Подобный вулкану разрыв мог вызвать замедление вращения магнетара

5 октября 2020 года быстро вращающийся магнетар, находящийся примерно в 30 000 световых лет от Земли, изменил скорость вращения. В космическое мгновение ока его вращение замедлилось. А через несколько дней он резко начал излучать радиоволны.

Благодаря своевременным измерениям, проведенным специализированными орбитальными телескопами, астрофизик Мэтью Бэринг из Университета Райса и его коллеги смогли проверить новую теорию о возможной причине редкого замедления, или «анти-сбоя», SGR 1935+2154, нейтронной звезды с сильным магнитным полем, известной как магнетар.

Ученые использовали рентгеновские данные миссии Европейского космического агентства X-ray Multi-Mirror (XMM-Newton) и NICER НАСА для анализа вращения магнетара. Они показали, что внезапное замедление могло быть вызвано похожим на вулкан разрывом на поверхности звезды, который выбросил «ветер» массивных частиц в космос.

Исследование выявило, как такой ветер может изменять магнитные поля звезды, создавая условия, которые, вероятно, включат радиоизлучение, которое впоследствии было измерено китайским сферическим телескопом с пятисотметровой апертурой (FAST).

«Ученые предполагали, что нейтронные звезды могут иметь на своей поверхности эквивалент вулканов», — сказал Мэтью Бэринг, профессор физики и астрономии. «Наши результаты показывают, что это могло быть так, и что в данном случае разрыв, скорее всего, произошел на магнитном полюсе звезды или вблизи него».

SGR 1935+2154 и другие магнетары относятся к типу нейтронных звезд, компактных остатков мертвой звезды, которая коллапсировала под действием сильной гравитации. Около двадцати километров в поперечнике и плотные, как ядро атома, магнетары вращаются каждые несколько секунд и обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной.

Магнетары испускают интенсивное излучение, включая рентгеновские лучи, а иногда радиоволны и гамма-лучи. Астрономы могут многое узнать о необычных звездах по этим «выбросам». Например, подсчитывая импульсы рентгеновского излучения, физики могут рассчитать период вращения магнетара или количество времени, необходимое для совершения одного полного оборота, как это делает Земля за один день. Периоды вращения магнетаров обычно меняются медленно, им требуются десятки тысяч лет, чтобы замедлиться на один оборот в секунду.

По словам Мэтью Бэринга, сбои — это резкое увеличение скорости вращения, которое чаще всего вызвано внезапными сдвигами глубоко внутри звезды.

«В большинстве сбоев период пульсации становится короче, что означает, что звезда вращается немного быстрее, чем раньше», — сказал он. «Объяснение из учебника состоит в том, что со временем внешние, намагниченные слои звезды замедляются, а внутреннее, немагнитное ядро — нет. Это приводит к накоплению напряжения на границе между этими двумя областями, и сбой сигнализирует о внезапной передаче энергии вращения от более быстро вращающегося ядра к более медленной вращающейся коре».

Резкие замедления вращения магнетаров очень редки. Астрономы зафиксировали только три «анти-сбоя», включая событие в октябре 2020 года.

В то время как сбои обычно можно объяснить изменениями внутри звезды, анти-сбои, скорее всего, объясняются по-другому. Теория Бэринга основана на предположении, что они вызваны изменениями на поверхности звезды и в пространстве вокруг нее. В новой статье он и его соавторы построили модель ветра частиц, управляемого вулканом, чтобы объяснить результаты измерений, полученные в результате анти-сбоя в октябре 2020 года.

Мэтью Бэринг сказал, что модель использует только стандартную физику, в частности изменения углового момента и сохранения энергии, для учета замедления вращения.

«Сильный, массивный ветер частиц, исходящий от звезды в течение нескольких часов, мог бы создать условия для изменения периода вращения», — сказал он. «Наши расчеты показали, что такой ветер также будет обладать способностью изменять геометрию магнитного поля за пределами нейтронной звезды».

Разрыв мог быть вулканическим образованием, потому что «общие свойства рентгеновской пульсации, вероятно, требуют, чтобы ветер был запущен из локализованной области на поверхности».

«Что делает событие октября 2020 года уникальным, так это то, что всего через несколько дней после него произошел быстрый радиовсплеск от магнетара, а также включение импульсного радиоизлучения вскоре после этого», — сказал он. «Мы видели лишь несколько временных импульсных радиомагнетаров, и это первый раз, когда мы наблюдаем включение радиомагнетара почти одновременно с анти-сбоем».

Ученые говорят, что это совпадение по времени предполагает, что анти-сбой и радиоизлучение были вызваны одним и тем же событием, и надеются, что дополнительные исследования модели вулканизма дадут больше ответов.

«Интерпретация ветра дает путь к пониманию того, почему включается радиоизлучение. Это дает новое знание, которого у нас раньше не было».

Исследование было опубликовано в Nature Astronomy.