Новый рекорд измерения самого сильного магнитного поля во Вселенной

Нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, и единственный способ напрямую измерить их поверхностное магнитное поле — это наблюдать циклотронные линии поглощения в их рентгеновских энергетических спектрах. Команда миссии Insight-HXMT недавно обнаружила линию циклотронного поглощения с энергией 146 кэВ в рентгеновской двойной нейтронной звезде Swift J0243.6+6124, что соответствует поверхностному магнитному полю более 1,6 миллиарда Тесла.

После прямого измерения самого сильного магнитного поля во Вселенной примерно в 1 миллиард Тесла в 2020 году теперь были побиты мировые рекорды для линии циклотронного поглощения с самой высокой энергией и прямого измерения самого сильного магнитного поля во Вселенной.

Рентгеновская двойная система нейтронной звезды состоит из нейтронной звезды и звезды-компаньона. Под действием сильной гравитационной силы нейтронной звезды газ звезды- компаньона падает на нейтронную звезду, образуя аккреционный диск.

Плазма в аккреционном диске будет падать по магнитным линиям на поверхность нейтронной звезды, где выделяется мощное рентгеновское излучение. Наряду с вращением нейтронной звезды такие выбросы приводят к периодическим рентгеновским импульсным сигналам, отсюда и название «рентгеновских аккреционных пульсаров» для этих объектов.

Многие наблюдения показали, что эти типы объектов имеют структуры поглощения в своих спектрах рентгеновского излучения, а именно циклотронные линии поглощения, которые, как считается, вызваны резонансным рассеянием и, таким образом, поглощением рентгеновских лучей электронами, движущимися вдоль сильных магнитных полей .

Энергия абсорбционной структуры соответствует напряженности поверхностного магнитного поля нейтронной звезды; поэтому это явление можно использовать для непосредственного измерения напряженности магнитного поля вблизи поверхности нейтронной звезды.

Сверхяркие рентгеновские пульсары представляют собой класс объектов, рентгеновская светимость которых намного превышает светимость канонических рентгеновских аккрецирующих пульсаров. Ранее они были обнаружены в нескольких галактиках, далеких от Млечного Пути. Астрономы предположили, что их пульсары обладают высокой напряженностью магнитного поля, хотя доказательств прямых измерений все еще нет.

Спутник Insight-HXMT провел детальные и широкополосные наблюдения за вспышкой Swift J0243.6+6124, первого ультраяркого рентгеновского пульсара Млечного Пути, и однозначно обнаружил его циклотронную линию поглощения. Эта линия показала энергию до 146 кэВ (со значимостью обнаружения, примерно в 10 раз превышающей стандартное отклонение), что соответствует поверхностному магнитному полю более 1,6 миллиарда Тесла. Это не только самое сильное магнитное поле, непосредственно измеренное во Вселенной на сегодняшний день, но и первое обнаружение электронной циклотронной линии поглощения в сверхярком рентгеновском источнике, что обеспечивает прямое измерение поверхностного магнитного поля нейтронной звезды.

Считается, что поверхностные магнитные поля нейтронных звезд имеют сложную структуру, варьирующуюся от дипольных полей очень далеко от нейтронной звезды до мультипольных полей, влияющих только на область, близкую к нейтронной звезде. Однако самые ранние косвенные оценки магнитных полей нейтронных звезд касались только дипольных полей.

На этот раз прямое измерение магнитного поля с помощью Insight-HXMT на основе циклотронной линии поглощения примерно на порядок больше, чем оценка, полученная с помощью косвенных средств. Это служит первым конкретным доказательством того, что структура магнитного поля нейтронной звезды более сложна, чем структура традиционного симметричного дипольного поля, а также обеспечивает первое измерение несимметричной составляющей магнитного поля нейтронной звезды.

Insight-HXMT — первый китайский рентгеновский астрономический спутник. Он включает в себя научную полезную нагрузку — телескоп высокой энергии, телескоп средней энергии, телескоп низкой энергии и монитор космической среды. Insight-HXMT имеет преимущества перед другими рентгеновскими спутниками с точки зрения широкополосного (1-250 кэВ) спектрального охвата, большой эффективной площади при высоких энергиях, высокого временного разрешения, малого мертвого времени и отсутствия эффектов наложения для ярких источников. Таким образом, открывается новое окно для наблюдения за черными дырами, нейтронными звездами с жесткими рентгеновскими быстрыми переходами и исследованиями энергетического спектра.

В 2020 году команда Insight-HXMT сообщила об обнаружении линии циклотронного поглощения 90 кэВ от нейтронной звезды в рентгеновской двойной системе GRO J1008-57, соответствующей поверхностному магнитному полю в 1 миллиард Тесла, что установило мировой рекорд для прямого измерения самого сильного магнитного поля Вселенной в то время.

Позже новый рекорд для линии циклотронного поглощения с максимальной энергией около 100 кэВ был обнаружен Insight-HXMT от другой нейтронной звезды в 1A 0535+262. Insight-HXMT продемонстрировал свою исключительную способность исследовать энергетический спектр, побив собственные рекорды по открытиям линий циклотронного поглощения.

Выводы, полученные совместно лабораторией астрофизики элементарных частиц Института физики высоких энергий (ИФВЭ) Китайской академии наук и Института астрономии и астрофизики Центра астрофизики и элементарных частиц Кеплера Тюбингенского университета (IAAT) , были опубликованы в Astrophysical Journal Letters.