Samyi sil'nyi magnit vo Vselennoi

Sil'viya Dzane (Silvia Zane, London University)
Roberto Turolla (Roberto Turolla, University of Padova)

V noyabre 1996 g. sputnik RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer, NASA) provodil monitoring neobychnogo pul'sara, nahodyashegosya v 40 000 svetovyh godah ot Zemli. Eta zvezda (ee oboznachenie SGR 1806-20) yavlyaetsya odnim iz chetyreh izvestnyh istochnikov myagkih povtoryayushihsya gamma-vspleskov - vrashayushihsya neitronnyh zvezd, kotorye vremya ot vremeni izluchayut moshnye vspleski gamma-luchei. I vot mezhdunarodnaya komanda issledovatelei, ispol'zuya dannye RXTE, pokazala, chto etot istochnik yavlyaetsya samym moshnym iz izvestnyh na segodnyashnii den' magnitom vo Vselennoi.

Izmerenie sil'nyh magnitnyh polei

Pul'sary yavlyayutsya vrashayushimisya neitronnymi zvezdami, kotorye proyavlyayut sebya kak gigantskie kosmicheskie mayaki. Obladaya massoi poryadka polutora solnechnyh, szhatoi v shar diametrov okolo 10 km, neitronnye zvezdy eto samye plotnye ob'ekty. Vrashenie privodit k poyavleniyu periodicheskogo radiosignala, i togda zvezdu nazyvayut pul'sarom. Standartnaya model' pul'sara - eto magnitnyi dipol', ch'ya os' naklonena k osi vrasheniya, i radiovolny rasprostranyayutsya v vide konusa, napravlennogo vdol' osi dipolya.

Elektromagnitnoe izluchenie pul'sara voznikaet za schet ego energii vrasheniya. T.o. zvezda zamedlyaetsya, period rastet, chto pozvolyaet ocenit' magnitnoe pole. Hotya uvelichenie perioda sostavlyaet vsego odnu millionnuyu dolyu sekundy za 100 let, etu velichinu mozhno izmerit' s vysokoi tochnost'yu po radionablyudeniyam. Prinimaya prostuyu model' magnitnogo dipolya, my poluchaem, chto temp zamedleniya proporcionalen B²/P, gde P - period vrasheniya zvezdy, a B - ee magnitnoe pole.

Odnako, v nekotoryh sluchayah magnitnoe pole mozhet byt' izmereno napryamuyu, i imenno takoi podhod ispol'zovalsya v nedavnei interpretacii dannyh RXTE. Delo v tom, chto dlya pul'sarov, kotorye izluchayut v rentgenovskom diapazone, zavisimost' mezhdu polem i zamedleniem ne stol' chetkaya, no etu problemu mozhno oboiti. V sil'nom magnitnom pole elektrony vynuzhdeny dvigat'sya vdol' silovyh linii. Kogda zhe magnitnoe pole "szhimaet" elektrony v napravlenii tangencial'nom dvizheniyu do velichiny men'shei ih de Broilevskoi volny, to stanovyatsya sushestvennymi kvantovye effekty. Dvizhenie stanovitsya kvantovannym, poyavlyayutsya diskretnye urovni - urovni Landau, - kotorye dayutsya sootnosheniem , gde - ciklotronnaya chastota, i - zaryad i massa elektrona, - postoyannaya Planka, i - skorost' sveta.

Pryamoe izmerenie magnitnogo polya zvezdy dostigaetsya registraciei emissionnoi linii na chastote, sootvetstvuyushei perehodam elektrona s odnogo urovnya Landau na drugoi. Obychno takie linii nablyudayutsya v rentgenovskoi oblasti spektra: naprimer elektronnaya ciklotronnaya liniya u pul'sara Gerkules X-1 nahoditsya na chastote, sootvetstvuyushei energii 60 keV.

Neitronnye zvezdy izvestny kak sil'no zamagnichennye ob'ekty s polyami poryadka 10¹² Gs, chto primerno v million raz bol'she samogo sil'nogo magnitnogo polya na obychnyh zvezdah ili polya, kotoroe mozhno poluchit' v laboratorii. Ob'yasnenie proishozhdeniya stol' sil'nyh magnitnyh polei yavlyaetsya nastoyashim vyzovom dlya teoreticheskoi fiziki. Desyat' let nazad Robert Dunkan iz Tehasskogo universiteta i Kristofer Tompson iz universiteta Severnoi Karoliny pokazali, chto konvektivnye dvizheniya i bystroe vrashenie vo vremya obrazovaniya neitronnoi zvezdy privodyat k poyavleniyu polei vplot' do 10¹⁵ Gs. Oni nazvali takie zvezdy "magnitarami", i astronomy srazu zhe prinyalis' iskat' ih.

