[科普中國]-磁星

“磁星”（Magnetar）是中子星的一種，它們均擁有極強(qiáng)的磁場(chǎng)，透過其產(chǎn)生的衰減，使之能源源不絕地釋出高能量電磁輻射，以X射線及伽瑪射線為主。

磁星的理論于1992年由科學(xué)家羅伯特·鄧肯（Robert Duncan）及克里斯托佛·湯普森（Christopher Thompson）首先提出，在其后幾年間，這個(gè)假設(shè)得到廣泛接納，去解釋軟伽瑪射線復(fù)發(fā)源（soft gamma repeater）及不規(guī)則X射線脈沖星（anomalous X-ray pulsar）等可觀測(cè)天體。

概述磁星是具有強(qiáng)磁場(chǎng)的恒星。通常光譜型為A，磁場(chǎng)可以強(qiáng)到3特(斯拉)。磁星的磁場(chǎng)強(qiáng)度還在變化，故又稱磁變星。磁變星大多為A型特殊星。一部分磁變星，不僅磁場(chǎng)周期性變化，光度和光譜也變化。光變周期1～25天，變幅一般不超過0.1等。

形成當(dāng)一顆大型恒星經(jīng)過超新星爆發(fā)后，它會(huì)塌縮為一顆中子星，其磁場(chǎng)也會(huì)迅速增強(qiáng)。在科學(xué)家鄧肯及湯普森的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中，其強(qiáng)度約為一億特斯拉（10^8 Tesla），在某些情況更可達(dá)1,000億特斯拉（10^11 T，10^15 Gauss），這些極強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星便被稱為“磁星”。而地球表面的天然地磁場(chǎng)強(qiáng)度，在赤道附近約3.5×10^-5 T，在兩極附近約7×10^-5 T。

一顆超新星在爆發(fā)期間，自身可能會(huì)失去約10%的質(zhì)量，一顆質(zhì)量為太陽的10倍到30倍的恒星，在避免塌縮成黑洞的情況下，它們需要放出更大的質(zhì)量，可能為自身的80%。據(jù)估計(jì)，每大約十顆超新星爆發(fā)中，便會(huì)有一顆能成為磁星，而非一般的中子星或脈沖星。在它們演變成超新星前，自身需擁有強(qiáng)大磁場(chǎng)及高自轉(zhuǎn)速度，方有機(jī)會(huì)演化成磁星。有人認(rèn)為，磁星的磁場(chǎng)可能是在中子星誕生后首十秒左右，透過熾熱內(nèi)核物質(zhì)的對(duì)流所產(chǎn)生的，情形就如一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。如果在對(duì)流現(xiàn)象發(fā)生期間同時(shí)擁有高自轉(zhuǎn)速度（周期約10毫秒左右），其產(chǎn)生的電流足以傳遍整顆天體，便足夠把其自轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)為其磁場(chǎng)。相反，如果天體的自轉(zhuǎn)速度較慢，其內(nèi)核物質(zhì)的對(duì)流所產(chǎn)生的電流不足以傳遍整顆天體，只在局部區(qū)域流動(dòng)。

短壽命一顆磁星的外層含有等離子及以鐵為主的重元素，在張力產(chǎn)生期間，天體會(huì)出現(xiàn)“星震”（starquake），這種地震能使天體釋放強(qiáng)大能量，包括釋出X射線暴及γ射線暴，天文學(xué)家把這種天體稱為“軟γ射線復(fù)發(fā)源”。如果把一顆磁星看成為“軟γ射線復(fù)發(fā)源”，它們的壽命相當(dāng)短暫?！靶钦稹睍?huì)釋出大量物質(zhì)及能量，當(dāng)中物質(zhì)被困在自身的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，繼而在數(shù)分鐘內(nèi)蒸發(fā)殆盡，另外其他能以放射形式釋出的物質(zhì)，其動(dòng)能來自天體的角動(dòng)量，使磁星的自轉(zhuǎn)速度減慢，且比其他中子星減得更快。轉(zhuǎn)速減慢會(huì)連帶其強(qiáng)大磁場(chǎng)一同減弱，到大約一萬年后磁星的“星震”停止，期間仍會(huì)釋出X射線，天文學(xué)家將之稱為“不規(guī)則X射線脈沖星”。再過大約一萬年后，其活動(dòng)幾近停止?！靶钦稹睂儆谝环N瞬間的大型破壞，當(dāng)中一些給人們直接記錄，例如2004年12月27日的SGR 1806-20，隨著天文望遠(yuǎn)鏡的精確度日高，預(yù)計(jì)在未來人們能記錄更多類似現(xiàn)象。

