你知道宇宙中磁場最強(qiáng)的磁星，磁場強(qiáng)度有多嚇人嗎？

磁星是宇宙中觀察到磁場最強(qiáng)的中子星，但磁星的起源仍然存在爭議?，F(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來自CEA、薩克利、馬克斯·普朗克天體物理研究所(MPA)和巴黎物理研究所的一組科學(xué)家，開發(fā)了一種新的、空前詳細(xì)的計算機(jī)模型，可以通過放大快速旋轉(zhuǎn)中子星在塌縮的大質(zhì)量恒星中誕生時先前存在的弱場來解釋這些巨強(qiáng)磁場的起源，為理解這類恒星最強(qiáng)大、最明亮的爆炸開辟了新途徑。

中子星的半徑約12公里，但質(zhì)量卻包含至少1.4倍太陽質(zhì)量的致密天體。其中，磁星的特征是噴發(fā)發(fā)射X射線和伽馬射線，與這些強(qiáng)輻射爆發(fā)相關(guān)的能量可能與超強(qiáng)磁場有關(guān)。因此，由于加強(qiáng)了磁制動，磁星的自轉(zhuǎn)速度應(yīng)該比其他中子星更快，對它們自轉(zhuǎn)周期演變的測量已經(jīng)證實(shí)了這一情況。因此，研究推斷磁星有10^15Gauss(G)量級的偶極磁場，即比典型中子星的磁場強(qiáng)1000倍！

磁星如何形成？

中子星通常是在超過九個太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星核坍塌后形成，而恒星外層在一次被稱為核心塌陷超新星的巨大爆炸中被噴射到星際空間。因此，一些理論假設(shè)中子星和磁星的磁場可以從它們的前身恒星繼承下來，這意味著這些磁場可以完全由坍塌前恒星核的磁化強(qiáng)度決定。然而，這一假說的問題是，恒星中非常強(qiáng)的磁場可能會減慢恒星核心的旋轉(zhuǎn)速度，因此來自這種磁化恒星的中子星只會緩慢旋轉(zhuǎn)。

（上圖所示）新生中子星內(nèi)部對流區(qū)磁力線的3D快照：向內(nèi)(向外)流動由藍(lán)色(紅色)表面表示；左：發(fā)現(xiàn)了幾毫秒快速旋轉(zhuǎn)周期的強(qiáng)場發(fā)電機(jī)，偶極分量達(dá)到10^15G；右：對于較慢的旋轉(zhuǎn)，磁場減弱十倍。圖片：CEA Sacley

MPA的團(tuán)隊(duì)成員H-托馬斯·揚(yáng)卡(H.-Thomas Janka)說：這不會讓我們解釋超新星爆炸和長時間伽馬射線爆發(fā)的巨大能量，在這些爆發(fā)中，快速旋轉(zhuǎn)的中子星或快速旋轉(zhuǎn)的黑洞被認(rèn)為是巨大能量的中心來源。因此，另一種機(jī)制顯得更為有利，即極端磁場可以在中子星本身形成的過程中產(chǎn)生。在恒星核心坍塌后的最初幾秒鐘內(nèi)，新生的熱中子星通過發(fā)射中微子冷卻下來。

這種冷卻會觸發(fā)強(qiáng)大的內(nèi)部對流物質(zhì)流動，類似于爐子上鍋里沸水的起泡。恒星物質(zhì)的這種劇烈運(yùn)動，可能會導(dǎo)致任何預(yù)先存在的弱磁場增強(qiáng)。這種被稱為發(fā)電機(jī)效應(yīng)的場放大機(jī)制正在發(fā)揮作用，例如，在地球的液態(tài)鐵核或太陽對流包層中。為了測試中子星的這種可能性，研究小組使用法國國家高等教育計算中心的超級計算機(jī)模擬了一顆新生、非常熱和快速旋轉(zhuǎn)的中子星對流。

事實(shí)上，通過這種新的建模方法發(fā)現(xiàn)，在足夠快的旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，微弱的初始磁場可以被放大到10^16G的值。研究的主要作者、薩克雷CEA的拉斐爾·雷諾說：研究模型表明，與較慢的旋轉(zhuǎn)相比，短于8毫秒的旋轉(zhuǎn)周期，能更有效的發(fā)電機(jī)過程，旋轉(zhuǎn)較慢的模型，不會顯示這種強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的巨大磁場。除了揭示磁星的形成，這些結(jié)果還為理解最強(qiáng)大、最明亮的大質(zhì)量恒星爆炸開辟了新途徑。

超新星爆炸

例如，超超新星發(fā)出的光，比通常的超新星多一百倍，而超超新星的特征是動能大十倍，有時與持續(xù)數(shù)十秒的伽馬射線爆發(fā)有關(guān)。這些突出的爆炸迫使科學(xué)家想象必須從“中央引擎”中提取大量能量的非標(biāo)準(zhǔn)過程。而“毫秒磁星”情景是目前此類極端事件中央引擎最有希望的模型之一?？焖傩D(zhuǎn)的中子星旋轉(zhuǎn)能量是增加爆炸能量的附加能量儲存庫。

通過施加制動力矩，10^15G的強(qiáng)偶極磁場，可以將中子星的旋轉(zhuǎn)能量傳遞給爆炸。要使這個機(jī)制有效，場強(qiáng)必須在10^15G量級，這與對流發(fā)電機(jī)在毫秒自轉(zhuǎn)周期內(nèi)達(dá)到的值非常接近。到目前為止，毫秒磁星模型主要缺點(diǎn)是假設(shè)一個特別的磁場，而與中子星的快速自轉(zhuǎn)速度無關(guān)。因此，研究小組獲得的結(jié)果，提供了為宇宙中最強(qiáng)恒星爆炸提供動力的中央引擎情景所缺少的理論支持。

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博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aay2732

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