Ohota na magnitary

Pervymi kandidatami v magnitary bylo semeistvo redkih i neobychnyh istochnikov gamma- i rentgenovskih luchei, nazyvaemyh istochnikami myagkih povtoryayushihsya gamma-vspleskov (MPG, angliiskaya abbreviatura SGR).(prim. perev. - pervye MPG byli otkryty v SSSR gruppoi Mazeca v eksperimente "Konus"). Eti medlenno vrashayushiesya pul'sary spokoino svetyat v rentgenovskom diapazone v techenie neskol'kih let, poka vdrug ne stanovyatsya na nekotoroe vremya (neskol'ko nedel' ili mesyacev) chrezvychaino aktivnymi. V etot period oni izluchayut mnozhestvo korotkih (okolo 0.1 s) vspyshek gamma-izlucheniya, kazhdaya vspyshka imeet svetimost' do milliarda svetimostei Solnca. Imenno nalichie takih vspleskov pozvolilo zapodozrit', chto MPG yavlyayutsya magnitarami. Teoriya predpolagaet, chto sil'nye magnitnye polya, sosredotochennye v kore neitronnoi zvezdy, mogut sozdavat' "razlomy", chto privodit k analogu zemletryasenii, nazyvaemomu "zvezdotryaseniyami".

Vo vremya zvezdotryaseniya struktura magnitnogo polya stanovitsya neustoichivoi, i proishodit perestroika v novoe ustoichivoe sostoyanie s bolee nizkoi energiei. Moshnye seismicheskie volny, rasprostranyayushiesya v kore zvezdy, smeshayut "osnovaniya" magnitnogo polya. Linii polya mogut deistvovat' kak uprugie niti, porozhdayushie volny, nazyvaemye Al'venovskimi, kotorye v svoyu ochered' uskoryayut oblaka chastic nad poverhnost'yu zvezdy. Imenno eto i porozhdaet vsplesk gamma izlucheniya. Esli eta teoriya verna, to vspleski MPG v kakoi-to mere analogichny solnechnym vspyshkam, no sushestvenno prevoshodyat poslednie po moshnosti. V oboih sluchayah prichina kroetsya v smeshenii osnovaniya linii magnitnogo polya (v sluchae Solnca prichina smesheniya - konvekciya, v sluchae neitronnyh zvezd - seismicheskaya aktivnost'), chto privodit k generacii Al'venovskih voln.

Magnitary, kak i obychnye radiopul'sary, dolzhny zamedlyat' svoe vrashenie. Prichem, poskol'ku pole u magnitarov na tri poryadka vyshe, to i temp zamedleniya stanovitsya bolee sushestvennym - okolo millisekundy v god. V konce 90-h gg. komanda Krisy Kuvelitu (Chrissa Kouveliotou) iz Marshallovskogo centra kosmicheskih poletov (NASA) i Kevina Harlei iz Universiteta Kalifornii v Berkli izmerila temp zamedleniya dlya dvuh MPG. Eto byl bol'shoi uspeh, t.k. otkrytie yavilos' sushestvennym argumentom v pol'zu magnitarnoi interpretacii MPG.

Nesmotrya na stol' sushestvennoe kosvennoe ukazanie na sverhsil'noe magnitnoe pole, pryamogo podtverzhdeniya ne bylo. Astronomam bylo neobhodimo neposredstvenno izmerit' velichinu magnitnogo polya putem registracii elektronnoi ciklotronnoi linii. No, dlya polya 10¹⁵ Gs liniya dolzhna nahodit'sya na energiyah poryadka neskol'kih MeV, a eta oblast' poka nedostupna dlya stol' detal'nyh spektral'nyh issledovanii. Odnako, dlya takih polei mozhno ozhidat' poyavleniya na energiyah poryadka neskol'kih keV protonnoi ciklotronnoi linii, kotoraya pri obychnyh polyah "spryatana" moshnym poglosheniem v opticheskom ili UF diapazonah.

Teoretiki, vklyuchaya Donga Laya i Vinna Ho iz Kornel'skogo universiteta, a takzhe avtory dannoi stat'i, stali provodit' raschety parametrov polya izlucheniya dlya takogo sluchaya. Izluchenie rasprostranyaetsya v sil'no zamagnichennoi plazme v ekstremal'nyh usloviyah atmosfery neitronnoi zvezdy. Nasha zadacha zaklyuchalas' v predskazanii svoistv spektral'noi linii (ee shiriny i intensivnosti). my poluchili, chto ciklotronnaya liniya poyavitsya kak absorbcionnaya detal', dostatochno shirokaya, chtoby byt' zamechennoi s pomosh'yu sovremennyh rentgenovskih observatorii. Astronomy nachali moshnuyu nablyudatel'nuyu kompaniyu po poisku linii u vseh izvestnyh kandidatov v magnitary. Odnako, do nastoyashego momenta ne bylo nikakih polozhitel'nyh rezul'tatov poiskov dlya istochnikov v spokoinom (ne vspyshechnom) sostoyanii.