已知的磁星SGR 0525-66，位于大麥哲倫云，人類發(fā)現(xiàn)的首顆磁星（1979年）。

SGR 1806-20，位于人馬座，距離地球50,000光年。

SGR 1900+14，位于天鷹座，距離地球20,000光年。

SGR 0501+4516，2008年8月22日被發(fā)現(xiàn)。

1E 1048.1-5937，位于船底座，距離地球9,000光年。該恒星在演變?yōu)榇判乔?，其質(zhì)量估計(jì)為太陽的30到40倍1。

影響一個(gè)強(qiáng)度超過10 GTesla（10^10 T）的磁場(chǎng)，在地月距離的一半位置就足以將地球一張銀行信用卡給消磁。一顆以釹元素制成的稀土磁石，其磁場(chǎng)強(qiáng)度約為1 Tesla，而地磁場(chǎng)的強(qiáng)度則為30至60 μT，不少用作數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的磁性媒體，可在短距離下以毫特斯拉的磁場(chǎng)把數(shù)據(jù)刪除。

在距磁星1,000公里的范圍內(nèi)，其強(qiáng)大磁場(chǎng)足以置人于死地，水份的反磁性可把細(xì)胞組織撕碎。一顆質(zhì)量達(dá)太陽1.4倍的磁星，在相同距離范圍內(nèi)，其潮汐力也足以致命，如果把一個(gè)人放在這種地方，其20000牛頓以上的拉力足以把這個(gè)人撕開兩段。

事件三萬光年外磁星爆發(fā)耀眼光環(huán)如太空煙火

天文學(xué)家曾利用美國宇航局的“雨燕”(Swift)衛(wèi)星和費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡(Fermi Gamma Ray Space Telescope)，觀察距離地球30000光年的一個(gè)恒星殘余物中頻繁發(fā)生的一些高能伽馬射線爆發(fā)，這種爆發(fā)宛如天國煙火。這些美麗的天上“煙火”是從一種被稱作“軟γ 射線復(fù)現(xiàn)源”(soft-gamma-ray repeater)的，非常罕見的中子星中發(fā)出的。這種天體會(huì)時(shí)不時(shí)地噴發(fā)出一系列X射線和伽馬射線。

這個(gè)天體位于南天的矩尺座，人們?cè)缇椭浪且粋€(gè)X射線源。在過去的兩年間，天文學(xué)家已經(jīng)鑒別出它發(fā)出的脈沖射電和X射線信號(hào)。2008年10月3日，它產(chǎn)生一系列規(guī)模不大的爆發(fā)，之后經(jīng)歷一段平靜期，然后在2009年1月22日重新爆發(fā)，且強(qiáng)度激增。

因其重新爆發(fā)，天文學(xué)家將這一天體歸為“軟 γ 射線復(fù)現(xiàn)源”(soft-gamma-ray repeater)，這類天體發(fā)現(xiàn)了6顆。2004年，另一顆“軟 γ 射線復(fù)現(xiàn)源”產(chǎn)生的超強(qiáng)爆發(fā)，從50000光年外對(duì)地球上層大氣產(chǎn)生顯著影響?？茖W(xué)家認(rèn)為，這一輻射源是一顆高速旋轉(zhuǎn)的中子星——一顆非常致密，像城市一樣大的超新星遺骸。雖然它的直徑僅有12英里，但是它的質(zhì)量超過太陽。這一天體被編號(hào)為SGR J1550-5418。

雖然中子星一般都擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，但是一個(gè)中子星群體可以展現(xiàn)出比單個(gè)中子星強(qiáng)1000倍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這些所謂的“磁星”（magnetar）在宇宙中擁有最強(qiáng)的磁場(chǎng)。SGR J1550-5418每2.07秒旋轉(zhuǎn)一周，是世界上旋轉(zhuǎn)速度最快的磁星。天文學(xué)家認(rèn)為，磁星通過它們磁場(chǎng)里的強(qiáng)大能量，為它們的爆發(fā)供能。

2004年，地球曾遭遇巨型“耀斑”襲擊，一次來自宇宙深處的高能伽馬射線暴轟擊了地球大氣。那一次轟擊前所未有，其在小于一秒的瞬間發(fā)出的能量相當(dāng)于太陽在50萬年內(nèi)發(fā)出的總能量。 這一事件發(fā)生在2004年12月27日，它來自一類中子星：磁星。這種中子星具有超強(qiáng)的磁場(chǎng)，這次爆發(fā)的這顆位于銀河系的另一端。發(fā)生爆發(fā)的磁星編號(hào)為SGR 1806-20，它也被稱為“軟伽馬射線復(fù)現(xiàn)源”，通常這類天體輻射集中在低能伽馬射線波段，但當(dāng)其磁場(chǎng)發(fā)生重置時(shí)，便會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈能量爆發(fā)。它距離地球達(dá)5萬光年，但它巨大的威力使人們?cè)诘厍蛏仙踔劣萌庋鄱寄芸匆姟?/p>

美國宇航局表示，這一事件能量極高，其產(chǎn)生的射線轟擊地球高層大氣，造成大氣分子電離發(fā)光。強(qiáng)烈的射線對(duì)數(shù)千顆在地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星造成影響，并使地球外層大氣發(fā)生電離并發(fā)光。根據(jù)美國宇航局的說法，這一爆發(fā)在伽馬射線波段的亮度甚至超過滿月，是有史以來在太陽系之外記錄到的“最明亮的東西。”當(dāng)然肉眼是無法感覺到這種亮度的，因?yàn)槿庋蹮o法看見伽馬射線，并且地球大氣對(duì)于伽馬射線具有強(qiáng)烈的攔截作用。

