Najsilniejsze pole magnetyczne we Wszechświecie

niestabilnosc
Niestabilność wywołana w super masywnej gwieździe neutronowej może prowadzić do gwałtownego wzmocnienia pola magnetycznego do gigantycznych wartości na chwilę przez zapadnięciem się w czarną dziurę. (Źródło: Max Planck Institute for Gravitational Physics/D. Siegel)
Symulacje numeryczne przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Alberta Einsteina (Albert Einstein Institute, AEI) po raz pierwszy pokazały pojawienie się niestabilności wewnątrz gwiazdy neutronowej, w wyniku której pojawia się bardzo silne pole magnetyczne. Możliwe, że pole to jest kluczowym składnikiem procesu odpowiedzialnego za generację dużej ilości promieniowania podczas jednego z najjaśniejszych wychuchów obserwowanych we Wszechświecie.

Super gęsta i super masywna gwiazda neutronowa powstaje, kiedy dochodzi do zlania się układu dwóch gwiazd neutronowych. Życie takiej gwiazdy jest bardzo krótkie i prowadzi do gwałtownego zapadnięcia się w czarną dziurę. Właśnie tym scenariuszem tłumaczy się  rozbłyski gamma, najjaśniejsze eksplozje we Wszechświecie.

Krótkie rozbłyski gamma obserwowane są m. in. przez satelity takie jak XMM Newton, Fermi czy też Swift. W trakcie takiego wybuchu dochodzi do uwolnienia ogromnych ilości energii. Od dłuższego czasu podejrzewa się, że głównym składnikiem odpowiedzialnym za produkcję ogromnej ilości promieniowania jest bardzo silne pole magnetyczne. Przypuszcza się że natężenie pola magnetycznego jest tak duże, że do tej pory w żadnym dotychczas znanym nam obiekcie takie pole nie występuje. Naukowcom z Max Planck Institute for Gravitational Physics (znanego również jako AEI) udało się wykonać symulacje procesu, w wyniku którego tuż przed kolapsem produkowane jest silne pole magnetyczne.

Badacze ustalili, że procesem odpowiedzialnym za generację pola magnetycznego może być niestabilność magneto-rotacyjna. Niestabilność pojawia się kiedy sąsiadujące ze sobą warstwy plazmy rotują z różnymi prędkościami (“ocierają się o siebie”) co może prowadzić do turbulentnego ruchu, w wyniku którego pole magnetyczne jest wzmacniane. Ten mechanizm odgrywa bardzo ważną rolę w wielu innych obiektach astrofizycznych, m. in. w dyskach akrecyjnych. Od pewnego czasu przypuszczano, że właśnie niestabilność magneto-rotacyjna we wnętrzu super masywnej gwiazdy neutronowej może generować odpowiednie pole magnetyczne.

Symulacje numeryczne naukowców z AEI pokazały, że rzeczywiście jest to możliwe oraz dzięki nim poznano dokładny przebieg tego procesu. Przeprowadzone symulacje polegały na zbudowaniu modelu super masywnej gwiazdy neutronowej, która początkowo posiadała regularne pole magnetyczne, a w wyniku rotacji gwiazdy jego struktura staje się bardziej złożona. Sama gwiazda jest dynamicznie niestabilna, więc dochodzi do zapadnięcia się i powstaje czarna dziura otoczona przez obłok materii. W dalszej ewolucji obłok ten jest systematycznie pochłaniany przez czarną dziurę.
Obliczenia numeryczne ewidentnie pokazały, że w trakcie tego mechanizmu dochodzi do gwałtownego, eksponencjalnego wzmocnienia pola magnetycznego we wnętrzu gwiazdy. Procesem odpowiedzialnym za to wzmocnienie jest wspomniana niestabilność magneto-rotacyjna. Do tej pory nie zbadano dokładnie jak ta niestabilność zachowuje się w warunkach bardzo silnej grawitacji, która panuje w we wnętrzu super masywnej gwiazdy neutronowej. Takie środowisko jest bardzo trudne do opisania oraz wymaga uważnej pracy matematycznej i numerycznej.
Opisywane odkrycie jest interesujące z dwóch powodów. Po pierwsze, pokazuje po raz pierwszy jak niestabilność magneto-rotacyjna rozwija się w ramach Einsteinowskiej teorii grawitacji, w której do tej pory nie udało się znaleźć rozwiązań analitycznych przewidujących pojawienie się niestabilności. Po drugie, potwierdzają, że bardzo silne pole magnetyczne może być kluczowym składnikiem procesu odpowiedzialnego za generację ogromnych ilości promieniowania w trakcie krótkich rozbłysków gamma.

Artykuł:  Magnetorotational instability in relativistic hypermassive neutron stars, D.M. Siegel i in. , Phys.Rev. D

Hubert Siejkowski | Źródło: Science Daily

Liczba odsłon: 3508