Selitys heikkokenttämagnetareille 🧲

Magnetaarit ovat neutronitähtiä, joita luonnehtivat Universumin voimakkaimmat magneettikentät sekä niiden intensiiviset X- ja gamma-säteilyt.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, johon kuuluu tutkijoita CEA-Paris Saclayn astrofysiikan osastolta, on mallintanut niiden magneettikentän muodostumista, joka johtuu Tayler-Spruit-dynamoista, ja sen kehitystä useiden satojen tuhansien vuosien aikana.


Tämä dynamiikka syntyy, kun materiaa putoaa neutronitähden päälle heti sen muodostumisen jälkeen, supernovan räjähdyksen seurauksena, joka heitti suurimman osan sen ulkokerroksista. Simulaatioiden tulokset ovat yhdenmukaisia heikkojen magneettikenttien ("low-B") magnetaarien havaintojen kanssa, jotka ovat neutronitähtiä, joiden dipolimagneettikentät ovat 10-100 kertaa heikompia kuin klassisten magnetaarien.

Nämä tulokset tarjoavat merkittävän läpimurron ratkaisemalla tieteellisen arvoituksen, joka on ollut olemassa siitä lähtien, kun näitä magnetaaria havaittiin vuonna 2010. Ne viittaavat myös siihen, että heikon kentän magnetaarit syntyvät eri prosessin kautta kuin klassiset magnetaarit, todennäköisesti johtuen vaihteluista neutronitähtien dynamoissa niiden muodostumisen aikana.

Tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä.

Tayler-Spruit-dynamiikan mekanismi...

Neutronitähtien ovat massiivisten tähtien jäänteitä, jotka ovat kuluttaneet polttoaineensa ja räjähtäneet supernovana, heittäen suurimman osan ulkokerroksistaan. Näiden joukossa magnetaarit erottuvat voimakkaista magneettikentistään, jotka voivat saavuttaa 10^15 Gaussia, mikä on kymmeniä miljardeja kertoja voimakkaampia kuin ihmisten tuottamat kentät. Nämä äärimmäiset kentät tekevät magnetaarista loistavia transienttilähteitä, jotka säteilevät X- ja gamma-säteitä. Keskeinen kysymys on edelleen: ymmärtää näiden kenttien tarkka alkuperä ja niiden kehitys miljoonien vuosien aikana.

Vuonna 2022 CEA Saclayn astrofysiikan osaston tutkijaryhmä ehdotti innovatiivista skenaariota selittämään näiden äärimmäisten magneettikenttien muodostumista, perustuen Tayler-Spruit-dynamiikkaan, prosessiin, joka muuntaa plasman liikkeen magneettikentäksi. Tayler-Spruit-dynamiikka aktivoituu erityisesti, kun supernovan räjähdyksessä vapautunut materia putoaa nuoren neutronitähden päälle.

Vuonna 2023 syvällinen tutkimus, joka käytti kolmiulotteisia numeerisia simulaatioita, mahdollisti magnetaarien havaittujen magneettikenttäintensiteettien toistamisen (ks. Kuvio 1). Kuitenkin nämä simulaatiot rajoittuivat kymmenen ensimmäisen sekunnin ajanjaksoon proto-neutronitähden muodostumisen jälkeen. Jää vielä ymmärtää, miten nämä kentät kehittyvät pitkällä aikavälillä.

... synnyttäisi heikon kentän magnetaarit

Tutkiakseen Tayler-Spruit-dynamiikan tuottamien magnetaarien pitkän aikavälin kehitystä CEA Saclayn astrofysiikan osaston tutkijaryhmä teki yhteistyötä Newcastle ja Leedsin yliopistojen tutkijoiden kanssa, jotka ovat erikoistuneet neutronitähtien kehitykseen aikaskaalalla, joka voi ulottua useisiin satoihin tuhansiin vuosiin.

Tutkimuksen päätekijä, tohtori Andrei Igoshev, joka on Newcastle yliopiston matematiikan, tilastotieteen ja fysiikan koulun tutkija, tarkentaa: "Tämä tutkimus osoittaa, että tämä prosessi on ratkaiseva heikon kentän magnetaarien magneettikenttien muodostumisessa Tayler-Spruit-dynamiikan kautta."

Tässä tutkimuksessa tehdyt numeeriset simulaatiot (ks. Kuvio 2) toistavat heikkojen magneettikenttien magnetaarien havaittuja pääominaisuuksia ("low-B"), mukaan lukien:

- Heikot dipolimagneettikentät: Nämä magnetaarit omaavat magneettikenttiä, jotka ovat 10-100 kertaa heikompia kuin klassisten magnetaarien, ja niiden arvot ovat alle 10^13 Gaussia.

- X-säteilykäyrät: Äärimmäisten lämpötilojensa vuoksi magnetaarit säteilevät pääasiassa X-säteilyn alueella. Simulaatiot toistavat tarkasti tätä lämpösäteilyä, jota moderoivat tähden pinnalla olevat kuumat pisteet.

- X-purkauksen ja räjähdykset: Voimakas magneettikenttä muuttaa neutronitähden kuorta, aiheuttaen satunnaisesti pieniä murtumia. Nämä muodonmuutokset laukaisevat valonvälähdyksiä X- ja gamma-säteissä. Simulaatiot osoittavat, että tarvittavat olosuhteet näille tapahtumille on hyvin toistettu.

- Hitaita pyörimisjaksoja: Kuten klassiset magnetaarit, heikon kentän magnetaarit omaavat pitkän pyörimisjakson verrattuna muihin neutronitähtiin. Ehdotettu hypoteesi on, että nämä magnetaarit voisivat olla vanhentuneita versioita klassisista magnetaarista, joiden alun perin voimakas dipolimagneettikenttä olisi vienyt niiden kulkunopeuden ennen kuin se olisi vähitellen hajoitettu. Tämä tutkimus ehdottaa toisen selityksen: niiden hidas pyörimisjakso johtuu vuorovaikutuksesta ympäröivän aineen kanssa, joka palaa supernovan jälkeen, mikä hidastaa tähden pyörimistä sen jälkeen, kun se on luonut magneettikentän.

Tieteellinen arvoitus ratkaistu!

Tässä tutkimuksessa tutkijat ovat osoittaneet, että Tayler-Spruit-dynamiikka, joka aktivoituu supernovan räjähdyksestä johtuvan materiaalin putoamisen myötä, on keskeinen mekanismi heikon kentän magnetaarien muodostumisessa. Nämä työt osoittavat, että nämä objektit eivät välttämättä ole kehittyneitä jäänteitä klassisista magnetaarista, vaan voivat syntyä dynaamisen prosessin seurauksena heti syntymästään. Tämä skenaario tarjoaa näin ollen kattavan ja johdonmukaisen selityksen havaittuihin ilmiöihin, samalla ratkaisten tieteellisen arvoituksen, joka on ollut olemassa niiden tunnistamisesta vuodesta 2010.

"Yhdistämällä suoraan dynamiikkaprosessin magnetaarien havaittaviin ominaisuuksiin, nämä simulaatiot, jotka ovat ensimmäiset, jotka kuvaavat magneettikentän pitkän aikavälin kehitystä tällaisen prosessin johdonmukaisesti tuottamasta kentästä, avaavat uuden tien näiden salaperäisten objektien muodostumisen rajoittamiseksi", innostuu Jérôme Guilet, DAp:n tutkija ja yksi tutkimuksen kirjoittajista.