Магнитары

Магнита́ры (магнетары; англ. magnetar, от magnetizing – намагниченный и stellar – звёздный), подкласс нейтронных звёзд, активность и наблюдаемые проявления которых в основном связаны с выделением энергии их мощного магнитного поля. Иногда к магнитарам также относят и нейтронные звёзды с сильными магнитными полями (более нескольких миллиардов тесла), не проявляющие типичных примеров магнитарной активности.

Основные типы наблюдательных проявлений магнитаров – вспышки электромагнитного излучения в жёстком диапазоне спектра (т. е. с энергией фотонов порядка десятков и сотен килоэлектронвольт), а также регулярное тепловое рентгеновское излучение поверхности (характерная энергия фотонов 0,5 кэВ) и нетепловое рентгеновское излучение, связанное с магнитосферными процессами, спектр которого в некоторых случаях простирается до нескольких десятков килоэлектронвольт. Эпизоды бурной вспышечной активности магнитаров нередко перемежаются длительными спокойными периодами (несколько лет), когда удаётся регистрировать тепловое излучение поверхности.

Вспышки магнитаров обычно подразделяют на 3 основных типа: слабые (с полным энерговыделением до ~10³³ Дж; рис. 1), промежуточные (рис. 2) и гигантские (выше ~10³⁷ Дж; рис. 3). Вспышечная активность магнитаров наблюдается с 1979 г., когда с помощью приборов на борту автоматической межпланетной станции серии «Венера» были зарегистрированы слабые вспышки от источника SGR 1806–20. Затем, 5 марта 1979 г. была зафиксирована гигантская вспышка SGR 0526–66, детально исследованная с помощью аппаратуры экспериментов «Конус» и «Снег-2М3» на борту станций «Венера-11» и «Венера-12». Исторически объекты, впервые обнаруженные по вспышечной активности, получают наименование источников мягких повторяющихся гамма-всплесков.

Рис. 1. Кривые блеска слабых вспышек излучения трёх магнитаров, два из которых проявили себя как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (SGR 1806–20 и SGR 1900+14), а третий – как аномальный рентгеновский пульсар (1E2259+586). По оси абсцисс отложено время в секундах с началом отсчёта в максимуме вспышки; по оси ординат – количество срабатываний детектора в секунду (в единицах тысяч срабатываний). Данные получены прибором PCA на орбитальной рентгеновской обсерватории RXTE (в диапазоне энергий 2–20 кэВ). Иллюстрация из сборника: Woods P. M., Thompson C. Soft gamma repeaters and anomalous X-ray pulsars: Magnetar candidates // Compact Stellar X-ray Sources (Cambridge Astrophysics)‎. Eds. Lewin W., Van der Klis M. Cambridge, 2006. Pp. 547–586. Перевод: БРЭ.Рис. 1. Кривые блеска слабых вспышек излучения трёх магнитаров, два из которых проявили себя как источники мягких повторяющихся гамма-всплесков (SGR 1806–20 и SGR 1900+14), а третий – как аномальный рентгеновский пульсар (1E2259+586). По оси абсцисс отложено время в секундах с началом отсчёта в максимуме вспышки; по оси ординат – количество срабатываний детектора в секунду (в единицах тысяч срабатываний). Данные получены прибором PCA на орбитальной рентгеновской обсерватории RXTE (в диапазоне энергий 2–20 кэВ). Иллюстрация из сборника: Woods P. M., Thompson C. Soft gamma repeaters and anomalous X-ray pulsars: Magnetar candidates // Compact Stellar X-ray Sources (Cambridge Astrophysics)‎. Eds. Lewin W., Van der Klis M. Cambridge, 2006. Pp. 547–586. Перевод: БРЭ.

Самая мощная из известных вспышек наблюдалась 27 декабря 2004 г. от источника SGR 1806–20. В максимуме мощность энерговыделения превосходила светимость Солнца более чем в 10¹³ раз, т. е. превышала светимость типичной галактики. Даже во время слабых вспышек, обычно длящихся около 0,1 с, мощность излучения в сотни тысяч раз превышает солнечную.

