Магнетари для науки
Сьогодні ми маємо докази того, що існують ці надщільні чудовиська з гігантськими магнітними полями.
5 березня 1979 р. Радянські космічні апарати "Венера 11" та "12" проплили через Сонячну систему після того, як кількома місяцями раніше скинули два зонди в токсичну атмосферу Венери. Поки що подорож була мирною. Раптово, о 15:00 та 51 хвилині UTC, детектори випромінювання на борту двох кораблів зафіксували раптовий сплеск гамма-променів: за частку мілісекунди їх детектори радіоактивності були насичені. Два кораблі щойно були вражені сплеском високоенергетичного випромінювання. Через одинадцять секунд космічний зонд НАСА «Геліос 2» потрапив по черзі. Очевидно, радіаційний фронт проносився через Сонячну систему. Хвиля досягла Венери, де змусила стрибнути детектори американського зонда Pioneer Venus Orbiter. Через кілька секунд вона була на Землі. Прилади трьох супутників "Вела", запущених американською армією, радянської машини "Прогноз 7" та астрономічної рентгенівської обсерваторії Ейнштейна були занурені в воду. Продовжуючи свій біг, вона тоді потрапила в Міжнародний дослідник Сонце-Земля.
Аватари нейтронної зірки
Між "хрещенням" повторюваних гамма-джерел і тим часом, коли двоє з нас (Р. Дункан і К. Томпсон) придумали модель, що пояснює їх характеристики, пройшло сім років. Нарешті, у 1998 р. К. Кувеліоту та його команда знайшли спостережні докази, що підтверджують цю гіпотезу, і встановили, що повторюваними джерелами є нейтронні зірки певного виду. Нейтронні зірки - найщільніші з відомих нам об’єктів: вони містять масу, трохи більшу, ніж маса Сонця, у кулі діаметром лише 20 кілометрів. Коли вони набувають дуже інтенсивне магнітне поле, вони стають ще більш екзотичними об'єктами, магнетарами.
Це вимірювання було підтверджено тим фактом, що в місці, вказаному Т. Клайн, було виявлено залишки недавньої наднової, тобто залишки зірки, яка вибухнула 5000 років тому, яка, за дивовижним збігом обставин, мабуть, було джерелом імпульсу. Оскільки це джерело знаходиться в 1000 разів далі, ніж вважалося раніше, воно також мало бути в мільйони разів яскравішим за межу Еддінгтона. Потрібно було уявити катаклізм, який за 0,2 секунди випустив би у формі гамма-променів стільки енергії, скільки Сонце за 10 000 років. Це може бути лише чорна діра або нейтронна зірка. Поєднання повторюваного джерела гамма-речовини з залишком наднової посилило цю гіпотезу, оскільки, як правило, вважають, що ці компактні зірки утворюються, коли в ядрі масивної зірки закінчується паливо і раптово руйнується під власною вагою, викликаючи тим самим вибух, який є надновою. Крім того, періодичне варіювання сигналу робило гіпотезу про чорну діру малоймовірною, об'єкт без структури якого важко зрозуміти, як він буде виробляти ритмічні імпульси. Ми зробили висновок, що джерелом має бути нейтронна зірка. Однак це не розгадало загадку.
Джерело, яке спричинило катаклізм у березні 1979 року, випустило свій останній сплеск у травні 1983 року: нічого більше з цього напрямку до нас не дійшло протягом 19 років. Два інших джерела, що повторюються, обидва розташовані в Чумацькому Шляху, стали відомими в 1979 році і з тих пір залишаються активними, видаючи сотні спалахів. Четверте повторюване джерело гамми було розташоване в 1998 році. Три з цих чотирьох об'єктів можуть бути пов'язані з молодими залишками наднової. Два з них також знайдені поблизу дуже щільних скупчень масивних молодих зірок, що дозволяє припустити, що джерела гамма-повторення, як правило, утворюються із зірок, які закінчуються надновими. На даний момент п’яте джерело, що повторюється, надіслало лише дві затяжки (його місцезнаходження ще невідомо).
