Магнетар

Сильнейшие магниты из известных — и день, когда один из них вспыхнул через всю Галактику

Шаг за шагом

Магнит размером с город

Магнетар — нейтронная звезда с самым сильным магнитным полем из известных. У SGR 1806-20 оно около 2×10¹⁵ гаусс: в четыре миллиона миллиардов раз сильнее земного.

Нейтронная звезда — это то, что остаётся, когда коллапсирует ядро массивной звезды: около 1,4 массы Солнца в шаре поперечником около 24 км. У большинства магнитное поле примерно в триллион раз сильнее земного. Примерно у 30 из почти 3000 известных нейтронных звёзд оно ещё в сто–тысячу раз сильнее. Их называют магнетарами.

SGR 1806-20, примерно в 28 000 световых лет от нас в Стрельце, — один из самых сильных. Его поле около 2×10¹⁵ гаусс. У Земли — полгаусса, у магнита на холодильнике — около ста, а у самого сильного постоянного магнита из когда-либо построенных, в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США, — 455 000.

Так близко к магнетару сами атомы вытягиваются вдоль поля в тонкие иглы. Даже в 1000 км поле всё ещё было бы в несколько миллиардов гаусс — достаточно, чтобы исказить атомы любого живого существа.

Медленное вращение с торможением

Большинство молодых нейтронных звёзд вращаются по многу раз в секунду. Магнетары вращаются медленно, раз в 2–12 секунд, потому что их огромные поля работают как тормоза: когда звезда вращается, поле выбрасывает заряженные частицы в космос, и они уносят её вращение.

Закрученное поле

Считается, что внутри поле ещё сильнее и запутано. Пробиваясь наружу, оно закручивает силовые линии над звездой и нагружает твёрдую кору, в которой они закреплены.

Кора нейтронной звезды — твёрдая оболочка толщиной около километра, решётка из ядер, богатых железом, намного прочнее стали. Магнитное поле пронизывает её и закреплено в ней.

Считается, что у магнетаров поле внутри звезды ещё сильнее и запутано. Годами оно медленно пробивается наружу, увлекая кору и закручивая силовые линии, которые петлями поднимаются над поверхностью. Закрученные линии несут электрические токи, а токи нагревают кору: магнетары светятся в рентгене ярче, чем могло бы обеспечить замедление их вращения. Их питает магнетизм, а не вращение.

Закручивание здесь нарисовано, чтобы показать идею, как её описывает основное объяснение (Томпсон, Лютиков и Кулкарни, 2002). Само поле никто увидеть не может.

Звездотрясения

Когда напряжение становится слишком большим, кора трескается. Каждое звездотрясение встряхивает поле и выпускает вспышку рентгеновских и гамма-лучей длительностью около десятой доли секунды.

Магнетары впервые заметили по этим вспышкам. В 1979 году спутники поймали короткие повторяющиеся вспышки гамма-лучей из одних и тех же мест неба, и их источники назвали мягкими гамма-репитерами — это и есть SGR в SGR 1806-20.

Типичная вспышка длится около десятой доли секунды и выделяет столько энергии, сколько Солнце за дни или месяцы, в основном в рентгене. Проснувшись, магнетар может выпустить сотни вспышек за несколько недель, а потом годами молчать. Предпочтительное объяснение: кора ломается под напряжением поля, как земля при землетрясении, а силовые линии над ней рывком принимают новую форму и отдают свою энергию.

Трещина и вспышки нарисованы, замедлены в шесть раз.

Гигантская вспышка

27 декабря 2004 года SGR 1806-20 сбросил всё разом. На пятую долю секунды он затмил для Земли полную Луну — с расстояния 28 000 световых лет: самая яркая вспышка из-за пределов Солнечной системы, какую когда-либо видели.

Гигантская вспышка достигла Земли в 21:30 UT. Это были почти одни гамма-лучи, невидимые глазу, но на пятую долю секунды она принесла Земле больше энергии, чем свет полной Луны (Palmer и др. 2005). Она ослепила почти все гамма-детекторы в космосе и даже возмутила верхнюю атмосферу Земли — ионосферу.

Считается, что она случилась, когда большая часть поля, годами копившая напряжение, разорвалась и разом приняла новую форму, выбросив облако вещества со скоростью, составляющей заметную долю скорости света.

Вспышка — это гамма-лучи, нарисованные бледно-фиолетовым, замедленные примерно в пять раз.

Пульсирующий хвост

После вспышки удерживаемый полем огненный шар светился около шести минут, ярче всякий раз, когда вращение звезды каждые 7,56 секунды поворачивало его к нам.

