Магнитосферный ветер резко изменил скорость вращения нейтронных звезд

Вращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем называют магнитарами. Магнитное поле такой звезды сильнее 100 триллионов гауссов, что в 100 триллионов раз больше магнитного поля Земли. Первый магнитар SGR 1900+14 был зафиксирован в созвездии Орла в 1998 году.

Нейтронные звезды способны излучать в радио– и рентгеновском диапазоне. Излучение исходит от полюсов магнитаров, а земные приборы регистрируют сигнал за счет постоянного вращения космического объекта. Скорость вращения магнитаров огромна, что требует колоссальной энергии для ее поддержания. В итоге частота вращения нейтронных звезд со временем уменьшается из-за потери энергии. 

Но иногда, по пока неясным науке причинам, с такими объектами происходят глитчи. Глитчи — это неожиданное увеличение частоты вращения и излучения магнитаров и пульсаров. Два глитча, о которых рассказали авторы новой работы, произошли в 2022 году с магнитаром SGR 1935+2154 и стали одними из сильнейших за всю историю астрономических наблюдений. Между глитчами вращение звезды резко уменьшалось, а частота излучения в рентгеновском диапазоне снижалась.

С помощью канадского интерферометрического телескопа (CHIME), радиотелескопа Грин-Бэнк, рентгеновской обсерватории на борту Международной космической станции (NICER) и космического телескопа жесткого рентгеновского диапазона (nuSTAR) исследователи получили массив данных о скорости вращения SGR 1935+2154 и всплесках излучения. 

Ученые считают, что стремительное уменьшение скорости вращения SGR 1935+2154 между глитчами происходило из-за магнитосферных вихрей. Магнитосферный ветер — экзотическое явление для Солнечной системы. Оно вносит изменения в геометрию магнитного поля, создавая момент вращения. В 2020 году такой вихрь длился 10 часов в пиковой фазе.

По мнению исследователей, быстрое замедление вращения, вызванное магнитосферными вихрями, после первого глитча привело к последующему увеличению вращения и ко второму глитчу. Дело в том, что глитч приводит к резкой корректировке вращения всей звезды. Внутри магнитара меняется движение сверхтекучей среды относительно остальной части звезды.

«Значительная часть ядра и большинство свободных нейтронов во внутренней коре находятся в сверхтекучем состоянии», — заявили ученые.

По их мнению, несколько десятков процентов магнитара существуют в сверхтекучем состоянии. 

Также оказалось, что рентгеновское излучение и радиовплески происходят в разное время. Радиовплески появляются во время уменьшения излучения в рентгеновском диапазоне. Авторы выдвинули гипотезу, по которой быстрые радиовсплески возникают из-за резкого уменьшения и последующего увеличения скорости вращения магнитара. Ускорение компенсирует притормаживание вращения, вызванное сильными магнитосферными ветрами.

В свою очередь, активная фаза рентгеновского излучения длилась около двух дней и происходила в среднем один раз в минуту. Впоследствии частота достигла пика — четыре всплеска в минуту, а затем снизилась менее чем до 10 процентов по сравнению со временем до возникновения глитча.

Исследователи предположили, что за мягкое рентгеновское излучение (с длиной волны более 0,1-0,2 нанометра) в основном ответственно тепловое излучение, исходящее с поверхности магнитара, а жесткое рентгеновское излучение (длина волны менее 0,1-0,2 нанометра) исходит от магнитосферы нейтронной звезды.

Ученые планируют продолжить изучение магнитаров, но теперь сконцентрироваться на динамике излучения плазменных ветров, которые играют роль в потере массы звезды.