磁星是具有宇宙中觀察到的最強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星，但它們的起源仍存在爭(zhēng)議。在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來(lái)自CEA，薩克雷，馬克斯·普朗克天體物理學(xué)研究所(MPA)和巴黎地球物理研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的，史無(wú)前例的詳細(xì)計(jì)算機(jī)模型，該模型可以解釋當(dāng)巨大旋轉(zhuǎn)的中子星在坍縮的大質(zhì)量恒星中誕生時(shí)，這些巨大的磁場(chǎng)通過(guò)放大先前存在的弱場(chǎng)而產(chǎn)生。這項(xiàng)工作為了解此類恒星最強(qiáng)大，最發(fā)光的爆炸打開(kāi)了新的途徑。

磁石：它們是什么?

中子星是緊湊的物體，在約12公里半徑內(nèi)包含一到兩個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。其中，磁星的特征是X射線和伽馬射線的爆發(fā)發(fā)射。與這些強(qiáng)烈輻射爆發(fā)相關(guān)的能量可能與超強(qiáng)磁場(chǎng)有關(guān)。因此，由于增強(qiáng)的磁制動(dòng)作用，磁星應(yīng)該比其他中子星旋轉(zhuǎn)得更快，并且對(duì)其旋轉(zhuǎn)周期演變的測(cè)量已經(jīng)證實(shí)了這種情況。因此，我們推斷出磁星的偶極子磁場(chǎng)約為1015高斯(G)，即比典型的中子星強(qiáng)1000倍!盡管現(xiàn)在已經(jīng)很好地確定了這些巨大磁場(chǎng)的存在，但它們的起源仍存在爭(zhēng)議。

它們?nèi)绾涡纬?

通常，中子星是在質(zhì)量超過(guò)9個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的大質(zhì)量恒星的鐵芯坍塌后形成的，而恒星的外層則在稱為核塌陷超新星的巨大爆炸中被驅(qū)逐到星際空間。因此，一些理論假設(shè)中子星和磁場(chǎng)的磁場(chǎng)可以從它們的祖星繼承而來(lái)，這意味著這些磁場(chǎng)可以完全由坍塌前鐵芯的磁化強(qiáng)度確定。然而，這種假設(shè)的問(wèn)題在于，恒星中非常強(qiáng)的磁場(chǎng)可能會(huì)使恒星芯的旋轉(zhuǎn)減速，從而使來(lái)自此類磁化恒星的中子星僅緩慢旋轉(zhuǎn)。

“這讓我們無(wú)法解釋超新星爆炸和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)伽馬射線暴，在快速旋轉(zhuǎn)的中子星的巨大能量星或快速旋轉(zhuǎn)的黑洞被認(rèn)為是巨大能量的來(lái)源中心”的言論隊(duì)員H. -MPA的Thomas Janka。因此，一種替代機(jī)制似乎更有利，其中在中子星自身形成過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生極端磁場(chǎng)。

為了測(cè)試中子星的這種可能性，研究人員團(tuán)隊(duì)使用了法國(guó)國(guó)家高等教育中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬新生的，非常熱且快速旋轉(zhuǎn)的中子星的對(duì)流。實(shí)際上，他們通過(guò)這種新的建模方法(比以前使用的任何其他處理方法都更詳細(xì))發(fā)現(xiàn)，對(duì)于足夠快的旋轉(zhuǎn)周期，可以將弱的初始磁場(chǎng)放大到達(dá)到1016 G的值(見(jiàn)圖1)。

該出版物的主要作者，CEA的拉斐爾·雷瑙德(RaphaëlRaynaud)說(shuō)：“我們的模型表明，旋轉(zhuǎn)周期短于大約8毫秒，比慢速旋轉(zhuǎn)更有效。“慢速旋轉(zhuǎn)的模型不會(huì)顯示出這種強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)所創(chuàng)造的廣闊領(lǐng)域。”

最大的宇宙炸彈?

這些結(jié)果不僅為銀河系磁星的形成提供了照明，而且為了解大質(zhì)量恒星最強(qiáng)大，最發(fā)光的爆炸開(kāi)辟了新途徑。例如，超發(fā)光超新星發(fā)出的光比普通超新星多一百倍，而其他超新星則以動(dòng)能大十倍為特征，有時(shí)還伴隨著持續(xù)數(shù)十秒的伽馬射線爆發(fā)。這些巨大的爆炸使我們難以想象非標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程必須從“中央發(fā)動(dòng)機(jī)”中提取大量能量。

對(duì)于這種極端事件的中央引擎，“毫秒磁石”方案目前是最有前途的模型之一。它將快速旋轉(zhuǎn)的中子星的旋轉(zhuǎn)能量視為增加爆炸能量的附加儲(chǔ)能器。通過(guò)施加制動(dòng)扭矩，強(qiáng)大的1015 G偶極子磁場(chǎng)可以將中子星的旋轉(zhuǎn)能量傳遞給爆炸。“要使這種機(jī)制有效，磁場(chǎng)強(qiáng)度必須在1015 G左右，”合著者CEA薩克雷的杰羅姆·吉萊特(JérômeGuilet)解釋說(shuō)。“這與對(duì)流發(fā)電機(jī)在毫秒旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)達(dá)到的值非常匹配”(見(jiàn)圖2)。

到現(xiàn)在為止，毫秒的主要弱點(diǎn)磁星情景是假設(shè)一個(gè)特設(shè)的磁場(chǎng)，獨(dú)立的快速旋轉(zhuǎn)速度的中子明星。因此，研究小組獲得的結(jié)果提供了理論上的支持，而這種支持卻不足以為宇宙中最強(qiáng)的爆炸提供動(dòng)力。