous X-ray Pulsars). SGR та AXP характеризуються більш довгими періодами обігу (2-12 с), ніж більшість звичайних радіопульсарів. В даний час вважається, що SGR та AXP представляють єдиний клас об'єктів (на 2015 рік відомо близько 20 представників цього класу).

Відомі магнетари

27 грудня 2004 року, сплеск гамма-променів, що прибули в нашу сонячну систему від SGR 1806-20 (зображено у виставі художника). Вибух був настільки потужним, що вплинув на атмосферу Землі на відстані понад 50 000 світлових років.

Станом на травень 2007 року було відомо дванадцять магнетарів, і ще три кандидати чекали на підтвердження. Приклади відомих магнетарів:

• SGR 1806-20, розташований на відстані 50 000 світлових років від Землі на протилежному боці нашої галактики у сузір'ї Стрільця.
• SGR 1900+14, віддалений на 20 000 світлових років, що знаходиться в сузір'ї Орла. Після тривалого періоду низьких емісійних викидів (суттєві вибухи тільки в 1979 і 1993) активізувався в травні-серпні 1998, і вибух, виявлений 27 серпня 1998 р., мав достатню силу, щоб змусити вимкнути космічний апарат NEAR Shoemaker з метою попередження. 29 травня 2008 року НАСА «Спітцер» виявив кільця матерії навколо цього магнетара. Вважається, що це кільце утворилося під час вибуху, що спостерігався в 1998 році.

• 1E 1048.1-5937 – аномальний рентгенівський пульсар, розташований у 9000 світлових років у сузір'ї Кіль. Зірка, з якої сформувався магнетар, мала масу в 30-40 разів більшу, ніж у Сонця.

Повний список наведено у каталозі магнетарів.

• Станом на вересень 2008 року, ESO повідомляє про ідентифікацію об'єкта, який спочатку вважали магнетаром, SWIFT J195509+261406; спочатку він був виявлений за гамма-сплесками (GRB 070610).