Лавини та землетруси
Вважається, що пульсари - це нейтронні зірки з магнітним полем. Це магнітне поле вкорінене в електричних струмах, що протікають в глибинах зірки, і, отже, його лінії поля є цілісними з обертовою зіркою. Пучки радіохвиль випромінюються магнітними полюсами і, якщо ці полюси не збігаються точно з віссю обертання, вони проносяться у просторі, як маяк, що пояснює спостережувані радіоімпульси. Крім того, пульсар також випромінює електромагнітні хвилі низької частоти та вітер заряджених частинок, прискорених обертовим магнітним полем, який споживає частину своєї енергії та кутового моменту, викликаючи тим самим поступове зниження швидкості свого обертання.
Найвідоміший пульсар - це Крабова туманність, залишок наднової, який спостерігали китайські астрономи в 1054 році. Цей пульсар обертається навколо себе за 33 мілісекунди, а його період в даний час подовжується на 1, близько 3 мілісекунд на століття. Можна зробити висновок, що при народженні період його обертання становив 20 мілісекунд. Цей пульсар буде уповільнюватись, поки швидкість його обертання буде занадто низькою, щоб дозволити йому випромінювати енергію. Виміряно уповільнення більшості відомих пульсарів, і вважається, що, як передбачає теорія, воно залежить від сили магнітного поля: чим сильніше поле, тим сильніше випромінювання і сильніший пульсар сповільнюється. Ми прийшли до висновку, що молоді пульсари мають магнітне поле між 1012 і 1013 гаусами (магніт, який утримує список покупок на дверцятах вашого холодильника, створює поле близько 100 гаусів).
Знак поля
Однак ця модель нехтує відповідати на перше питання: звідки береться магнітне поле пульсара? Довгий час ми задовольнялися тим, що простежували його походження назад до поля його зірки-попередника. Це правда, що зірки мають слабке магнітне поле, і це поле може бути посилено стисненням зірки. Відповідно до рівнянь електромагнетизму Максвелла, коли об’єкт зменшується наполовину, його магнітне поле посилюється в чотири рази. Серце масивної зірки скорочується в 10 разів від народження до утворення нейтронної зірки; тому його магнітне поле слід помножити на 10 10. Таким чином, починаючи від зірки, поле якої на початку було б досить інтенсивним, здавлення, необхідне для утворення нейтронної зірки, здавалося достатнім для пояснення магнетизму пульсарів. На жаль, магнітне поле в центрі зірки не може бути виміряне, і ця проста гіпотеза не може бути перевірена. Крім того, є вагомі підстави вважати, що це стиснення не все пояснює.
Усередині зірки газ може циркулювати конвекцією. Закрутки гарячого іонізованого газу піднімаються, тоді як більш холодний газ опускається вниз. Оскільки плазма є хорошим провідником електрики, лінії магнітного поля, які занурюються в неї, частково затримуються і несуться разом з нею. Таким чином, в іонізованому та турбулентному середовищі, що становить зірки, магнітне поле постійно переробляється, а іноді і посилюється: провідна плазма, що рухається в полі, набуває електричного струму, а сам цей струм створює додаткове поле. Цей широкомасштабний динамо-ефект створює магнітне поле зірок і планет, гарячі ядра яких досі є рідкими (наприклад, Земля). Може бути так, що у випадку з масивними зірками таке динамо працює на кожному етапі їхнього життя, поки бурхливий салон крутиться досить швидко. Перш за все, здається, що протягом короткого періоду після перетворення їх серця в нейтронну зірку конвекція є особливо бурхливою.
Щоб ефект динамо давав загальне посилення поля зірки, обертальні та конвекційні рухи повинні бути приблизно синхронізованими: швидкість обертання зірки повинна бути порівнянна зі швидкістю конвекції. У глибоких шарах Сонця, в основі зони конвекції, ці дві швидкості однакові, і саме тут коріняється його магнітне поле. Подібним чином нейтронна зірка, яка народилася б із періодом обертання, коротким або коротким, ніж десять мілісекунд, характерних для бурхливої конвекції, була б наділена надзвичайно напруженим і великим магнітним полем. У 1992 році ми дали цим гіпотетичним монстрам назву магнітарі (від англійської magnet-star, що означає зірка-магніт). Наші розрахунки показали, що радіопульсари - це нейтронні зірки, де цей глобальний динамо-ефект не вдався. У випадку з краб-пульсаром нейтронна зірка народилася з періодом обертання 20 мілісекунд, що набагато довше, ніж конвективна циркуляція, тому ефект динамо ніколи не запускався.
