磁星是具有宇宙中觀察到的最強磁場的中子星，但它們的起源仍存在爭議。在《科學(xué)進展》上發(fā)表的一項研究中，來自CEA，薩克雷，馬克斯·普朗克天體物理學(xué)研究所(MPA)和巴黎地球物理研究所的科學(xué)家團隊開發(fā)了一種新的，史無前例的詳細計算機模型，該模型可以解釋當(dāng)巨大旋轉(zhuǎn)的中子星在坍縮的大質(zhì)量恒星中誕生時，這些巨大的磁場通過放大先前存在的弱場而產(chǎn)生。這項工作為了解此類恒星最強大，最發(fā)光的爆炸打開了新的途徑。

磁石：它們是什么?

中子星是緊湊的物體，在約12公里半徑內(nèi)包含一到兩個太陽質(zhì)量。其中，磁星的特征是X射線和伽馬射線的爆發(fā)發(fā)射。與這些強烈輻射爆發(fā)相關(guān)的能量可能與超強磁場有關(guān)。因此，由于增強的磁制動作用，磁星應(yīng)該比其他中子星旋轉(zhuǎn)得更快，并且對其旋轉(zhuǎn)周期演變的測量已經(jīng)證實了這種情況。因此，我們推斷出磁星的偶極子磁場約為1015高斯(G)，即比典型的中子星強1000倍!盡管現(xiàn)在已經(jīng)很好地確定了這些巨大磁場的存在，但它們的起源仍存在爭議。

它們?nèi)绾涡纬?

通常，中子星是在質(zhì)量超過9個太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星的鐵芯坍塌后形成的，而恒星的外層則在稱為核塌陷超新星的巨大爆炸中被驅(qū)逐到星際空間。因此，一些理論假設(shè)中子星和磁場的磁場可以從它們的祖星繼承而來，這意味著這些磁場可以完全由坍塌前鐵芯的磁化強度確定。然而，這種假設(shè)的問題在于，恒星中非常強的磁場可能會使恒星芯的旋轉(zhuǎn)減速，從而使來自此類磁化恒星的中子星僅緩慢旋轉(zhuǎn)。

“這讓我們無法解釋超新星爆炸和持續(xù)時間長伽馬射線暴，在快速旋轉(zhuǎn)的中子星的巨大能量星或快速旋轉(zhuǎn)的黑洞被認為是巨大能量的來源中心”的言論隊員H. -MPA的Thomas Janka。因此，一種替代機制似乎更有利，其中在中子星自身形成過程中可能會產(chǎn)生極端磁場。

為了測試中子星的這種可能性，研究人員團隊使用了法國國家高等教育中心的超級計算機來模擬新生的，非常熱且快速旋轉(zhuǎn)的中子星的對流。實際上，他們通過這種新的建模方法(比以前使用的任何其他處理方法都更詳細)發(fā)現(xiàn)，對于足夠快的旋轉(zhuǎn)周期，可以將弱的初始磁場放大到達到1016 G的值(見圖1)。

該出版物的主要作者，CEA的拉斐爾·雷瑙德(RaphaëlRaynaud)說：“我們的模型表明，旋轉(zhuǎn)周期短于大約8毫秒，比慢速旋轉(zhuǎn)更有效。“慢速旋轉(zhuǎn)的模型不會顯示出這種強大的發(fā)電機所創(chuàng)造的廣闊領(lǐng)域。”

最大的宇宙炸彈?

這些結(jié)果不僅為銀河系磁星的形成提供了照明，而且為了解大質(zhì)量恒星最強大，最發(fā)光的爆炸開辟了新途徑。例如，超發(fā)光超新星發(fā)出的光比普通超新星多一百倍，而其他超新星則以動能大十倍為特征，有時還伴隨著持續(xù)數(shù)十秒的伽馬射線爆發(fā)。這些巨大的爆炸使我們難以想象非標準過程必須從“中央發(fā)動機”中提取大量能量。

對于這種極端事件的中央引擎，“毫秒磁石”方案目前是最有前途的模型之一。它將快速旋轉(zhuǎn)的中子星的旋轉(zhuǎn)能量視為增加爆炸能量的附加儲能器。通過施加制動扭矩，強大的1015 G偶極子磁場可以將中子星的旋轉(zhuǎn)能量傳遞給爆炸。“要使這種機制有效，磁場強度必須在1015 G左右，”合著者CEA薩克雷的杰羅姆·吉萊特(JérômeGuilet)解釋說。“這與對流發(fā)電機在毫秒旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)達到的值非常匹配”(見圖2)。

到現(xiàn)在為止，毫秒的主要弱點磁星情景是假設(shè)一個特設(shè)的磁場，獨立的快速旋轉(zhuǎn)速度的中子明星。因此，研究小組獲得的結(jié)果提供了理論上的支持，而這種支持卻不足以為宇宙中最強的爆炸提供動力。