Jak powstają magnetary?

Astronomowie przeprowadzili symulacje, aby lepiej zrozumieć, jak powstają magnetary. Wyniki pokazały, że podczas zderzeń gwiazd neutronowych natężenie pola magnetycznego nowo powstałego obiektu może wzrosnąć ponad 300 razy.

Jak powstają magnetary?

Jak opisują astronomowie, wszystkie gwiazdy neutronowe mają silne pola magnetyczne. Ich natężenie jest najczęściej około 100 tys. razy większe niż natężenie pól, które naukowcy potrafią wytworzyć na Ziemi. Około 1 proc. z nich wyróżnia się jednak pod tym względem szczególnie. Obiekty te, znane jako magnetary, mają pola magnetyczne nawet tysiąc razy silniejsze niż typowe gwiazdy neutronowe. Prawdopodobnie odpowiadają za gwałtowne, krótkotrwałe zjawiska, takie jak powtarzalne źródła miękkiego promieniowania gamma (soft gamma-ray repeaters) i szybkie błyski radiowe (fast radio bursts). W ramach nowego badania, opublikowanego w serwisie arXiv, naukowcy m.in. z Max Planck Institute for Gravitational Physics, Kyoto University i Toho University przyjrzeli się bliżej temu, w jaki sposób mogą powstawać magnetary.

Analizy koncentrowały się na zderzeniach gwiazd neutronowych tworzących układy podwójne. W wielu przypadkach zderzenie dwóch takich obiektów prowadzi do powstania czarnej dziury. Dzieje się tak, gdy ich łączna masa przekracza granicę Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (maksymalną możliwą masę stabilnej, sferycznie symetrycznej i nierotującej gwiazdy neutronowej, wynikającą z ogólnej teorii względności – TOV), wynoszącą około 2,6 masy Słońca. Jak wskazują astronomowie, gwiazdy neutronowe są na ogół masywniejsze od białych karłów, których maksymalną masę określa granica Chandrasekhara, wynosząca około 1,4 masy Słońca. Niektóre gwiazdy neutronowe są jednak mniejsze. Jeśli łączna masa dwóch zderzających się obiektów nie przekracza granicy TOV, mogą one połączyć się, tworząc jedną gwiazdę neutronową.

Symulacje zderzeń gwiazd neutronowych

Naukowcy wykorzystali zaawansowane symulacje przeprowadzone na japońskim superkomputerze FUGAKU, aby zbadać zderzenia układów podwójnych gwiazd neutronowych o małej masie. Dla uproszczenia założyli, że obie gwiazdy miały identyczną masę, a pozostałe ich właściwości były typowe dla tego rodzaju obiektów. Przyjęli również, że natężenie ich pól magnetycznych wynosiło około 3 bilionów gausów, co odpowiada górnemu zakresowi wartości typowych dla gwiazd neutronowych. Symulacje obejmowały okres od chwili tuż przed zderzeniem gwiazd do momentu krótko po nim.

Wyniki pokazały, że już w ciągu kilku milisekund od zetknięcia się gwiazd w materii neutronowej w obszarze kontaktu rozwija się niestabilność Kelvina–Helmholtza (zjawisko fizyczne zachodzące, gdy w jednorodnym płynie lub na granicy dwóch płynów występuje ścinanie). Prowadzi ona do powstania turbulencji, czyli chaotycznego ruchu materii. Jak opisują badacze, podobne zjawisko można zaobserwować podczas delikatnego zdmuchiwania świecy. Początkowo znad knota unosi się gładki strumień dymu, który w miarę unoszenia się zaczyna wirować i poruszać się chaotycznie.

Pole magnetyczne wzrosło ponad 300 razy

Zdaniem badaczy niestabilność Kelvina–Helmholtza mogła prowadzić do bardzo intensywnego mieszania materii. W przeprowadzonych symulacjach mieszała się ona tak szybko i na tak dużą skalę, że pole magnetyczne ulegało znacznemu wzmocnieniu. Proces ten stopniowo obejmował kolejne obszary materii, przenosząc ze sobą pole magnetyczne. W rezultacie jego natężenie w nowo powstałym obiekcie mogło być ponad 300 razy większe niż natężenie początkowych pól obu gwiazd. Możliwe, że dalsze turbulencje wzmocniłyby je jeszcze bardziej, jednak wykracza to poza zakres przeprowadzonych symulacji.

Jak wskazują astronomowie, zaskakujące okazało się przede wszystkim tempo wzmacniania pola magnetycznego. Proces ten rozprzestrzeniał się w obu gwiazdach w ciągu około jednej milisekundy, co oznaczało, że mógł wpływać na przebieg zderzenia oraz strukturę nowo powstałego obiektu. Zdaniem naukowców konieczne są dalsze badania, aby dokładniej ustalić, jak przebiega ten proces. Wyniki wskazywały jednak, że magnetary mogły powstawać w wyniku takich zderzeń.

Emil Gołoś