Magnetar

Magnetar to rodzaj gwiazdy neutronowej charakteryzującej się niezwykle silnym polem magnetycznym, którego natężenie może przekraczać 10¹⁴–10¹⁵ G (gauszy). Dzięki temu magnetary są jednymi z najpotężniejszych źródeł promieniowania gamma i promieniowania X w kosmosie.

Historia odkrycia

Pierwsze obserwacje zjawisk, które później przypisano magnetarom, pochodzą z końca lat 1970. W 1998 roku amerykański astrofizyk Robert Duncan i współpracownik Christopher Thompson zaproponowali model magnetaru, wyjaśniając anomalnie szybkie spadki okresu pulsacji niektórych pulsarów.

Powstawanie

Magnetary powstają w wyniku kolapsu jądra masywnej gwiazdy (> 8 M_☉) podczas wybuchu supernowej typu II lub Ib/Ic. Jeśli po kolapsie zostaje gwiazda neutronowa o bardzo szybkim obrocie (< 10 ms) i odpowiednio silnej dynamice magnetohydrodynamicznej, może dojść do wzmocnienia pola magnetycznego poprzez:

efekt dynamo w różnicowo obrotowej ciekłej warstwie jądra,
instability magnetorotacyjnej (MRI),
przekształcenie energii kinetycznej w energię pola magnetycznego.

W wyniku tych procesów powstaje pole magnetyczne o natężeniu setki tysięcy razy większe niż w typowej gwieździe neutronowej.

Właściwości fizyczne

Typowy magnetar ma masę rzędu 1,4–2,0 M_☉ i promień ~10 km, ale wyróżnia się:

Ekstremalnym polem magnetycznym – 10¹⁴–10¹⁵ G, co jest miliony razy silniejsze niż w najpotężniejszych magnesach laboratoryjnych.
Wysoką temperaturą powierzchniową – kilkaset milionów kelwinów wkrótce po uformowaniu się obiektu.
Burzliwym zachowaniem – wydzielanie krótkotrwałych (≤ 0,1 s) eksplozji flare'ów, zwanych „soft gamma repeaters” (SGR) oraz anomalii X‑ray pulsarów (AXP).

Obserwacje i klasyfikacja

Magnetary identyfikowano najpierw poprzez obserwacje soft gamma repeaters (SGR) oraz anomalii X‑ray pulsarów (AXP). Ich charakterystyczne cechy obserwacyjne to:

Wysokie wartości spadku okresu rotacji (\dot{P} ≈ 10⁻¹¹–10⁻¹³ s s⁻¹), wskazujące na silny moment pędu wywołany polem magnetycznym.
Emisja fal radiowych zazwyczaj bardzo słaba lub nieobserwowalna w przeciwieństwie do klasycznych pulsarów.
Występowanie intensywnych wybuchów gamma‑i‑X‑ray o krótkim czasie trwania.

Rola w astrofizyce

Magnetary odgrywają kluczową rolę w kilku zagadnieniach astronomii i fizyce:

Jako potencjalne źródło krótkotrwałych gamma‑ray bursts typu short GRB.
Jako laboratorium do badania materii w skrajnie silnym polu magnetycznym, co umożliwia testowanie teorii kwantowej mechaniki i ogólnej teorii względności.
Możliwe powiązania z procesami powstawania ciężkich pierwiastków (r‑proces) w wyniku wybuchów magnetarów.

Przyszłe badania

Obserwatoria takie jak NICER, Fermi oraz planowane misje eXTP i ATHENA będą kontynuować badania magnetarów, koncentrując się na:

Detekcji kolejnych flare'ów i ich charakterystyki energetycznej,
Poszukiwaniu poparcia dla modeli dynamo i MRI,
Badaniu wpływu silnych pól magnetycznych na strukturę jądra gwiazdy neutronowej.

Przykładowe magnetary

SGR 1806‑20 – źródło jednego z najsilniejszych wybuchów gamma zaobserwowanych w historii (2004 r.).
AXP 1E 1841‑045 – pulsar anormalny z polem magnetycznym ≈ 5 × 10¹⁴ G.
SGR 1935+2154 – magnetar, który w 2020 r. wyemitował krótkotrwały impuls radiowy przypominający Fast Radio Burst.

Literatura

Do dalszej lektury na temat magnetarów zaleca się następujące pozycje:

Duncan, R. C., & Thompson, C. (1992). Formation of Very Strongly Magnetized Neutron Stars – Magnetars. Astrophysical Journal Letters, 392, L9–L13.
Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). The Soft Gamma Repeaters as Very Strongly Magnetized Neutron Stars – I. Radiative Mechanism for Outbursts. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275, 255–300.
Kaspi, V. M., & Beloborodov, A. M. (2017). Magnetars. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 261–301.

Powiązane pojęcia

Więcej informacji można znaleźć w następujących artykułach: