圖1：新生中子星內對流區磁場線的三維圖。向內(向外)流動由藍色(紅色)表示。左：在幾毫秒的快速旋轉期間發現了強磁場發電機，偶極子分量達到1015G。右：對於較慢的旋轉，磁場強度降低了十倍。磁星是具有宇宙中最強磁場，但它們的起源仍有爭議。在《科學進展》上發表的一項研究中，科學家團隊開發了一種新的，史無前例的詳細計算機模型，該模型可以解釋當快速旋轉的中子星在坍縮的大質量恆星中誕生時，這些巨大的磁場是如何產生的：通過放大先前存在的弱場而產生。這項工作為了解這些恆星最強大、最明亮的爆炸開闢了新的途徑。
磁星：它們是什麼？
磁星是緻密的天體，其質量為一到兩個太陽質量，半徑約為12公裡。其中，磁星的特徵是x射線和伽瑪射線的爆發。這些強輻射爆發的能量可能與超強磁場有關。因此，由於增強的磁製動作用，磁星應該比其他中子星旋轉得更快，對它們旋轉周期演化的測量證實了這一假設。因此，我們推斷磁星具有1015高斯(G)量級的偶極磁場，比一般的中子星強1000倍！雖然這些巨大磁場的存在現在已經得到了證實，但它們的起源仍然存在爭議。
它們是如何形成的？
中子星通常是在一個質量超過9個太陽的大質量恆星的鐵核坍縮後形成的，而該恆星的外層在一次被稱為核坍縮超新星的巨大爆炸中被驅逐到星際空間中。因此，一些理論認為中子星和磁星的磁場可以從它們的祖先恆星那裡繼承，這意味著磁場可以完全由坍塌前鐵芯的磁化決定。然而，這一假說的問題在於，恆星中很強的磁場會減慢恆星核心的旋轉速度，這樣被磁化的恆星中的中子星就只能緩慢地旋轉。
「這不能讓我們解釋超新星爆炸和長時間的伽馬暴的巨大能量，在那裡快速旋轉的中子星或快速旋轉的黑洞被認為是巨大能量的中心來源，」研究人員說。另一種機制似乎更有有說服力，在中子星的形成過程中可以產生極端磁場。
圖2：磁場偶極分量的強度隨旋轉周期的變化。垂直虛線對應的旋轉周期中，離心力會破壞新生的中子星。當中子星緩慢旋轉時，藍點表示普通的磁場放大。紅點對應出現最快的轉速。在這個分支上產生的磁場的性質與銀河磁星的性質和驅動最極端的恆星爆炸的條件是一致的。在恆星核心坍塌後的最初幾秒鐘，新生的中子星通過發射中微子冷卻下來。這種冷卻引發了強烈的內部對流物質流動，類似於鍋裡沸騰的水。恆星物質如此劇烈的運動可能會導致任何已存在的弱磁場的增強。這種場放大機制被稱為「發電機效應」，它在地球的液態鐵核或太陽的對流包絡中起作用。
為了測試中子星的這種可能性，研究團隊使用了法國國家高等教育計算中心的一臺超級計算機來模擬新生的、非常熱的、快速旋轉的中子星中的對流。實際上，他們通過這種新的建模方法發現，在足夠快的旋轉周期內，弱初始磁場可以被放大到1016 G(見圖1)，這種方法比以前使用的任何其他處理方法都更詳細。
「我們的模型證明，與慢速旋轉相比，旋轉周期短於8毫秒，可以實現更高效的發電過程，」研究人員說。「旋轉速度較慢的模型顯示不出這種強大「發電機」產生的巨大磁場。」
最大的宇宙炸彈
除了揭示星系磁星的形成，這些結果還為理解大質量恆星最強大、最明亮的爆炸開闢了新的途徑。例如，超級發光的超新星發出的光是普通超新星的100倍，而另一些被稱為超級新星的超新星，其特徵是動能比普通超新星大10倍，有時與持續幾十秒的伽馬暴有關。這些突出的爆炸迫使我們去想像那些必須從「中央引擎」中提取大量能量的過程。
「毫秒磁星」是目前最好的模型之一。它認為快速旋轉中子星的轉動能是增加爆炸威力的額外能量容器。通過施加制動力矩，1015G的強偶極磁場可以將中子星的轉動能量傳遞給「爆炸」。「要使這一機制有效，電場強度必須達到1015G左右。「這與對流發電機在毫秒旋轉周期內達到的數值非常接近」。
到目前為止，毫秒磁星方案的主要弱點是假定了一個與中子星的快速自轉速率無關的特定磁場。因此，研究小組獲得的結果提供了理論支持，而這正是驅動宇宙中觀測到的最強烈爆炸的中心引擎場景所缺少的。