Magnetars zijn neutronensterren met de sterkste magnetische velden die in het heelal worden waargenomen, maar hun oorsprong blijft controversieel. In een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een team van wetenschappers van CEA, saclay, het Max Planck Instituut voor Astrofysica (MPA), en het Institut de Physique du Globe de Paris ontwikkelde een nieuw en ongekend gedetailleerd computermodel dat het ontstaan ​​van deze gigantische velden kan verklaren door de versterking van reeds bestaande zwakke velden wanneer snel roterende neutronensterren worden geboren in instortende massieve sterren. Het werk opent nieuwe wegen om de krachtigste en meest lichtgevende explosies van dergelijke sterren te begrijpen.

Magnetars:wat zijn dat?

Neutronensterren zijn compacte objecten met een tot twee zonsmassa's binnen een straal van ongeveer 12 kilometer. Onder hen, magnetars worden gekenmerkt door eruptieve emissie van röntgenstralen en gammastralen. De energie die gepaard gaat met deze uitbarstingen van intense straling is waarschijnlijk gerelateerd aan ultrasterke magnetische velden. Magnetars zouden dus sneller moeten ronddraaien dan andere neutronensterren als gevolg van verbeterd magnetisch remmen, en metingen van de evolutie van hun rotatieperiode hebben dit scenario bevestigd. We concluderen dus dat magnetars een dipoolmagneetveld hebben in de orde van 10 ¹⁵ Gauss (G), d.w.z., tot 1000 keer sterker dan typische neutronensterren! Hoewel het bestaan ​​van deze enorme magnetische velden nu goed is vastgesteld, hun oorsprong blijft controversieel.

Hoe vormen ze?

Neutronensterren ontstaan ​​over het algemeen na de ineenstorting van de ijzeren kern van een massieve ster van meer dan negen zonsmassa's, terwijl de buitenste lagen van de ster in de interstellaire ruimte worden verdreven in een gigantische explosie die een kerninstorting-supernova wordt genoemd. Sommige theorieën gaan er daarom van uit dat de magnetische velden van neutronensterren en magnetische velden kunnen worden geërfd van hun vooroudersterren, wat betekent dat de velden volledig konden worden bepaald door de magnetisatie van de ijzeren kern voordat deze instortte. Het probleem met deze hypothese is, echter, dat zeer sterke magnetische velden in de sterren de rotatie van de stellaire kern zouden kunnen vertragen, zodat de neutronensterren van dergelijke gemagnetiseerde sterren slechts langzaam zouden roteren.

"Dit zou ons niet in staat stellen de enorme energieën van hypernova-explosies en langdurige gammastraaluitbarstingen te verklaren, waar snel roterende neutronensterren of snel draaiende zwarte gaten worden beschouwd als de centrale bronnen van de enorme energieën, " merkt teamlid H.-Thomas Janka van MPA op. een alternatief mechanisme lijkt gunstiger, waarin de extreme magnetische velden kunnen worden gegenereerd tijdens de vorming van de neutronenster zelf.

In de eerste paar seconden na de ineenstorting van de stellaire kern, de pasgeboren hete neutronenster koelt af door neutrino's uit te zenden. Deze koeling veroorzaakt sterke interne convectieve massastromen, vergelijkbaar met het borrelen van kokend water in een pot op een fornuis. Dergelijke gewelddadige bewegingen van de stellaire materie zouden kunnen leiden tot de versterking van een reeds bestaand zwak magnetisch veld. Bekend als het dynamo-effect, dit veldversterkingsmechanisme is aan het werk, bijvoorbeeld, in de vloeibare ijzerkern van de aarde of in de convectieve omhulling van de zon.

Om een ​​dergelijke mogelijkheid voor neutronensterren te testen, het team van onderzoekers gebruikte een supercomputer van het Franse nationale computercentrum voor hoger onderwijs om de convectie bij een pasgeborene te simuleren, zeer hete en snel draaiende neutronenster. Inderdaad, vonden ze door deze nieuwe modelleringsaanpak, die gedetailleerder was dan enige andere behandeling die eerder werd gebruikt, dat de zwakke initiële magnetische velden kunnen worden versterkt tot waarden die 10 . bereiken ¹⁶ G voor voldoende snelle rotatieperiodes (zie Fig. 1).

"Onze modellen tonen aan dat spinperioden korter dan ongeveer 8 milliseconden een efficiënter dynamoproces mogelijk maken dan langzamere rotatie, " zegt Raphaël Raynaud van CEA, saclay, de hoofdauteur van de publicatie. "Langzamere roterende modellen tonen niet de enorme velden die door deze sterke dynamo worden gecreëerd."

Grootste kosmische bommen?

Naast het licht werpen op galactische magnetarvorming, deze resultaten openen nieuwe wegen om de krachtigste en meest lichtgevende explosies van massieve sterren te begrijpen. Bijvoorbeeld, superlichtgevende supernova's stralen honderd keer meer licht uit dan gewone supernova's, terwijl anderen, hypernovae genoemd, worden gekenmerkt door een kinetische energie die een factor tien groter is en soms gepaard gaat met een gammaflits die enkele tientallen seconden duurt. Deze opmerkelijke explosies dwingen ons om ons niet-standaard processen voor te stellen die enorme hoeveelheden energie uit een 'centrale motor' moeten halen.

Het "milliseconde magnetar"-scenario is momenteel een van de meest veelbelovende modellen voor de centrale motor van dergelijke extreme gebeurtenissen. Het beschouwt de rotatie-energie van een snel roterende neutronenster als het extra energiereservoir dat de kracht van de explosie vergroot. 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).

Tot 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.