Зоряні землетруси
Спочатку ми не розробляли модель магнітару для пояснення повторюваних джерел гамма-сигналу. Однак наслідки нашої моделі в цій області незабаром стали очевидними: магнітне поле повинно діяти як потужне гальмо при обертанні магнітару. Так, наприклад, період обертання нейтронної зірки з полем Гауса 10 15 має зменшитися за 5000 років з декількох десятків мілісекунд приблизно до десяти секунд ... що відповідає періоду коливань березневого 1979 року сигналу!
У міру розвитку поля воно змінює форму, викликаючи електричні струми вздовж ліній поля за межами зірки. Ці струми, в свою чергу, генерують рентгенівські промені. За цей час лінії магнітного поля рухаються крізь тверду кору магнітару, яку вони скручують і розтягують. Цей механізм накопичує напруження в зоряному матеріалі, нагріває внутрішню частину зірки, яка час від часу руйнує земну кору, виробляючи бурхливий "зоряний тремор". Під час такого катаклізму виділяється величезна кількість магнітної енергії, достатньої для створення щільної хмари електронів та позитронів. Ця екзотична плазма спричиняє раптовий випромінювання м'яких гамма-променів (завдяки знищенню частинок та античастинок).
На межі дивних явищ
Коли ці теоретичні розробки йшли своїм ходом, астрономи прагнули безпосередньо спостерігати за об'єктами, відповідальними за повторювані джерела гамми. Перша можливість була їм надана одного вечора в жовтні 1993 р., Коли космічна обсерваторія Гамма-Променів Комптон-Гро виявила сплеск. Цей супутник міг лише дуже приблизно знайти джерело, тому К. Кувеліоту звернувся до відповідальних за японський супутник аска, щоб отримати додаткові вимірювання. Тошіо Муракамі та його колеги з Токійського університету незабаром виявили джерело рентгенівських променів на тому ж ділянці неба. Його світіння протягом хвилини залишалося стійким, а потім знову вибухнуло, що без сумніву довело, що це повторюване джерело гамми. Потім було виявлено, що цей самий об'єкт вже вперше проявився, в 1979 році. З його приблизних небесних координат він був названий sgr 1806-20. Тепер його положення було зафіксовано з набагато кращою точністю, і його можна було спостерігати в усьому електромагнітному спектрі.
У 1995 р. На орбіту була виведена рентгенівська космічна обсерваторія Россі, призначена дуже чутливою до змін інтенсивності рентгенівського випромінювання. Використовуючи цей новий прилад, К. Кувеліоту зауважив, що випромінювання сгр 1806-20 коливалося з періодом 7,5 секунди (близько до періодичності восьми секунд, що спостерігалася на початку березня 1979 року). За п'ять років цей період подовжився приблизно на 2 з 1000. Це уповільнення набагато швидше, ніж у будь-якого відомого пульсара, і воно передбачає наявність магнітного поля, що наближається до 10 15 гаусів.
Ще одне магнітне диво
Всі ці результати вказували на те, що джерела гамма, що повторюються, супроводжуються гігантськими магнітними полями, а отже, що вони справді є магнітарами. На щастя, незабаром після цього з’явилася нова можливість перевірити це. 27 серпня 1998 р. Бурхливий пульс гамми та рентгенівських променів із глибокого космосу вразив нашу планету. Детектори семи наукових зондів були швидко насичені. Нас-міжпланетний зонд, астероїд Flyby Comet Rendezvous, повинен був перейти в режим сну, щоб захиститися. Гамма-промені потрапляють на Землю з нічної сторони, виходячи з джерела в зеніті Тихого океану. Випадково Умран Інан та його колеги зі Стенфордського університету збирали дані про поширення радіохвиль навколо Землі шляхом відображення на іоносфері. Вони помітили раптову зміну: внутрішній край іоносфери за п’ять хвилин зруйнувався з висоти від 80 до 65 кілометрів. Цей ефект на нашу планету спричинила нейтронна зірка, розташована на відстані 20 000 світлових років, через Чумацький Шлях.!
