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磁星

“磁星”(Magnetar)是中子星的一种,它们均拥有极强的磁场,透过其产生的衰变,使之能源源不绝地释出高能量电磁辐射,以X射线及伽玛射线为主。磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯(Robert Duncan)及克里斯托佛·汤普森(Christopher Thompson)首先提出,在其后几年间,这个假设得到广泛接纳,去解释软伽玛射线复发源(soft gamma repeater)及不规则X射线脉冲星(anomalous X-ray pulsar)等可观测天体。

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1 简介

(图)斯皮策红外线太空望远镜所观测到的SGR 1900+14周围的一个光环

磁星是具有磁场的小型中子星,其磁场强度地球上人工磁场的强度要高10亿倍,它们是宇宙中最强大的磁体。

磁星的半径不过10公里,其质量却是太阳的1.5倍。迄今为止,磁星的形成仍然是一个谜。由于磁星是以X射线的形式发射大量能量,因此它们的寿命仅为1万年。

磁星绕轴自转的速度异常快,因此它们会像灯塔发射信号灯一样,定期向宇宙中发出一束辐射。尽管这些X射线不会接触地球表面,但科学家们还是能借助X射线望远镜看见它们。很久以来,天文学家们总认为已经足够了解磁星的属性,即储存在磁星内磁场的内部能量会以相对低能的X射线发射出来。然而,这一认识已被荷兰空间研究组织的天文学家卢西恩·柯依伯推翻了,他借助INTEGRAL望远镜证实,磁星发出的辐射及其能量水平都要大得多。

磁星体脉冲星同属于中子星。中子星是一种超密度的小恒星体,它是大规模星体作为超新星死亡和爆炸后的形成物。在银河系内,人类已知的脉冲星超过1800颗,但磁星的数量要少很多。一般脉冲星自身旋转非常快,并大量释放强有力的无线电波。由于所释放的电波非常普通,以至于科学家在上世纪60年代发现这种电波时,还以为是外星文明发来的某种信号。与之形成鲜明对比的是,磁星是一种旋转很慢的中子星,其能量来自于人们无法想象的宇宙中最强大的磁场。磁星是一种非常奇异的星体,人类认识到它的存在仅有十年的时间,而且科学家在银河系中只发现了寥寥几颗磁星。这些磁星能够发射出强大的X射线和伽马射线并能够发出耀眼的光芒,有时它们所发出的光比太空中所有X射线源加起来的总合还要耀眼。

如今已知的磁星有:SGR 1806-20,位于人马座,距离地球50000光年;SGR 1900+14,是在超新星爆发中爆炸的超大恒星的内核;1E 1048.1-5937,位于船底座,距离地球9000光年。该恒星在演变为磁星前,其质量估计为太阳的30到40倍;等等。另外,截至2004年12月,已知的“软伽玛射线复发源”有4颗,“不规则X射线脉冲星”有5颗,另有5颗疑似天体等待证实。

2 形成

(图)天文学家认为,软伽马射线复现源是磁星或具有超强磁场的中子星

当一颗大型恒星经过超新星爆发后,它会塌缩为一颗中子星,其磁场也会迅速增强。在科学家邓肯及汤普森的计算结果当中,其强度约为一亿特斯拉(108 Tesla),在某些情况更可达1,000亿特斯拉(1011 T,1015 Gauss),这些极强磁场的中子星便被称为“磁星”。而地球表面的天然地磁场强度,在赤道附近约3.5×10-5 T,在两极附近约7×10-5 T。

一颗超新星在爆发期间,自身可能会失去约10%的质量,一颗质量为太阳的10倍到30倍的恒星,在避免塌缩成黑洞的情况下,它们需要放出更大的质量,可能为自身的80%。

据估计,每大约十颗超新星爆发中,便会有一颗能成为磁星,而非一般的中子星或脉冲星。在它们演变成超新星前,自身需拥有强大磁场及高自转速度,方有机会演化成磁星。有人认为,磁星的磁场可能是在中子星诞生后首十秒左右,透过炽热内核物质的对流所产生的,情形就如一台发动机。如果在对流现象发生期间同时拥有高自转速度(周期约10毫秒左右),其产生的电流足以传遍整颗天体,便足够把其自转动能转为其磁场。相反,如果天体的自转速度较慢,其内核物质的对流所产生的电流不足以传遍整颗天体,只在局部区域流动。

