En ny teori om magnetardannelse

Magnetarer er neutronstjerner udstyret med de stærkeste magnetfelter observeret i universet, men deres oprindelse forbliver kontroversiel. I en undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt , et team af forskere fra CEA, Saclay, Max Planck Institute for Astrophysics (MPA), og Institut de Physique du Globe de Paris udviklede en ny og hidtil uset detaljeret computermodel, der kan forklare tilblivelsen af ​​disse gigantiske felter gennem forstærkningen af ​​allerede eksisterende svage felter, når hurtigt roterende neutronstjerner fødes i kollapsende massive stjerner. Værket åbner nye veje til at forstå de kraftigste og mest lysende eksplosioner af sådanne stjerner.

Magneter:hvad er de?

Neutronstjerner er kompakte objekter, der indeholder en til to solmasser inden for en radius på omkring 12 kilometer. Blandt dem, magnetarer er karakteriseret ved eruptiv emission af røntgenstråler og gammastråler. Energien forbundet med disse udbrud af intens stråling er sandsynligvis relateret til ultrastærke magnetfelter. Magnetarer bør derfor dreje hurtigere ned end andre neutronstjerner på grund af forbedret magnetisk bremsning, og målinger af deres rotationsperiodeudvikling har bekræftet dette scenario. Vi udleder således, at magnetarer har et dipolmagnetisk felt i størrelsesordenen 10 ¹⁵ Gauss (G), dvs. op til 1000 gange stærkere end typiske neutronstjerner! Mens eksistensen af ​​disse enorme magnetfelter nu er veletableret, deres oprindelse er fortsat kontroversiel.

Hvordan dannes de?

Neutronstjerner dannes generelt efter kollapset af jernkernen af ​​en massiv stjerne med mere end ni solmasser, mens de ydre lag af stjernen uddrives i det interstellare rum i en gigantisk eksplosion kaldet en kerne-kollaps supernova. Nogle teorier antager derfor, at neutronstjerne og magnetiske magnetfelter kan nedarves fra deres stamstjerner, hvilket betyder, at felterne helt kunne bestemmes af magnetiseringen af ​​jernkernen før kollaps. Problemet med denne hypotese er, imidlertid, at meget stærke magnetfelter i stjernerne kunne bremse stjernekernens rotation, så neutronstjernerne fra sådanne magnetiserede stjerner kun ville rotere langsomt.

"Dette ville ikke tillade os at forklare de enorme energier af hypernova-eksplosioner og langvarige gammastråleudbrud, hvor hurtigt roterende neutronstjerner eller hurtigt roterende sorte huller betragtes som de centrale kilder til de enorme energier, " bemærker teammedlem H.-Thomas Janka fra MPA. Derfor, en alternativ mekanisme synes mere gunstig, hvori de ekstreme magnetfelter kunne genereres under dannelsen af ​​selve neutronstjernen.

I de første få sekunder efter stjernekernens kollaps, den nyfødte varme neutronstjerne køler ned ved at udsende neutrinoer. Denne afkøling udløser stærke interne konvektive massestrømme, ligner boblen af ​​kogende vand i en gryde på et komfur. Sådanne voldsomme bevægelser af stjernestoffet kan føre til forstærkning af et hvilket som helst allerede eksisterende svagt magnetfelt. Kendt som dynamo-effekten, denne feltforstærkningsmekanisme er på arbejde, for eksempel, i Jordens flydende jernkerne eller i Solens konvektivitetshylster.

For at teste en sådan mulighed for neutronstjerner, holdet af forskere brugte en supercomputer fra det franske nationale computercenter for videregående uddannelse til at simulere konvektionen hos en nyfødt, meget varm og hurtigt roterende neutronstjerne. Ja, de fandt ved denne nye modelleringstilgang, som var mere detaljeret end nogen anden behandling brugt før, at de svage indledende magnetiske felter kan forstærkes op til værdier, der når 10 ¹⁶ G for tilstrækkelig hurtige rotationsperioder (se fig. 1).

"Vores modeller viser, at spin-perioder, der er kortere end omkring 8 millisekunder, giver mulighed for en mere effektiv dynamo-proces end langsommere rotation, " siger Raphaël Raynaud fra CEA, Saclay, publikationens hovedforfatter. "Langsommere roterende modeller viser ikke de enorme felter skabt af denne stærke dynamo."

Største kosmiske bomber?

Ud over at kaste lys over galaktisk magnetardannelse, disse resultater åbner nye veje til at forstå de kraftigste og mest lysende eksplosioner af massive stjerner. For eksempel, superluminous supernovaer udsender hundrede gange mere lys end sædvanlige supernovaer, mens andre, kaldet hypernovaer, er kendetegnet ved en kinetisk energi, der er større med en faktor på ti og nogle gange forbundet med et gammastråleudbrud, der varer flere titusinder af sekunder. Disse enestående eksplosioner tvinger os til at forestille os ikke-standardiserede processer, der skal udvinde enorme mængder energi fra en "central motor."

"Millisekund magnetar"-scenariet er i øjeblikket en af ​​de mest lovende modeller for den centrale motor i sådanne ekstreme begivenheder. Den betragter rotationsenergien af ​​en hurtigt roterende neutronstjerne som det ekstra energireservoir, der øger eksplosionens kraft. Ved at udøve et bremsemoment, a strong dipole magnetic field of 10 ¹⁵ G can transfer the neutron star's rotational energy to the explosion. "For this mechanism to be efficient, the field strength must be of the order of 10 ¹⁵ G, " explains coauthor Jérôme Guilet of CEA, Saclay. "This closely matches the values reached by convective dynamos for millisecond rotation periods" (see Fig. 2).

Until now, the main weakness of the millisecond magnetar scenario was to assume an ad hoc magnetic field, independent of the fast rotation rate of the neutron star. The results obtained by the research team thus provide theoretical support that was missing to this central engine scenario powering the strongest explosions observed in the universe.