Сильнее!⁠⁠

Повелители магнитных полей: экстремальная физика магнетаров

Если обычная нейтронная звезда — это один из пределов сжатия обычной материи, то магнетар — один из самых сильно намагниченных компактных объектов во Вселенной.

Магнетары — это наблюдательно подтверждённый класс нейтронных звёзд, чья необычайная активность и высокоэнергетические всплески объясняются эволюцией, скручиванием и постепенным распадом их сверхсильных внутренних и поверхностных магнитных полей.

Рождение и механизм динамо: откуда берётся такое поле?

У стандартных радиопульсаров поверхностное магнитное поле обычно составляет порядка 10^11–10^13 Гс, а у старых миллисекундных пульсаров оно может опускаться до 10^8–10^10 Гс. У магнетаров же характерные поверхностные поля достигают 10^14–10^15 Гс (для сравнения: магнитное поле Земли у поверхности — около 0,5 Гс).

В природе существует фундаментальный предел — квантовый (швингеровский) порог около 4,4·10^13 Гс. Обычные пульсары до него не дотягивают, а магнетары перешагивают его в десятки раз. И выше этого порога магнитное поле начинает менять не только вещество, но и само пространство.

Вблизи магнетара вакуум перестаёт быть просто пустотой. Квантовая физика утверждает, что на микроуровне пустота «кипит» виртуальными частицами — парами электронов и позитронов, которые рождаются и исчезают каждое мгновение. Чудовищное поле выстраивает их, словно железные опилки вдоль магнита, — и пустое пространство вокруг звезды начинает вести себя как кристалл, вроде исландского шпата.

Проще всего представить этот эффект через поляризационные очки: посмотрите через них на экран смартфона и поверните голову — экран потемнеет, потому что очки пропускают лишь свет, «колеблющийся» в определённой плоскости. Точно так же вакуум вокруг магнетара поляризует пролетающий сквозь него свет — это и есть вакуумное двулучепреломление. В 2017 году его признаки впервые разглядели в свете магнетара 4U 0142+61. Магнетары остаются единственными объектами во Вселенной, где пустота превращается в осязаемый материал и где квантовую электродинамику можно проверять не коллайдером, а просто телескопом.

Точный механизм формирования таких экстремальных полей остаётся предметом исследований, но в современной астрофизике рассматриваются несколько основных сценариев:

1 Мощное магнитогидродинамическое динамо. В первые десятки секунд после коллапса ядра новорождённая прото-нейтронная звезда чрезвычайно горячая и испытывает интенсивную термическую конвекцию. При достаточно быстром начальном вращении сочетание конвекции и дифференциального вращения закручивает и резко усиливает магнитные линии на несколько порядков.

2 Модель «магнитного предка» (Fossil Field) и fallback-аккреция. Альтернативные и гибридные сценарии предполагают рождение магнетаров из массивных звёзд с уже аномально сильным первичным полем или раскрутку прото-нейтронной звезды веществом, падающим обратно при взрыве сверхновой.

Сегодня подтверждённых магнетаров известно лишь около 30. Парадокс? Нет, простая арифметика. Магнетарная «фаза активности» коротка: поле постепенно рассеивается, вращение тормозится, и уже через десятки тысяч лет звезда успокаивается и превращается в тусклую, молчаливую нейтронную звезду, которую почти невозможно разглядеть. При этом сама нейтронная звезда живёт миллионы и миллиарды лет. Мы успеваем застать магнетар лишь в первые мгновения его биографии.

Грубая, но наглядная оценка: в Галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в 50 лет, и, по некоторым моделям, лишь один взрыв из десяти рождает магнетар. Значит, новый магнетар появляется раз в 500 лет. Умножив этот темп рождения на время активной жизни (10 000 лет), получаем одновременно «на сцене» от двух до нескольких десятков объектов — ровно тот порядок, что и наблюдаемые три десятка.