Первая вспышка длилась пятую долю секунды. За ней последовало более мягкое свечение, угасшее примерно за 380 секунд и поднимавшееся и спадавшее каждые 7,56 секунды — в такт вращению самой звезды.

Объяснение — запертый огненный шар: сгусток электронов, позитронов и гамма-лучей с температурой в сотни миллионов градусов, пойманный в замкнутые петли поля прямо над поверхностью. Собственное давление разорвало бы его в мгновение; удержать его может только такое сильное поле. Остывая снаружи внутрь, он угасал, а вращение звезды то поворачивало его к Земле, то уводило прочь.

Здесь огненный шар нарисован с одной стороны звезды; его настоящая форма неизвестна. Хвост идёт примерно в четыре раза быстрее, чем на самом деле.

Звезда звенела

В хвосте рентгеновский свет мерцал на постоянных частотах, от 18 до 1840 раз в секунду: кора всё ещё дрожала после звездотрясения, как ударенный колокол.

Спутники, точно измерявшие время рентгеновского света хвоста, увидели мерцание на постоянных частотах: 18, 26, 30, 92, 150, 625 и 1840 раз в секунду (Israel и др. 2005; Strohmayer и Watts 2006). Похожий набор уже находили в гигантской вспышке SGR 1900+14 в 1998 году.

Они совпадают с тем, как кора нейтронной звезды может закручиваться туда и обратно — одна половина против другой, — так же как сейсмологи читают звон Земли после землетрясения, чтобы узнать, что у неё внутри. Впервые недра нейтронной звезды удалось так прослушать.

Эти частоты — звуки, которые мы можем услышать. Со звуком они звучат здесь тонами; их громкость условна. Закручивание коры нарисовано замедленно, чтобы глаз успевал следить.

Тяжёлые элементы

Вспышка выбросила и вещество. Примерно через десять минут слабое гамма-свечение показало, что в нём были только что созданные тяжёлые элементы — около трети массы Земли.

Вспышка выбросила облако богатого нейтронами вещества со скоростью, составлявшей заметную долю скорости света. Пересмотрев старые записи, астрономы нашли более позднее и слабое гамма-свечение, которое было ярче всего примерно через десять минут после вспышки.

Его яркость и ход во времени совпадают с радиоактивным распадом только что созданных тяжёлых ядер: быстрым захватом нейтронов, r-процессом, который создаёт золото, платину и уран. Образовалась примерно миллионная доля массы Солнца — треть массы Земли (Patel и др. 2025). Такие гигантские вспышки могли бы давать от одного до десяти процентов самых тяжёлых элементов Млечного Пути; большая часть остального — от столкновений нейтронных звёзд.

Облако нарисовано золотистой светящейся оболочкой; его настоящая форма неизвестна.

Радиовсплеск из нашей Галактики

28 апреля 2020 года другой магнетар, SGR 1935+2154, выдал рентгеновскую вспышку и вспышку радиоволн короче тысячной доли секунды — первый быстрый радиовсплеск, замеченный изнутри Млечного Пути.

Быстрые радиовсплески — это вспышки радиоволн длительностью в несколько тысячных долей секунды, впервые найденные в 2007 году. Их видели тысячи, почти все из других галактик, и что их порождает, оставалось загадкой.

28 апреля 2020 года два радиотелескопа, CHIME в Канаде и STARE2 в США, поймали такой всплеск от SGR 1935+2154, примерно в 30 000 световых лет от нас, в тот же миг, что и его рентгеновскую вспышку. Он пришёл двумя вспышками с промежутком в 29 тысячных долей секунды. Из другой галактики он выглядел бы как слабый быстрый радиовсплеск: по крайней мере часть этих далёких вспышек рождают магнетары.

Радиоволны невидимы; здесь они нарисованы зелёным и замедлены примерно в тридцать раз.

Угасание

Магнетары молоды: их поля изнашиваются примерно за 10 000 лет. Потом вспышки прекращаются, и звезда живёт дальше как спокойная нейтронная звезда.

Известно около 30 магнетаров — все в Млечном Пути или в его спутнике, Большом Магеллановом Облаке. Они находятся возле молодых звёздных скоплений и остатков сверхновых, и немногие старше нескольких тысяч лет. Один, в скоплении Вестерлунд 1 в 16 000 световых лет от нас, родился из звезды массой около 40 солнечных.

Распадаясь и сбрасывая закрутку, поле нагревает звезду и питает вспышки. Примерно через десять тысяч лет его остаётся слишком мало, чтобы расколоть кору. Магнетар замедляется, остывает и угасает, становясь одной из сотен миллионов спокойных нейтронных звёзд, которые, как считается, наполняют нашу Галактику.

Объекты в этой истории

Нейтронная звезда