Mechanizm narodzin magnetarów
Gwiazdy neutronowe charakteryzują się bardzo silnymi polami magnetycznymi, których natężenie zazwyczaj przewyższa około 100 tys. razy natężenie pól wytwarzanych przez naukowców na Ziemi. Istnieje jednak niewielka grupa tych obiektów, stanowiąca około 1 proc. wszystkich gwiazd neutronowych, która wyróżnia się wyjątkowo silnym magnetyzmem. Są to magnetary, których pola magnetyczne mogą być nawet tysiąc razy silniejsze niż pola typowych gwiazd neutronowych. Obiekty te prawdopodobnie odpowiadają za gwałtowne i krótkotrwałe zjawiska, w tym powtarzalne źródła miękkiego promieniowania gamma (soft gamma-ray repeaters) oraz szybkie błyski radiowe (fast radio bursts). W badaniu udostępnionym w serwisie arXiv zespół naukowców z Max Planck Institute for Gravitational Physics, Kyoto University i Toho University analizował możliwe scenariusze powstawania magnetarów.
Badacze skupili się na układach podwójnych, w których dwie gwiazdy neutronowe zbliżają się do siebie i ostatecznie łączą. Takie zdarzenia często kończą się utworzeniem czarnej dziury. Dochodzi do tego, gdy suma mas obu gwiazd przekracza granicę Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV), określającą maksymalną masę stabilnej, sferycznie symetrycznej i nierotującej gwiazdy neutronowej zgodnie z ogólną teorią względności. Wartość tej granicy wynosi około 2,6 masy Słońca. Astronomowie zwracają uwagę, że gwiazdy neutronowe są zwykle cięższe od białych karłów, których maksymalna masa wynosi około 1,4 masy Słońca i jest wyznaczana przez granicę Chandrasekhara. Istnieją jednak również mniej masywne gwiazdy neutronowe. Jeżeli łączna masa dwóch zderzających się obiektów pozostaje poniżej granicy TOV, ich połączenie może doprowadzić do powstania pojedynczej gwiazdy neutronowej.
Co ujawniły obliczenia na superkomputerze FUGAKU
W celu przeanalizowania przebiegu takich zdarzeń naukowcy przeprowadzili zaawansowane symulacje na japońskim superkomputerze FUGAKU. Modelowali w nich łączenie się układów podwójnych złożonych z gwiazd neutronowych o niewielkiej masie. Na potrzeby obliczeń przyjęli, że oba obiekty mają jednakową masę, a ich pozostałe parametry odpowiadają typowym właściwościom gwiazd neutronowych. Początkowe natężenie pola magnetycznego każdej z nich ustalono na około 3 biliony gausów, czyli wartość z górnego zakresu typowego dla tych obiektów. Analizowany przebieg zdarzenia obejmował krótki okres przed zderzeniem oraz czas bezpośrednio po nim.
Obliczenia wykazały, że w ciągu kilku milisekund od zetknięcia się gwiazd w materii neutronowej, w miejscu kontaktu obu obiektów, rozwija się niestabilność Kelvina–Helmholtza. Jest to zjawisko fizyczne związane ze ścinaniem występującym w jednorodnym płynie lub na granicy dwóch płynów. W jego następstwie powstają turbulencje, czyli chaotyczne ruchy materii. Aby przybliżyć charakter tego procesu, badacze odwołali się do przykładu dymu unoszącego się ze świecy. Tuż nad knotem tworzy on początkowo gładki strumień, który wyżej zaczyna wirować i przybiera nieregularną postać.
Symulacje wskazały na ponad 300-krotny wzrost natężenia pola
Według naukowców niestabilność Kelvina–Helmholtza mogła wywoływać intensywne mieszanie materii. W modelowanych warunkach proces ten zachodził na tyle szybko i obejmował tak duże obszary, że prowadził do znacznego wzmocnienia pola magnetycznego. Wraz z przemieszczaniem się materii pole obejmowało następne regiony nowo powstającego obiektu. Ostatecznie jego natężenie mogło przekroczyć ponad 300 razy wartość początkową pól magnetycznych obu gwiazd. Dalszy rozwój turbulencji mógłby doprowadzić do kolejnego wzmocnienia, ale tego etapu nie uwzględniono w przeprowadzonych symulacjach.
Szczególną uwagę badaczy zwróciła szybkość, z jaką następowało wzmacnianie pola magnetycznego. W ciągu około jednej milisekundy proces obejmował obie gwiazdy, potencjalnie wpływając na przebieg ich łączenia oraz kształtowanie się struktury powstałego obiektu. Naukowcy podkreślają, że potrzebne są kolejne badania, które pozwolą dokładniej odtworzyć ten mechanizm. Uzyskane wyniki sugerują jednak, że zderzenia gwiazd neutronowych mogą stanowić jeden ze sposobów powstawania magnetarów.
Mariusz Drzewiecki
