Что такое магнетар?
Если масса звезды превышает солнечную в восемь и более раз, то на поздних этапах эволюции, когда выгорит почти все горючее, она превращается в сверхновую. Если масса остатка после вспышки велика для белого карлика (тип звезд, которые светятся за счет своей тепловой энергии), но мала для образовании черной дыры, то возникает нейтронная звезда. Радиус таких объектов измеряется десятками километров, но из-за чрезвычайной плотности их масса близка к солнечной. Привычная людям на Земле материя не может существовать в таких условиях, и потому внутри таких звезд находится экзотическое вещество из чистых нейтронов, спрессованных плотнее, чем атомное ядро.
Нейтронные звезды могут быть очень разными, и некоторые из них образуют магнетары. Это — сильнейшие магниты во вселенной с полями порядка 1011 Тл. Для сравнения, поля сильнейших сверхпроводящих искусственных магнитов измеряются десятками Тл. Из-за того, что ближайший магнетар расположен очень далеко от Земли, астрономы мало знают о них. Неясно в том числе, как и из каких звезд они образуются. Как минимум, ученым неизвестна ни одна звезда, которая могла бы превратиться в магнетар.
Неправильная Вольфа-Райе
Двойная звезда HD 45166 известна астрономам более ста лет, и все это время ученые не могли понять ее аномальную природу. Она удалена от Земли на 4 тыс. св. лет и состоит из двух компонентов: обычной звезды массой в четыре Солнца и ее странного компаньона. По спектральным характеристикам он напоминает звезды Вольфа — Райе, чрезвычайно яркие и горячие (до 200 тыс. кельвинов). К этому классу относятся массивные звезды на поздних стадиях эволюции, исчерпавшие значительную часть водорода, но богатые гелием.
Однако HD 45166 отличается от других звезд Вольфа — Райе. Излучение любой звезды можно разложить на спектр — например, с помощью призмы, но для рентгеновского и радиодиапазона потребуются другие методы. Спектр целиком зависит от свойств звезды, благодаря чему можно узнать ее химический состав и другие параметры. За счет этого еще давно астрономы смогли узнать, что компонент HD 45166 не относится к типу Вольфа-Райе, в том числе потому, что в нем слишком много кислорода, азота и углерода, а его масса лишь в четыре раза больше солнечной (а не в десятки раз).
Чтобы выяснить природу аномальной звезды, Томер Шенар из Амстердамского университета и его коллеги сопоставили результаты наблюдений с помощью трех оптических телескопов: 3,60-метрового CFHT, расположенного на Гавайях, чилийского MPG/ESO и телескопа Меркатора, расположенного на Канарах.
Самая магнитная звезда
Анализ излучения звезды показал, что некоторые спектральные линии аномального компонента HD 45166 сильно расщеплены из-за эффекта Зеемана. В качестве грубой аналогии можно представить, что призма разлагает свет, но вместо «радуги» из-за необычного источника света наблюдатель видит дискретные полоски. Под действием магнитного поля эти полоски могут расщепиться на множество мелких и тонких, что и называют эффектом Зеемана.
В результате ученым удалось узнать, что аномальный компонент HD 45166 обладает магнитным полем в 4,3 Тл. Это не очень много по меркам сверхпроводящих магнитов (в Большом адронном коллайдере стоят на 8,7 Тл), но абсолютный рекорд для «обычных» звезд (не нейтронных). Кроме того, созданные человеком магниты малы, а магнитное поле звезды обладает высокой индуктивностью по всей ее площади. Также удалось уточнить, что температура этой звезды на 15 тыс. кельвинов меньше, чем считалось, и равна примерно 56 тыс. кельвинов, а масса равна двум солнечным.
Все это заставляет выделить аномальную звезду в отдельный новый тип. «Очень интересно открывать астрономический объект нового типа, особенно когда он все это время прятался у всех на виду», — пояснил Томер Шенар.
Тайна происхождения магнетаров
Ученые спрогнозировали, что ждет звезду в дальнейшем. Моделирование показало, что в конце концов она сожмется и превратится в нейтронную звезду. Площадь поверхности уменьшится во много раз, что из-за закона сохранения магнитного потока приведет к усилению магнитного поля. Если радиус окажется равен 12 км, индуктивность магнитного поля достигнет £1010 Тл £ — именно такое поле наблюдается у магнетаров.
Но откуда взялась такая странная звезда, похожая на тип Вольфа-Райе? Она не могла образоваться в результате простого старения одиночной звезды, подобной Солнцу или более массивной. Авторы считают, что аномалия образовалась в результате слияния ядер двух звезд на поздних стадиях эволюции. Изначально система была тройной, где две звезды находились очень близко друг к другу, а третья, дожившая до наших дней, — в отдалении.
Затем одна из двух «тесных» звезд сбросила внешние слои, состоящие в основном из водорода, и их в значительной степени захватила вторая звезда. Переполнившись водородом, в конце концов, сбросила оболочку и она. В результате образовалось плотное водородное облако, которое тормозило движение оставшихся гелиевых ядер, так что в итоге они упали друг на друга и слились.