磁星是宇宙中觀察到磁場最強的中子星，但磁星的起源仍然存在爭議。現在發表在《科學進展》期刊上發表的一項研究中，來自CEA、薩克利、馬克斯·普朗克天體物理研究所(MPA)和巴黎物理研究所的一組科學家，開發了一種新的、空前詳細的計算機模型，可以通過放大快速旋轉中子星在塌縮的大品質恆星中誕生時先前存在的弱場來解釋這些巨強磁場的起源，為理解這類恆星最強大、最明亮的爆炸開闢了新途徑。

中子星的半徑約12公里，但品質卻包含至少1.4倍太陽品質的緻密天體。其中，磁星的特徵是噴發發射X射線和伽馬射線，與這些強輻射爆發相關的能量可能與超強磁場有關。因此，由於加強了磁製動，磁星的自轉速度應該比其他中子星更快，對它們自轉週期演變的測量已經證實了這一情況。因此，研究推斷磁星有10^15Gauss(G)量級的偶極磁場，即比典型中子星的磁場強1000倍！

磁星如何形成？

中子星通常是在超過九個太陽品質的大品質恆星核坍塌後形成，而恆星外層在一次被稱為核心塌陷超新星的巨大爆炸中被噴射到星際空間。因此，一些理論假設中子星和磁星的磁場可以從它們的前身恆星繼承下來，這意味著這些磁場可以完全由坍塌前恆星核的磁化強度決定。然而，這一假說的問題是，恆星中非常強的磁場可能會減慢恆星核心的旋轉速度，因此來自這種磁化恆星的中子星只會緩慢旋轉。

（上圖所示）新生中子星內部對流區磁力線的3D快照：向內(向外)流動由藍色(紅色)表面表示；左：發現了幾毫秒快速旋轉週期的強場發電機，偶極分量達到10^15G；右：對於較慢的旋轉，磁場減弱十倍。圖片：CEA Sacley

MPA的團隊成員H-托馬斯·揚卡(H.-Thomas Janka)說：這不會讓我們解釋超新星爆炸和長時間伽馬射線爆發的巨大能量，在這些爆發中，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。因此，另一種機制顯得更為有利，即極端磁場可以在中子星本身形成的過程中產生。在恆星核心坍塌後的最初幾秒鐘內，新生的熱中子星通過發射中微子冷卻下來。

這種冷卻會觸發強大的內部對流物質流動，類似於爐子上鍋裡沸水的起泡。恆星物質的這種劇烈運動，可能會導致任何預先存在的弱磁場增強。這種被稱為發電機效應的場放大機制正在發揮作用，例如，在地球的液態鐵核或太陽對流包層中。為了測試中子星的這種可能性，研究小組使用法國國家高等教育計算中心的超級計算機模擬了一顆新生、非常熱和快速旋轉的中子星對流。

事實上，通過這種新的建模方法發現，在足夠快的旋轉週期內，微弱的初始磁場可以被放大到10^16G的值。研究的主要作者、薩克雷CEA的拉斐爾·雷諾說：研究模型表明，與較慢的旋轉相比，短於8毫秒的旋轉週期，能更有效的發電機過程，旋轉較慢的模型，不會顯示這種強大的發電機所產生的巨大磁場。除了揭示磁星的形成，這些結果還為理解最強大、最明亮的大品質恆星爆炸開闢了新途徑。

超新星爆炸

例如，超超新星發出的光，比通常的超新星多一百倍，而超超新星的特徵是動能大十倍，有時與持續數十秒的伽馬射線爆發有關。這些突出的爆炸迫使科學家想象必須從“中央引擎”中提取大量能量的非標準過程。而“毫秒磁星”情景是目前此類極端事件中央引擎最有希望的模型之一。快速旋轉的中子星旋轉能量是增加爆炸能量的附加能量儲存庫。

通過施加制動力矩，10^15G的強偶極磁場，可以將中子星的旋轉能量傳遞給爆炸。要使這個機制有效，場強必須在10^15G量級，這與對流發電機在毫秒自轉週期內達到的值非常接近。到目前為止，毫秒磁星模型主要缺點是假設一個特別的磁場，而與中子星的快速自轉速度無關。因此，研究小組獲得的結果，提供了為宇宙中最強恆星爆炸提供動力的中央引擎情景所缺少的理論支援。

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aay2732