“不管是對(duì)于天文學(xué)家還是中子星，這種事件可能一生都只會(huì)發(fā)生一次，”大衛(wèi)·帕爾默(David Palmer)博士說。他來自美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室。 “在過去的35年間，我們僅僅記錄到另外兩起這樣的類似案例，而這一次爆發(fā)的能量是另外兩次的100倍?！?/p>

由于它距離遙遠(yuǎn)，此次爆發(fā)不會(huì)對(duì)地球構(gòu)成大的威脅，但如果它離我們?cè)俳恍?，它將是致命的。即便它們只是離我們十幾光年遠(yuǎn)，磁星也將造成嚴(yán)重的問題。而據(jù)天文學(xué)家們估計(jì)，我們的銀河系中存在大量這種天體，只是能級(jí)可能稍低一些。

不過，“相比2004年12月27日的那次，兩外兩次爆發(fā)簡(jiǎn)直就是小兒科，”布里亞·岡瑟勒(Bryan Gaensler)博士說。他來自馬薩諸塞州哈佛-史密松天體物理中心。“如果它距離我們10光年以內(nèi)，它將嚴(yán)重?fù)p害地球的大氣層。 然而幸運(yùn)的是，所有我們已發(fā)現(xiàn)的磁星都位于相當(dāng)遙遠(yuǎn)的地方。

2008年3月19日曾發(fā)生過一次爆發(fā)方向幾乎正對(duì)地球的事件，爆發(fā)源是GRB 080319B。但GRB 080319B屬于超大質(zhì)量恒星核心塌縮成黑洞時(shí)候，所釋放出的高能伽馬射線暴，強(qiáng)度和能量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是磁星的“軟伽馬射線復(fù)現(xiàn)源”所能夠相提并論的。

奇特磁星據(jù)國外媒體報(bào)道，宇宙中的磁星是一種神秘的天體，擁有極為強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并且可以釋放出諸如伽瑪射線等高能電磁輻射，磁星形成于超新星爆發(fā)，當(dāng)恒星消耗完自身攜帶的燃料后發(fā)生強(qiáng)烈的爆發(fā)，在條件具備的情況下可坍縮成一顆中子星，如果磁場(chǎng)足夠強(qiáng)大，那么這類中子星就被稱為磁星?？茖W(xué)家利用美國宇航局錢德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡和數(shù)個(gè)衛(wèi)星觀測(cè)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)磁星可能是多種多樣的，比此前認(rèn)為的“種類”要更多一些2。

恒星發(fā)生爆發(fā)后，核心坍縮成中子星，物質(zhì)被擠入體積僅為10至15英里寬的空間內(nèi)，即16至24公里，大多數(shù)的中子星可以進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)，一秒內(nèi)完成數(shù)次旋轉(zhuǎn)，但是有些中子星的旋轉(zhuǎn)速度比較低，每隔幾秒鐘才完成一次旋轉(zhuǎn)。磁星的強(qiáng)磁場(chǎng)是大多數(shù)中子星的1000倍，但是這個(gè)理論并非完全符合當(dāng)前的觀測(cè)結(jié)果。根據(jù)最新的巡天表明，SGR 0418+5729天體就是一顆磁星，其性質(zhì)卻截然不同，來自西班牙巴塞羅那太空科學(xué)研究所研究員南達(dá)·瑞伊爾認(rèn)為我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SGR 0418磁星擁有較低強(qiáng)度磁場(chǎng)。

研究人員使用錢德拉望遠(yuǎn)鏡、歐洲空間局XMM-牛頓以及NASA的雨燕、RXTE衛(wèi)星對(duì)SGR 0418磁星進(jìn)行了超過三年的調(diào)查，已經(jīng)測(cè)量其旋轉(zhuǎn)速度變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，來自羅馬國家天體物理研究所科學(xué)家贊布羅塔認(rèn)為表面低磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁星非常罕見，顯然是異常中子星演化模式的典型案列。研究估計(jì)SGR 0418磁星的年齡大約為55萬歲，但是該天體內(nèi)部磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)，未來仍然可能出現(xiàn)爆發(fā)事件。

如果大多數(shù)中子星誕生時(shí)都具有強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，那么宇宙中出現(xiàn)的不少能量較弱的伽瑪射線暴發(fā)可能來源于磁星的形成，而非黑洞，磁星形成時(shí)的伽馬射線暴，強(qiáng)度和能量要明顯弱于黑洞形成時(shí)的伽馬射線暴，同時(shí)磁星誕生時(shí)產(chǎn)生的引力波信號(hào)也會(huì)在宇宙中擴(kuò)散，當(dāng)前宇宙中的神秘“時(shí)空漣漪”有可能來源于磁星的形成。SGR 0418磁星距離地球大約6500光年，位于銀河系中，本項(xiàng)研究結(jié)果將發(fā)表在6月10日出版的《天體物理學(xué)》期刊上3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

湯壽旎 - 副教授 - 武漢理工大學(xué)