Физика процессов: звездотрясения и гигантские вспышки

Магнитное поле магнетара создает гигантские напряжения в его коре и магнитосфере. Кора толщиной порядка километра представляет собой сложную кристаллическую структуру из тяжёлых атомных ядер, погружённых в вырожденный электронный газ (с продвижением вглубь состав становится всё более нейтроноизбыточным).

По мере эволюции поля в коре и внутренних структурах накапливаются огромные магнитные напряжения, они приводят к пластическим сдвигам, деформациям и локальным разрушениям прочной кристаллической решётки. В предельном случае происходит звездотрясение (Starquake). Деформация или разрушение коры может сопровождаться быстрым перераспределением токов и стремительной перестройкой магнитного поля в магнитосфере. Обычные всплески магнетаров относительно слабы, но редкие гигантские вспышки способны за доли секунды высвободить порядка 10^37–10^40 Дж энергии в рентгеновском и гамма-диапазонах.

Например, 27 декабря 2004 года гигантская вспышка магнитара SGR 1806-20 за 0,2 секунды вызвала регистрируемые изменения ионизации верхних слоёв атмосферы Земли, несмотря на то, что источник находился на расстоянии в десятки тысяч световых лет от нас. После взрыва детекторы записали квазипериодические колебания с частотами от десятков герц до ~2 кГц: кора и магнитосфера магнетара вибрировали, как ударенный колокол. Так родилась магнетарная сейсмология: по этим «обертонам» астрофизики зондируют внутреннее строение нейтронной звезды — материю, которую невозможно воссоздать ни в одной лаборатории.

Гипотетический сценарий: магнетар в 10 световых годах от Земли

Рассмотрим модель магнитара с поверхностным полем B=10^15 Гс и радиусом примерно 10 км на расстоянии 10 световых лет.

1 Магнитное поле на расстоянии

В рамках простейшего приближения индукция магнитного поля убывает пропорционально кубу расстояния. Подставив значения, мы получим исчезающе малую величину 10^(-24) Гс (для сравнения: галактическое магнитное поле составляет порядка 10^(-6) Гс). Постоянное поле магнетара на таком расстоянии совершенно ничтожно и не окажет никакого механического или электромагнитного воздействия на Солнечную систему.

2 Излучение и гигантская вспышка

В оптическом диапазоне магнитар, вероятно, не был бы заметен невооружённым глазом как обычная звезда. Однако за счёт постоянной светимости 10^32–10^36 эрг/с он стал бы чрезвычайно ярким рентгеновским источником.

Главную же опасность представлял бы короткий импульс высокоэнергетического излучения при гигантской вспышке. При выделении энергии порядка 10^39 Дж изотропный поток энергии на расстоянии 10 световых лет составит примерно 1 000–10 000 Дж/м^2.

Воздействие на атмосферу: Импульс гамма-излучения вызовет мощную ионизацию верхней атмосферы. В стратосфере за счёт разрушения молекул азота и кислорода начнут активно образовываться оксиды азота, способствующие каталитическому истощению озонового слоя.

Нагрузка на биосферу: Временная деградация озонового экрана приведет к увеличению потока солнечного ультрафиолета у поверхности, что станет заметным стресс-фактором для УФ-чувствительных экосистем (например, фитопланктона).

Связь и инфраструктура: Мгновенный сдвиг ионизации ионосферы вызовет нарушения в работе КВ-радиосвязи и спутниковых систем навигации.

Конечно, интереснее было бы поставить магнетар на расстоянии тысячи километров от Земли... Тут и невозможность химических связей, и сжатие электронных оболочек в иглы, и распад всего на облако атомных ядер, а перед всем этим Землю разорвет приливными силами. Но я не враг своей планете, не будем так делать.

Итог: На расстоянии 10 световых лет постоянное магнитное поле магнетара было бы совершенно ничтожным и не оказало бы никакого воздействия на Землю. Сам магнетар, однако, выступал бы мощным источником высокоэнергетического излучения, а редкая гигантская вспышка могла бы оказать уже серьёзное химическое и физическое воздействие на верхнюю атмосферу планеты.