Вибух 27 серпня був практично ідентичним події березня 1979 року. Він був у десять разів менш потужним, але оскільки його джерело було ближче до Землі, то зараз це сплеск гамма-променів, що надходять із Землі. Найінтенсивніший зовнішній вигляд Сонячної Система на запис. Останні кілька сотень секунд цієї затяжки демонстрували очевидні імпульси, з періодом, рівним 5,2 секунди. К. Кувеліоту та його команда вимірювали уповільнення нейтронної зірки, використовуючи дані супутника Россі: це порівнянно з даними джерела гамма-повторювачів sgr 1806-20, що повторюється, що передбачає не менш інтенсивне магнітне поле. Таким чином, сплески повторюваних гамма-джерел пов'язані з магнітними полями надзвичайної напруженості, передбаченими в теорії магнітарів.
Наша модель може допомогти вирішити ще одну загадку. Зазвичай нейтронні зірки, які випромінюють рентгенівські промені, є частиною двійкових систем: саме газ, відірваний від зірки-супутника, відповідає за випромінювання, падаючи до пульсара. Однак існують так звані аномальні пульсари, випромінювання яких не можна пояснити цим механізмом. У середині 1990-х К. Томпсон і Р. Дункан припустили, що ці аномальні пульсари можуть бути магнетарами. Відтоді точне розташування повторюваних гамма-джерел дозволило вивчати магнетари майже у всьому електромагнітному спектрі. Ця робота показала, що між сплесками повторювані гамма-джерела продовжують слабко випромінювати в області рентгенівських променів (насправді в 10-100 разів більше, ніж Сонце у видимому світлі), вказуючи на те, що магнетари, ймовірно, пояснюють існування аномальних пульсари.
На жаль, характерні сплески магнітару, схоже, не трапляються в цих аномальних пульсарах. Однак Вікі Каспі та Фотіс Гавріїл з Університету Макгілла та Пітер Вудс з Асоціації університетів космічних досліджень у Хантсвіллі, штат Алабама, виявили спалахи, які могли відбутися від двох із шести відомих відхилень. Крім того, три роки тому Ферді Хуллеман та Мартен ван Керквейк з Утрехтського університету, Нідерланди, помітили ще одного аномального пульсара, включаючи Брайана Керна та Крістофера Мартіна з Каліфорнійського технологічного інституту. світло. Хоча надзвичайно слабка, яскравість цього ненормального пульсара коливається з періодичністю, аналогічною до X-випромінювання магнітару. Здається, що магнетари можуть переживати довгі періоди затишшя по кілька десятиліть, перш ніж повернутися до дуже високої активності. Це, можливо, пояснює очевидну тишу потужного джерела Великої Магелланової Хмари. Тому ми маємо спокусу визначити ці неактивні магнетари з ненормальними пульсарами. Якщо повторювані джерела та аномальні пульсари є магнетарами, то ці екзотичні зірки можуть становити значну частину нейтронних зірок.
Історія магнетарів нагадує нам, що Всесвіт досі таїть у собі багато головоломок. Ми, в кращому випадку, помітили десяток цих об’єктів у нашій галактиці. Вони розгортаються на частку секунди, кидаючи пожежі, які можуть виявити лише найдосконаліші телескопи. Приблизно через 10 000 років їх магнітне поле замерзає, і вони перестають випромінювати своє інтенсивне випромінювання. Таким чином, десяток магнітарів відображатиме мовчазну присутність від 1 до 100 мільйонів старих сплячих монстрів лише в нашій галактиці. Скільки інших явищ, настільки рідкісних і швидкоплинних, що ми їх ніколи не бачили, все ще ховається в тіні?