Magnetar

Magnetar

Magnetar je typ neutronové hvězdy , o níž se předpokládá, že má extrémně silné magnetické pole ( ~ 109 až 1011T , ~ 1013 až 1015G ) Rozpad magnetického pole pohání emisi vysokoenergetického elektromagnetického záření , zejména rentgenového a gama záření. Teorie týkající se těchto objektů byla navržena v roce 1992 Robertem Duncanem a Christopherem Thompsonem.Teorii následně rozvinul Bohdan Paczyński a její navrhovatelé. Tato teorie vysvětlila záblesk gama paprsků z Velkého Magellanova mračna, který byl detekován 5. března 1979, a další méně jasné záblesky z naší galaxie. Během následující dekády se hypotéza magnetaru stala široce akceptovanou jako pravděpodobné vysvětlení měkkých gama opakovačů (SGR) a anomálních rentgenových pulsarů (AXP). V roce 2020 byl z magnetaru detekován rychlý rádiový výboj (FRB).

Popis

Stejně jako ostatní neutronové hvězdy mají magnetary v průměru asi 20 kilometrů a mají hmotnost asi 1,4 hmotnosti Slunce. Vznikají kolapsem hvězdy o hmotnosti 10-25násobku hmotnosti Slunce . Hustota vnitřku magnetaru je taková, že lžíce jeho látky by měla hmotnost přes 100 milionů tun. Magnetary se od ostatních neutronových hvězd odlišují tím, že mají ještě silnější magnetická pole a ve srovnání s nimi rotují pomaleji. Většina magnetarů rotuje jednou za dvě až deset sekund, zatímco typické neutronové hvězdy rotují jednou až desetkrát za sekundu. Magnetické pole magnetaru způsobuje velmi silné a charakteristické záblesky rentgenového a gama záření. Aktivní životnost magnetaru je krátká. Jejich silná magnetická pole se rozpadají asi po 10 000 letech, poté aktivita a silná rentgenová emise ustanou. Vzhledem k počtu dnes pozorovatelných magnetarů jeden odhad uvádí počet neaktivních magnetarů v Mléčné dráze na 30 milionů nebo více.

Hvězdná otřesy vyvolané na povrchu magnetaru narušují magnetické pole, které jej obklopuje, což často vede k extrémně silným emisím gama záblesků, které byly na Zemi zaznamenány v letech 1979, 1998 a 2004.

Magnetické pole

Magnetary jsou charakteristické svými extrémně silnými magnetickými poli ~ 109 až 1011T . Tato magnetická pole jsou stomilionkrát silnější než jakýkoli umělý magnet a asi bilionkrát silnější než pole obklopující Zemi . Země má geomagnetické pole 30-60 mikrotesla a magnet ze vzácných zemin na bázi neodymu má pole asi 1,25 tesla s hustotou magnetické energie 4,0 × 10 5 J/m 3 . Naproti tomu pole magnetaru 10 10 tesla má hustotu energie 4,0 × 10 25 J/m3 , s hustotou E/ c2 více než 10 000krát větší než olovo . Magnetické pole magnetaru by bylo smrtelné i na vzdálenost 1 000 km kvůli silnému magnetickému poli, které deformuje elektronová mračna atomů tvořících předmět, což znemožňuje chemii známých forem života.Ve vzdálenosti v polovině vzdálenosti od Země k Měsíci, průměrná vzdálenost mezi Zemí a Měsícem je 384 400 km (238 900 mil), magnetar mohl odstranit informace z magnetických proužků všech kreditních karet na Zemi. Od roku 2020 jsou to nejsilnější magnetické objekty detekované v celém vesmíru.

Jak je popsáno v úvodním příběhu Scientific American z února 2003 , v magnetickém poli o síle magnetaru se dějí pozoruhodné věci. " Rentgenové fotony se snadno rozdělí na dva nebo se spojí. Samotné vakuum je polarizované a stává se silně dvojlomným , jako krystal kalcitu . Atomy jsou deformovány do dlouhých válců tenčích, než je kvantově-relativistická de Broglieho vlnová délka elektronu." V poli asi 10 5 telasových atomových orbitalů se deformují do tyčových tvarů. Při 10 10 tesla, atom vodíku , 1,06 × 10 −10m, se stává vřetenem 200krát užším, než je jeho normální průměr.

