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磁星是宇宙中观察到磁场最强的中子星，但磁星的起源仍然存在争议。现在发表在《科学进展》期刊上发表的一项研究中，来自CEA、萨克利、马克斯·普朗克天体物理研究所(MPA)和巴黎物理研究所的一组科学家，开发了一种新的、空前详细的计算机模型，可以通过放大快速旋转中子星在塌缩的大质量恒星中诞生时先前存在的弱场来解释这些巨强磁场的起源，为理解这类恒星最强大、最明亮的爆炸开辟了新途径。
中子星的半径约12公里，但质量却包含至少1.4倍太阳质量的致密天体。其中，磁星的特征是喷发发射X射线和伽马射线，与这些强辐射爆发相关的能量可能与超强磁场有关。因此，由于加强了磁制动，磁星的自转速度应该比其他中子星更快，对它们自转周期演变的测量已经证实了这一情况。因此，研究推断磁星有10^15Gauss(G)量级的偶极磁场，即比典型中子星的磁场强1000倍！
中子星通常是在超过九个太阳质量的大质量恒星核坍塌后形成，而恒星外层在一次被称为核心塌陷超新星的巨大爆炸中被喷射到星际空间。因此，一些理论假设中子星和磁星的磁场可以从它们的前身恒星继承下来，这意味着这些磁场可以完全由坍塌前恒星核的磁化强度决定。然而，这一假说的问题是，恒星中非常强的磁场可能会减慢恒星核心的旋转速度，因此来自这种磁化恒星的中子星只会缓慢旋转。
（上图所示）新生中子星内部对流区磁力线的3D快照：向内(向外)流动由蓝色(红色)表面表示；左：发现了几毫秒快速旋转周期的强场发电机，偶极分量达到10^15G；右：对于较慢的旋转，磁场减弱十倍。图片：CEA Sacley
MPA的团队成员H-托马斯·扬卡(H.-Thomas Janka)说：这不会让我们解释超新星爆炸和长时间伽马射线爆发的巨大能量，在这些爆发中，快速旋转的中子星或快速旋转的黑洞被认为是巨大能量的中心来源。因此，另一种机制显得更为有利，即极端磁场可以在中子星本身形成的过程中产生。在恒星核心坍塌后的最初几秒钟内，新生的热中子星通过发射中微子冷却下来。
这种冷却会触发强大的内部对流物质流动，类似于炉子上锅里沸水的起泡。恒星物质的这种剧烈运动，可能会导致任何预先存在的弱磁场增强。这种被称为发电机效应的场放大机制正在发挥作用，例如，在地球的液态铁核或太阳对流包层中。为了测试中子星的这种可能性，研究小组使用法国国家高等教育计算中心的超级计算机模拟了一颗新生、非常热和快速旋转的中子星对流。
事实上，通过这种新的建模方法发现，在足够快的旋转周期内，微弱的初始磁场可以被放大到10^16G的值。研究的主要作者、萨克雷CEA的拉斐尔·雷诺说：研究模型表明，与较慢的旋转相比，短于8毫秒的旋转周期，能更有效的发电机过程，旋转较慢的模型，不会显示这种强大的发电机所产生的巨大磁场。除了揭示磁星的形成，这些结果还为理解最强大、最明亮的大质量恒星爆炸开辟了新途径。
例如，超超新星发出的光，比通常的超新星多一百倍，而超超新星的特征是动能大十倍，有时与持续数十秒的伽马射线爆发有关。这些突出的爆炸迫使科学家想象必须从“中央引擎”中提取大量能量的非标准过程。而“毫秒磁星”情景是目前此类极端事件中央引擎最有希望的模型之一。快速旋转的中子星旋转能量是增加爆炸能量的附加能量储存库。
通过施加制动力矩，10^15G的强偶极磁场，可以将中子星的旋转能量传递给爆炸。要使这个机制有效，场强必须在10^15G量级，这与对流发电机在毫秒自转周期内达到的值非常接近。到目前为止，毫秒磁星模型主要缺点是假设一个特别的磁场，而与中子星的快速自转速度无关。因此，研究小组获得的结果，提供了为宇宙中最强恒星爆炸提供动力的中央引擎情景所缺少的理论支持。
博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aay2732
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