3 寿命

SGR1900+14在银河系中的位置

一颗磁星的外层含有等离子及以铁为主的重元素,在张力产生期间,天体会出现“星震”(starquake),这种地震能使天体释放强大能量,包括释出X射线暴及伽玛射线暴,天文学家把这种天体称为“软伽玛射线复发源”。

如果把一颗磁星看成为“软伽玛射线复发源”,它们的寿命相当短暂。“星震”会释出大量物质及能量,当中物质被困在自身的强大磁场中,继而在数分钟内蒸发殆尽,另外其他能以放射形式释出的物质,其动能来自天体的角动量,使磁星的自转速度减慢,且比其他中子星减得更快。转速减慢会连带其强大磁场一同减弱,到大约一万年后磁星的“星震”停止,期间仍会释出X射线,天文学家将之称为“不规则X射线脉冲星”。再过大约一万年后,其活动几近停止。“星震”属于一种瞬间的大型破坏,当中一些给人们直接记录,例如2004年12月27日的SGR 1806-20,随着天文望远镜的精确度日高,预计在未来人们能记录更多类似现象。

4 影响

磁星想象图

超强磁场的影响:一个强度超过10 GTesla(1010 T)的磁场,在地月距离的一半位置就足以将地球一张银行信用卡给消磁。一颗以钕元素制成的稀土磁石,其磁场强度约为1 Tesla,而地磁场的强度则为30至60 μT,不少用作数据储存的磁性媒体,可在短距离下以毫特斯拉的磁场把数据删除。

在距磁星1,000公里的范围内,其强大磁场足以置人于死地,水份的反磁性可把细胞组织撕碎。一颗质量达太阳1.4倍的磁星,在相同距离范围内,其潮汐力也足以致命,如果把一个人放在这种地方,其20000牛顿以上的拉力足以把这个人撕开两段。

5 事件

Swift's X-Ray望远镜捕捉到正在燃烧的中子星

SGR J1550-5418的周围一个正在扩大的光环

三万光年外磁星爆发耀眼光环如太空烟火

天文学家曾利用美国宇航局的“雨燕”(Swift)卫星和费米伽马射线太空望远镜(Fermi Gamma Ray Space Telescope),观察距离地球30000光年的一个恒星残余物中频繁发生的一些高能伽马射线爆发,这种爆发宛如天国烟火。这些美丽的天上“烟火”是从一种被称作“软γ 射线复现源”(soft-gamma-ray repeater)的,非常罕见的中子星中发出的。这种天体会时不时地喷发出一系列X射线和伽马射线。

这个天体位于南天的矩尺座,人们早就知道它是一个X射线源。在过去的两年间,天文学家已经鉴别出它发出的脉冲射电和X射线信号。2008年10月3日,它产生一系列规模不大的爆发,之后经历一段平静期,然后在2009年1月22日重新爆发,且强度激增。

因其最近重新爆发,天文学家将这一天体归为“软 γ 射线复现源”(soft-gamma-ray repeater),这类天体目前仅发现了6颗。2004年,另一颗“软 γ 射线复现源”产生的超强爆发,从50000光年外对地球上层大气产生显著影响。科学家认为,这一辐射源是一颗高速旋转的中子星——一颗非常致密,像城市一样大的超新星遗骸。虽然它的直径仅有12英里,但是它的质量超过太阳。这一天体被编号为SGR J1550-5418。

虽然中子星一般都拥有强大的磁场,但是一个中子星群体可以展现出比单个中子星强1000倍的磁场强度。这些所谓的“磁星”(magnetar)在宇宙中拥有最强的磁场。SGR J1550-5418每2.07秒旋转一周,是世界上旋转速度最快的磁星。天文学家认为,磁星通过它们磁场里的强大能量,为它们的爆发供能。

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来自:天汉南竹  > 探索宇宙
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