Původ magnetických polí

Dominantní teorie silných polí magnetarů je, že je výsledkem magnetohydrodynamického dynamo procesu v turbulentní, extrémně husté vodivé tekutině, která existuje předtím, než se neutronová hvězda usadí do své rovnovážné konfigurace. Tato pole pak přetrvávají díky trvalým proudům v protonově-supravodičové fázi hmoty, která existuje ve střední hloubce v neutronové hvězdě (kde převažují neutrony hmotou). Podobný magnetohydrodynamický dynamo proces vytváří ještě intenzivnější přechodová pole během koalescence párů neutronových hvězd. Ale jiná teorie říká, že jsou jednoduše výsledkem kolapsu hvězd s neobvykle vysokým magnetickým polem.

formace

Magnetar SGR 1900+14 (uprostřed snímku) ukazuje obklopující prstenec plynu o průměru 7 světelných let v infračerveném světle, jak jej viděl Spitzerův vesmírný dalekohled . Samotný magnetar není při této vlnové délce viditelný, ale byl pozorován v rentgenovém světle.

V supernově se hvězda zhroutí na neutronovou hvězdu a její magnetické pole dramaticky naroste na síle díky zachování magnetického toku . Snížením lineárního rozměru na polovinu se síla magnetického pole zvýší čtyřikrát. Duncan a Thompson vypočítali, že když rotace, teplota a magnetické pole nově vzniklé neutronové hvězdy spadne do správných rozsahů, mohl by zapůsobit dynamo mechanismus , který přemění teplo a rotační energii na magnetickou energii a zvětší magnetické pole, za normálních okolností již enormní 10 8 tesla , na více než 10 11 tesla (nebo 10 15 gaussů ). Výsledkem je magnetar. Odhaduje se, že asi jedna z deseti explozí supernovy má za následek spíše magnetar než standardnější neutronovou hvězdu nebo pulsar.

1979 objev

5. března 1979, několik měsíců po úspěšném svržení satelitů do atmosféry Venuše , byly dvě bezpilotní sovětské sondy, Venera 11 a 12 , zasaženy výbuchem gama záření přibližně v 10:51 EST. Tento kontakt zvýšil hodnoty záření na obou sondách z normálních 100 impulzů za sekundu na více než 200 000 impulzů za sekundu, a to za pouhý zlomek milisekundy.

Tento záblesk gama paprsků se rychle šířil dál. O jedenáct sekund později byl Helios 2 , sonda NASA , která byla na oběžné dráze kolem Slunce , nasycen výbuchem záření. Brzy zasáhla Venuši a detektory sondy Pioneer Venus Orbiter byly touto vlnou překonány. O několik sekund později Země přijala vlnu záření, kde silný výstup gama paprsků zaplavil detektory tří satelitů Vela amerického ministerstva obrany , sovětského satelitu Prognoz 7 a Einsteinovy ​​observatoře . Těsně předtím, než vlna opustila sluneční soustavu, zasáhl výbuch také International Sun-Earth Explorer. Tento extrémně silný výbuch gama záření představoval nejsilnější vlnu extrasolárních gama paprsků, jaké byly kdy detekovány; byl více než 100krát intenzivnější než jakýkoli známý předchozí extrasolární výboj. Vzhledem k tomu, že gama paprsky se šíří rychlostí světla a dobu pulsu zaznamenalo několik vzdálených kosmických lodí i na Zemi, bylo možné zdroj gama záření vypočítat s přesností asi 2 úhlové sekundy. Směr zdroje korespondoval se zbytky hvězdy, která kolem roku 3000 př. n. l. prošla supernovou . Bylo to ve Velkém Magellanově mračnu a zdroj byl pojmenován SGR 0525-66 ; byla pojmenována samotná událostGRB 790305b , první pozorovaná megaflare SGR.

Nedávné objevy

Umělcova představa záblesku gama a supernovy poháněné magnetarem [28]