Ishite tam, gde yarche

Novye rezul'taty osnovany na nablyudeniyah istochnika SGR 1806-20 na sputnike RXTE v noyabre 1996 g., kogda ob'ekt nahodilsya v aktivnom sostoyanii. Sputnik v osnovnom prednaznachen dlya issledovaniya vremennyh harakteristik rentgenovskih istochnikov i ne imeet horoshei spektral'noi apparatury. Odnako, vse-taki v diapazone ot 2 do 60 keV mozhno poluchat' raspredelenie fotonov po energiyam s pomosh'yu pribora PCA (Proportional Counter Array). Energeticheskoe razreshenie PCA ne ochen' vysokoe (ustroistvo mozhet razlichit' fotony, lish' esli ih energiya otlichaetsya bolee chem na 20 procentov), no dlya nashei zadachi etogo okazalos' dostatochno. Na risunke pokazano raspredelenie chisla fotonov v zavisimosti ot ih energii.

V 2002 g. Alaa Ibragim iz Universiteta Dzhordzha Vashingtona, komanda issledovatelei iz Goddardovskogo centra NASA i avtory dannoi stat'i nashli neobychnuyu detal' v rentgenovskom spektre istochnika SGR 1806-20. Vnachale rezul'tat byl poluchen lish' dlya odnogo vspleska (Ibrahim et al. 2002a). Zatem analogichnaya liniya byla obnaruzhena vo mnozhestve vspyshek. Imenno eti nablyudeniya pozvolili napryamuyu izmerit' magnitnoe pole v etom ob'ekte, i dali tverdye osnovaniya dlya magnitarnoi interpretacii MPG (Ibrahim et al. 2002b). V uzkom diapazone energii okolo 5 keV chislo fotonov bylo sushestvenno men'she, chem vokrug (sm. risunok). Energiya i shirina etoi absorbcionnoi detali tipichny dlya poglosheniya elektromagnitnogo izlucheniya protonami, dvizhushimisya v magnitnom pole poryadka 10¹⁵ Gs.

Vazhnost' etogo otkrytiya vyhodit za ramki prostogo dopolneniya izvestnogo zooparka astronomicheskih ob'ektov eshe odnim ekzemplyarom. Vo-pervyh, eto pervoe detektirovanie protonnoi ciklotronnoi linii u kosmicheskogo istochnika. Vo-vtoryh, eto odnoznachno ustanavlivaet magnitarnuyu prirodu MPG, i daet chetkoe dokazatel'stvo sushestvovaniya polei vyshe kvantovogo kriticheskogo znacheniya (4.4^.10¹³ Gs). Eto znachenie sootvetstvuet situacii, kogda skachok mezhdu pervym i vtorym urovnyami Landau raven masse pokoya elektrona. Pri etom pole dlya dvizheniya elektrona v napravlenii tangencial'nom silovoi linii ostaetsya mesta kak raz na dlinu volny de Broilya dlya etoi chasticy. Eto naimen'shaya oblast' prostranstva, gde mozhet byt' lokalizovan elektron, i kriticheskaya velichina (4.4^.10¹³ Gs) imeet znachenie estestvennogo masshtaba magnitnogo polya.

Dannoe otkrytie otkryvaet novyi rubezh v issledovanii neitronnyh zvezd. T.k. magnitary bystro zamedlyayutsya, to v kazhdyi moment vremeni lish' nemnogie iz nih budut aktivny i dostupny dlya nablyudeniya. Nesmotrya na eto astronomy ozhidayut, chto v samom blizhaishem budushem chislo izvestnyh magnitarov vozrastet. Ostorozhnaya ocenka pokazyvaet, chto v nashei Galaktike dolzhno byt' okolo milliona magnitarov, no bolee optimisticheskie raschety dayut ot 30 do 100 millionov takih ob'ektov. Ih issledovaniya eshe tol'ko nachinayutsya.

---

Material budet opublikovan v Physics World, January 2003

My blagodarim avtorov za predostavlenie materiala do ego publikacii na physicsweb.org.

Perevod: Sergei Popov

Publikacii s klyuchevymi slovami: neitronnye zvezdy - Magnitary - sverhsil'nye magnitnye polya Publikacii so slovami: neitronnye zvezdy - Magnitary - sverhsil'nye magnitnye polya

Sm. takzhe: Kratkaya istoriya bystryh radiovspleskov GW200115: modelirovanie sliyaniya chernoi dyry i neitronnoi zvezdy Karta goryachih pyaten na poverhnosti neitronnoi zvezdy J0030 Neobychnyi signal mozhet svidetel'stvovat' o razrushenii neitronnoi zvezdy chernoi dyroi Odinochnaya neitronnaya zvezda v ostatke sverhnovoi E0102-72.3 NGC 4993: galakticheskii dom istoricheskogo vzryva GW170817: registraciya izlucheniya raznyh vidov ot yavleniya sliyaniya Vse publikacii na tu zhe temu >>