Ученые выяснили, как плазма проникает сквозь магнитные поля нейтронных звезд

Новые расчеты физиков только что приблизили нас к пониманию того, как вещество может падать на нейтронные звезды, вызывая мощные вспышки рентгеновского света.

Если достаточное количество плазмы гравитационно притягивается к мертвой звезде от двойного компаньона, ее массы будет достаточно, чтобы пробиться через барьер, созданный мощным магнитным полем нейтронной звезды, и пробиться в атмосферу нейтронной звезды.

Это значительная часть давней тайны аккреции нейтронных звезд и рентгеновских вспышек. Открытие может помочь нам лучше понять поведение плазмы в магнитных полях — то, что может быть применимо к развитию термоядерного синтеза плазмы здесь, на Земле.

«Это исследование началось с абстрактных вопросов», — сказал физик плазмы Рассел Кулсруд из Принстонской лаборатории физики плазмы.

«Как может вещество звезды-компаньона прорваться сквозь мощное магнитное поле нейтронной звезды и произвести рентгеновское излучение, и что вызывает наблюдаемые изменения в этих полях?»

Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов Вселенной. Вот, что происходит, когда звезда определенной массы (от 8 до 30 масс Солнца) достигает конца своей продолжительности жизни на главной последовательности и умирает.

Материал внешней звезды сдувается в результате взрыва сверхновой, в то время как ядро ​​звезды гравитационно схлопывается, образуя компактную сверхплотную сферу, которая через миллионы лет перестанет светиться — единственное, что заставляет ее светиться, — это остаточное тепло.

Когда мы говорим «плотный», мы также имеем в виду «плотный». Единственное, что более плотно, — это черная дыра (если бы звезда-предшественница была более массивной, чем 30 масс Солнца, ядро ​​бы коллапсировало). Нейтронная звезда примерно в 1,5 раза превышает  массу Солнца, а ее размер составляет всего 10 километров в диаметре.

Экстремальные объекты находятся в космосе, как правило, с магнитным полем в триллионы раз сильнее, чем у Земли. Иногда их сопровождает двойной спутник, находящийся на достаточно близком расстоянии, чтобы нейтронная звезда могла захватить и аккретировать материал из атмосферы звезды спутника.

Когда это происходит, материал образует диск, который притягивается нейтронной звездой, набирая энергию по мере ускорения под действием силы тяжести. Эта энергия уходит в виде рентгеновского излучения, часто концентрирующегося на полюсах нейтронной звезды. Мы знаем, что это случается; мы это наблюдали. Но оставался вопрос, как плазма может проходить через магнитное поле.

Рассел и его коллега, астрофизик Рашид Сюняев из Института астрофизики Макса Планка в Германии, провели математическое моделирование, чтобы выяснить, взаимодействует ли плазма с магнитным полем, или ей удается проскользнуть без взаимодействия.

По их расчетам, последнее. Если масса падающей плазмы достаточно высока, она может оказывать гравитационное давление на магнитное поле. Это вызывает каскад колебаний силы магнитного поля, что приводит к нестабильности, которая позволяет плазме проскальзывать.

Как только плазма оказывается на другой стороне, она направляется вдоль силовых линий магнитного поля нейтронной звезды к полюсам, где она аккрецируется на нейтронную звезду.

Согласно модели, плазма, накапливающаяся на полюсе, становится слишком тяжелой, чтобы оставаться на поверхности, и опускается внутрь нейтронной звезды. Дополнительное внутреннее давление на полюсах искажает магнитное поле. Со временем давление заставляет входящую плазму распространяться по всей поверхности нейтронной звезды, генерируя глобальное рентгеновское излучение.

«Добавленная масса на поверхности нейтронной звезды может исказить внешнюю область магнитного поля звезды», — сказал Кульсруд. «Если вы наблюдаете за звездой, вы должны увидеть, что излучение, испускаемое магнитным полем, будет постепенно меняться. И на самом деле это то, что мы видим».

Команда отмечает, что их предположения вряд ли применимы ко всем нейтронным звездам, потому что их трактовка нестабильности является приблизительной. Однако результаты действительно предсказывают изменение формы магнитного поля с течением времени, а также конечный результат.

В течение нескольких десятков тысяч лет нейтронная звезда будет постепенно увеличивать свою массу, а также диметр со скоростью около миллиметра в год, в конечном итоге достигая устойчивого состояния своего магнитного поля.

А математика может найти применение при разработке термоядерных реакторов — токамаков, в которых для удержания плазмы используются магнитные поля.

 «Распространение энергии через термоядерные установки — токамаки, напоминает диффузию вещества через магнитное поле нейтронной звезды».

Исследование опубликовано в Journal of Plasma Physics.

Источники: Фото: Световое эхо от рентгеновской вспышки нейтронной звезды. (NASA / CXC / UW-Madison / S. Heinz, et al .; Оптический: DSS)