Możemy wreszcie wiedzieć, jak plazma eksploduje w szalonych polach magnetycznych gwiazd neutronowych

Nowe obliczenia przybliżyły nas do znudzonych fizyków, którzy rozumieją, w jaki sposób materiały spadają na gwiazdy neutronowe, emitując potężne rozbłyski promieniowania rentgenowskiego.

Jeśli martwa gwiazda przyciąga wystarczającą grawitację plazmy z podwójnego towarzysza, wówczas jej masa jest wystarczająca, aby przejść przez barierę utworzoną przez silne pole magnetyczne gwiazdy neutronowej, docierając do atmosfery gwiazdy neutronowej.

To ważny element od dawna nierozwiązanej układanki, czyli nagromadzenie się gwiazd neutronowych i jarzeni rentgenowskich. To odkrycie może pomóc nam lepiej zrozumieć zachowanie plazmy w polach magnetycznych – coś, co można zastosować do rozwoju syntezy plazmy na Ziemi.

„Te badania rozpoczęły się od abstrakcyjnych pytań”. Powiedział fizyk plazmowy Russell Colesrod Z Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton.

„W jaki sposób materialny towarzysz gwiazdy może penetrować silne pole magnetyczne gwiazdy neutronowej, aby wytworzyć promienie rentgenowskie i co powoduje obserwowane zmiany w tych polach?”

Gwiazdy neutronowe należą do najgęstszych obiektów we wszechświecie. Dzieje się tak, gdy gwiazda o określonej masie (od 8 do 30 mas Słońca) dobiega końca swojego podstawowego ciągu i umiera.

Podczas eksplozji supernowej, zewnętrzna materia gwiazdowa pęka, podczas gdy rdzeń gwiazdy zapada się pod wpływem grawitacji, tworząc supergęstą ściśniętą kulę, która przestanie świecić przez miliony lat – jedyną rzeczą, która sprawia, że ​​świeci, jest pozostałe ciepło.

Kiedy mówimy gruby, mamy na myśli Gęstybardzo. Jedyną gęstszą rzeczą jest plik Czarna dziura (Co, gdyby poprzednia gwiazda miała więcej niż 30 mas Słońca, rdzeń zapadłby się w niej.) Masa gwiazdy neutronowej jest około 1,5 masy Słońca i jest upakowana w coś o szerokości około 10 kilometrów (6,2 mil).

Te ekstremalne obiekty są zawieszone w przestrzeni, zwykle w polu magnetycznym Biliony razy silniejsze niż Ziemia. Czasami towarzyszy im binarny towarzysz z wystarczająco bliskiej odległości, aby gwiazda neutronowa mogła odebrać i zebrać materiał z atmosfery towarzysza.

Kiedy tak się dzieje, materiał tworzy dysk, który odżywia się gwiazdą neutronową, zyskując energię, gdy jest przyspieszana przez grawitację. Energia ta wycieka w postaci promieni rentgenowskich i często jest skoncentrowana w pióropuszach lub gorących punktach na biegunach gwiazdy neutronowej. Wiemy, że to się dzieje. Zauważyliśmy to. Pozostała jednak kwestia, w jaki sposób plazma przejdzie przez pole magnetyczne.

Na szczęście Kulsrud miał trochę wolnego czasu.

„Gdy pandemia Zaczęło się i wszyscy zostali zamknięci w swoich domach, zdecydowałem się wziąć model gwiazdy neutronowej i popracować nad niektórymi rzeczami. ” To jest wyjaśnienie.

On i jego kolega, astrofizyk Rashid Soniaev z Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka w Niemczech, przeprowadzili modelowanie matematyczne, aby sprawdzić, czy plazma zakotwicza się i wciąga pole magnetyczne, czy też udało się ześlizgnąć, pozostawiając je nienaruszone.

Według ich obliczeń to ostatni. Jeśli masa kropli plazmy jest wystarczająco duża, może wywierać nacisk grawitacyjny na pole magnetyczne. Powoduje to serię fluktuacji siły pola magnetycznego, powodując niestabilność, która pozwala plazmie na przejście przez nie.

Gdy plazma znajdzie się po drugiej stronie, jest kierowana wzdłuż linii pola magnetycznego gwiazdy neutronowej do biegunów, gdzie gromadzi się na gwieździe neutronowej.

Zgodnie z tym modelem plazma gromadząca się na elektrodzie staje się zbyt ciężka, aby utrzymać się na powierzchni i opada do wnętrza gwiazdy neutronowej. Dodatkowe ciśnienie wewnętrzne na biegunach zniekształca pole magnetyczne. Z biegiem czasu ciśnienie powoduje, że napływająca plazma rozprzestrzenia się po całej powierzchni gwiazdy neutronowej, wytwarzając globalne promieniowanie rentgenowskie.

„Dodatkowa masa na powierzchni gwiazdy neutronowej może zniekształcić zewnętrzny obszar pola magnetycznego gwiazdy”, Powiedział Coulsrod. „Gdybyś obserwował gwiazdę, powinieneś zobaczyć, że promieniowanie emitowane przez pole magnetyczne będzie się stopniowo zmieniać. W rzeczywistości to właśnie widzimy”.

Zespół zauważa, że ​​ich przewidywania prawdopodobnie nie będą miały zastosowania do wszystkich gwiazd neutronowych, ponieważ ich podejście do niestabilności jest przybliżone. Jednak wyniki przewidują zmianę kształtu pola magnetycznego w czasie, a także wynik końcowy.

W ciągu kilkudziesięciu tysięcy lat gwiazda neutronowa będzie stopniowo zwiększać swoją masę, a także promień, w tempie około milimetra na rok, i ostatecznie osiągnie stan ustalony w swoim polu magnetycznym.

Matematyka może znaleźć zastosowanie w opracowywaniu reaktorów termojądrowych tokamaka, które wykorzystują pola magnetyczne do wychwytywania plazmy.

„Chociaż nie ma bezpośredniego zastosowania tych badań do rozwoju energii termojądrowej, fizyka jest podobna”. Powiedział Coulsrod.

„Dyfuzja energii przez tokamak, używane na całym świecie urządzenia do fuzji w kształcie pączka, jest jak rozprzestrzenianie się materii w polu magnetycznym gwiazdy neutronowej”.

Badania zostały opublikowane w Dziennik Fizyki Plazmy.