Magneter är neutronstjärnor utrustade med de starkaste magnetfält som observerats i universum, men deras ursprung är fortfarande kontroversiellt. I en studie publicerad i Vetenskapens framsteg , ett team av forskare från CEA, Saclay, Max Planck Institute for Astrophysics (MPA), och Institut de Physique du Globe de Paris utvecklade en ny och oöverträffat detaljerad datormodell som kan förklara uppkomsten av dessa gigantiska fält genom förstärkningen av redan existerande svaga fält när snabbt roterande neutronstjärnor föds i kollapsande massiva stjärnor. Verket öppnar nya vägar för att förstå de mest kraftfulla och mest lysande explosionerna av sådana stjärnor.

Magneter:vad är de?

Neutronstjärnor är kompakta föremål som innehåller en till två solmassor inom en radie av cirka 12 kilometer. Bland dem, magnetarer kännetecknas av eruptiv emission av röntgenstrålar och gammastrålar. Energin som är förknippad med dessa skurar av intensiv strålning är förmodligen relaterad till ultrastarka magnetfält. Magnetarer bör alltså snurra ner snabbare än andra neutronstjärnor på grund av förbättrad magnetisk bromsning, och mätningar av deras rotationsperiodutveckling har bekräftat detta scenario. Vi drar alltså slutsatsen att magnetarer har ett dipolmagnetfält av storleksordningen 10 ¹⁵ Gauss (G), dvs. upp till 1000 gånger starkare än vanliga neutronstjärnor! Även om förekomsten av dessa enorma magnetfält nu är väl etablerad, deras ursprung är fortfarande kontroversiellt.

Hur bildas de?

Neutronstjärnor bildas vanligtvis efter kollapsen av järnkärnan i en massiv stjärna med mer än nio solmassor, medan stjärnans yttre skikt drivs ut i det interstellära rymden i en gigantisk explosion som kallas en kärnkollaps supernova. Vissa teorier antar därför att neutronstjärnor och magnetiska magnetfält kan ärvas från deras förfädersstjärnor, vilket innebär att fälten helt och hållet kunde bestämmas av magnetiseringen av järnkärnan innan kollapsen. Problemet med denna hypotes är, dock, att mycket starka magnetfält i stjärnorna skulle kunna bromsa stjärnkärnans rotation så att neutronstjärnorna från sådana magnetiserade stjärnor skulle rotera bara långsamt.

"Detta skulle inte tillåta oss att förklara de enorma energierna av hypernovaexplosioner och långvariga gammastrålningsskurar, där snabbt roterande neutronstjärnor eller snabbt snurrande svarta hål anses vara de centrala källorna till de enorma energierna, " anmärker teammedlemmen H.-Thomas Janka från MPA. Därför, en alternativ mekanism verkar mer fördelaktig, där de extrema magnetfälten kunde genereras under bildandet av själva neutronstjärnan.

Under de första sekunderna efter stjärnkärnan kollaps, den nyfödda heta neutronstjärnan kyls ner genom att sända ut neutriner. Denna kylning utlöser starka interna konvektiva massflöden, liknar bubblandet av kokande vatten i en gryta på en spis. Sådana våldsamma rörelser av stjärnmaterian kan leda till förstärkning av alla redan existerande svaga magnetfält. Känd som dynamoeffekten, denna fältförstärkningsmekanism är i funktion, till exempel, i jordens flytande järnkärna eller i solens konvektiva hölje.

För att testa en sådan möjlighet för neutronstjärnor, forskarteamet använde en superdator från det franska nationella datacentret för högre utbildning för att simulera konvektionen hos en nyfödd, mycket het och snabbt snurrande neutronstjärna. Verkligen, de hittade genom denna nya modelleringsmetod, som var mer detaljerad än någon annan behandling som använts tidigare, att de svaga initiala magnetfälten kan förstärkas upp till värden som når 10 ¹⁶ G för tillräckligt snabba rotationsperioder (se fig. 1).

"Våra modeller visar att spinnperioder kortare än cirka 8 millisekunder möjliggör en mer effektiv dynamoprocess än långsammare rotation, " säger Raphaël Raynaud från CEA, Saclay, publikationens huvudförfattare. "Långsammare roterande modeller visar inte de enorma fält som skapas av denna starka dynamo."

Största kosmiska bomberna?

Förutom att kasta ljus på galaktisk magnetarbildning, dessa resultat öppnar nya vägar för att förstå de mest kraftfulla och mest lysande explosionerna av massiva stjärnor. Till exempel, superluminösa supernovor sänder ut hundra gånger mer ljus än vanliga supernovor, medan andra, kallas hypernovor, kännetecknas av en kinetisk energi som är större med en faktor tio och ibland förknippad med en gammastrålning som varar flera tiotals sekunder. Dessa enastående explosioner tvingar oss att föreställa oss icke-standardiserade processer som måste utvinna enorma mängder energi från en "central motor".

Scenariot "millisecond magnetar" är för närvarande en av de mest lovande modellerna för den centrala motorn för sådana extrema händelser. It considers the rotational energy of a fast rotating neutron star as the additional energy reservoir that increases the power of the explosion. By exerting a braking torque, a strong dipole magnetic field of 10 ¹⁵ G can transfer the neutron star's rotational energy to the explosion. "For this mechanism to be efficient, the field strength must be of the order of 10 ¹⁵ G, " explains coauthor Jérôme Guilet of CEA, Saclay. "This closely matches the values reached by convective dynamos for millisecond rotation periods" (see Fig. 2).

Tills nu, the main weakness of the millisecond magnetar scenario was to assume an ad hoc magnetic field, independent of the fast rotation rate of the neutron star. The results obtained by the research team thus provide theoretical support that was missing to this central engine scenario powering the strongest explosions observed in the universe.