21. února 2008 bylo oznámeno, že NASA a výzkumníci z McGill University objevili neutronovou hvězdu s vlastnostmi rádiového pulsaru, který vyzařoval několik magneticky poháněných záblesků, jako je magnetar. To naznačuje, že magnetary nejsou pouze vzácným typem pulsarů , ale mohou být (možná i reverzibilní) fází života některých pulsarů. [29] Dne 24. září 2008 ESO oznámilo, že pomocí dalekohledu ESO Very Large Telescope bylo zjištěno, že jde o prvního dosud objeveného opticky aktivního magnetarového kandidáta . Nově objevený objekt byl označen SWIFT J195509+261406. 1. září 2014 ESAzveřejnila zprávu o magnetaru poblíž zbytku supernovy Kesteven 79 . Astronomové z Evropy a Číny objevili tento magnetar s názvem 3XMM J185246.6+003317 v roce 2013 při pohledu na snímky pořízené v letech 2008 a 2009. V roce 2013 byl objeven magnetar PSR J1745−2900 , který obíhá kolem černá díra v systému Sagittarius A* . Tento objekt poskytuje cenný nástroj pro studium ionizovaného mezihvězdného prostředí směrem ke galaktickému středu . V roce 2018 byl výsledek sloučení dvou neutronových hvězd určen jako hypermasivní magnetar.

V dubnu 2020 bylo navrženo možné spojení mezi rychlými rádiovými záblesky (FRB) a magnetary na základě pozorování SGR 1935+2154 , pravděpodobného magnetaru umístěného v galaxii Mléčná dráha.

Známé magnetary

Dne 27. prosince 2004 prošel sluneční soustavou záblesk gama paprsků z SGR 1806−20 ( uvedena umělcova koncepce ). Výbuch byl tak silný, že měl účinky na zemskou atmosféru v rozsahu asi 50 000 světelných let .

K červenci 2021 je známo 24 magnetarů, přičemž šest dalších kandidátů čeká na potvrzení. Úplný seznam je uveden v online katalogu McGill SGR/AXP. Příklady známých magnetarů zahrnují:

• SGR 0525−66 , ve Velkém Magellanově mračnu , který se nachází asi 163 000 světelných let od Země, první nalezený (v roce 1979)
• SGR 1806−20 , který se nachází 50 000 světelných let od Země na odvrácené straně Mléčné dráhy v souhvězdí Střelce .
• SGR 1900+14 , který se nachází 20 000 světelných let daleko v souhvězdí Aquila . Po dlouhém období nízkých emisí (významné výbuchy pouze v letech 1979 a 1993) se stal aktivním v květnu až srpnu 1998 a výbuch zjištěný 27. srpna 1998 měl dostatečný výkon, aby donutil NEAR Shoemaker vypnout, aby se předešlo poškození a saturují nástroje na BeppoSAX , WIND a RXTE . 29. května 2008 objevil Spitzerův vesmírný dalekohled NASA kolem tohoto magnetaru prstenec hmoty. Předpokládá se, že tento prstenec vznikl v roce 1998 prasknutím.
• SGR 0501+4516 byl objeven 22. srpna 2008.
• 1E 1048.1−5937 , který se nachází 9 000 světelných let daleko v souhvězdí Carina . Původní hvězda, ze které vznikl magnetar, měla hmotnost 30 až 40krát větší než Slunce .
• Od září 2008 ESO hlásí identifikaci objektu, který původně identifikovala jako magnetar, SWIFT J195509+261406 , původně identifikovaný zábleskem gama (GRB 070610).
• CXO J164710.2-455216 , nacházející se v masivní galaktické kupě Westerlund 1 , která vznikla z hvězdy o hmotnosti přesahující 40 hmotností Slunce.
• SWIFT J1822.3 Star-1606 objevený 14. července 2011 italskými a španělskými výzkumníky z CSIC v Madridu a Katalánsku. Tento magnetar má na rozdíl od předpovědí nízké vnější magnetické pole a může být starý až půl milionu let.
• 3XMM J185246.6+003317, objevený mezinárodním týmem astronomů při sledování dat z rentgenového dalekohledu XMM-Newton ESA .
• SGR 1935+2154 vyslal 28. dubna 2020 pár světelných rádiových záblesků. Spekulovalo se, že se může jednat o galaktické příklady rychlých rádiových záblesků .
• Swift J1818.0-1607 , rentgenový záblesk detekovaný v březnu 2020, je jedním z pěti známých magnetarů, které jsou také rádiovými pulsary. Může být starý jen 240 let. 

Jasné supernovy

Má se za to, že neobvykle jasné supernovy jsou důsledkem smrti velmi velkých hvězd jako supernovy párové nestability (nebo supernovy s pulzační párovou nestabilitou). Nedávný výzkum astronomů však předpokládal, že energie uvolněná z nově vzniklých magnetarů do okolních zbytků supernov může být zodpovědná za některé z nejjasnějších supernov, jako jsou SN 2005ap a SN 2008es.