Магнитары, открытые благодаря тепловому излучению поверхности нейтронной звезды (и/или стабильному рентгеновскому излучению, связанному с магнитосферными процессами), получили название аномальных рентгеновских пульсаров. Они были выделены в отдельный класс в 1994–1995 гг. Переменность наблюдаемого от этих объектов излучения связана с вращением нейтронной звезды, поверхность которой имеет неоднородную температуру, достигающую нескольких миллионов градусов. Некоторые из аномальных рентгеновских пульсаров впоследствии показали и вспышечную активность.

У большинства магнитаров наблюдаемая светимость превосходит темп потерь вращательной энергии. В случае вспышек выделение энергии связано с пересоединением силовых линий магнитного поля, что аналогично источнику энергии солнечных вспышек. Избыточное тепловое излучение поверхности связано с диссипацией энергии электрических токов, создающих магнитные поля, в коре нейтронной звезды.

Термин «магнитар» (англ. magnetar) был предложен в работе американских астрофизиков Р. Дункана и К. Томпсона в 1992 г. (Duncan. 1992). Там же были рассмотрены возможные свойства этих объектов, отмечена их связь с мягкими повторяющимися гамма-всплесками и кратко обсуждено происхождение сильных магнитных полей в модели динамо-механизма на стадии протонейтронной звезды. Однако детального понимания возникновения сильных магнитных полей магнитаров нет и сейчас.

С точки зрения наблюдений существует ряд косвенных аргументов в пользу наличия сильных магнитных полей у магнитаров. В первую очередь, это их наблюдаемые периоды вращения, составляющие обычно несколько секунд, и высокий темп замедления вращения. Кроме того, имеется ряд аргументов, основанных на конкретных сценариях активности магнитаров. Для нескольких объектов проведены прямые измерения магнитных полей, основанные на наблюдениях деталей рентгеновских спектров этих источников – протонных циклотронных линий на энергиях порядка нескольких килоэлектронвольт. При этом данные прямых измерений хорошо согласуются с косвенными данными. Это даёт основание говорить о сильных магнитных полях магнитаров (~10¹⁰–10¹¹ Тл) как о хорошо установленном факте.

В течение эволюции магнитные поля магнитаров должны затухать. Дальнейшая судьба этих объектов остаётся предметом дискуссий. Вероятно, проэволюционировавшие магнитары могут наблюдаться как источники других типов.

В настоящий момент все известные магнитары находятся в нашей Галактике или в её ближайших спутниках – Магеллановых Облаках. Это связано с тем, что хотя наблюдения мощных вспышек возможны и для объектов в близких галактиках, на расстояниях вплоть до десятков миллионов световых лет, идентификация источника после вспышки на таком удалении пока невозможна. Тем не менее, среди коротких космических гамма-всплесков выделено несколько событий, которые могут являться гигантскими вспышками магнитаров в галактиках М31, М81 и NGC 253.

Магнитары наблюдаются не только в рентгеновском и гамма-диапазонах. Некоторые объекты зарегистрированы в радио-, оптическом и инфракрасном диапазонах. В апреле 2020 г. впервые была зарегистрирована слабая вспышка галактического магнитара SGR 1935+2154, сопровождавшаяся миллисекундным радиовсплеском, напоминающим по своим параметрам быстрые радиовсплески – внегалактические миллисекундные вспышки радиоизлучения, происхождение которых остаётся неизвестным.

На сегодняшний день известно около 30 нейтронных звёзд, относящихся к магнитарам. Их ключевые свойства представлены в онлайн-каталоге McGill Online Magnetar Catalog.

Наблюдения магнитаров представляют большой интерес для фундаментальной физики, поскольку позволяют изучать процессы в сверхсильных магнитных полях, недоступных в земных лабораториях.