类似火山的破裂可能导致磁星减速

2020 年 10 月 5 日，一颗死去已久的恒星的尸体在距地球约 30,000 光年的地方快速旋转并改变了速度。在宇宙瞬间，它的旋转速度减慢了。几天后，它突然开始发射无线电波。

由于专业轨道望远镜的及时测量，莱斯大学天体物理学家Matthew Baring及其同事能够测试一种新理论，该理论是关于SGR 1935+2154罕见减速或“反故障”的可能原因，这是一种高磁性类型中子星被称为磁星。

在本月发表在《自然天文学》上的一项研究中，Baring 和合著者使用来自欧洲航天局的 X 射线多镜任务 ( XMM-Newton ) 和宇航局的中子星内部成分探测器 ( NICER ) 的 X 射线数据来分析磁星的自转。他们表明，突然的减速可能是由于恒星表面火山般的破裂将大质量粒子“风”喷向太空造成的。该研究确定了这样的风如何改变恒星的磁场，播种条件可能会开启无线电发射，随后由中国的五百米孔径球面望远镜 ( FAST ) 进行测量。

“人们推测中子星的表面可能有相当于火山的物质，”物理学和天文学教授巴林说。“我们的研究结果表明情况可能如此，而且在这种情况下，破裂最有可能发生在恒星的磁极处或附近。”

SGR 1935+2154 和其他磁星是中子星的一种，是死星在强引力下坍缩的致密残骸。大约十几英里宽，密度与原子核一样，磁星每隔几秒自转一次，具有宇宙中最强烈的磁场。

磁星会发出强烈的辐射，包括 X 射线和偶尔的无线电波和伽马射线。天文学家可以从这些辐射中破译很多关于不寻常恒星的信息。例如，通过计算 X 射线脉冲，物理学家可以计算出磁星的自转周期，或地球自转一周所需的时间。磁星的旋转周期通常变化缓慢，需要数万年才能减慢每秒旋转一次。

Baring 说，故障是旋转速度的突然增加，通常是由恒星深处的突然变化引起的。

“在大多数故障中，脉动周期变短，这意味着恒星自转速度比以前快了一点，”他说。“教科书的解释是，随着时间的推移，恒星外层的磁化层会减速，但内部未磁化的核心不会。这导致这两个区域之间的边界处产生应力，并且出现故障表明旋转能量突然从旋转较快的地核转移到旋转较慢的地壳。”

磁星的突然旋转减速非常罕见。天文学家只记录了三个“反故障”，包括 2020 年 10 月的事件。

虽然故障通常可以用恒星内部的变化来解释，但反故障可能不能。巴林的理论基于这样的假设，即它们是由恒星表面及其周围空间的变化引起的。在新论文中，他和他的合著者构建了一个火山驱动的风模型来解释 2020 年 10 月抗故障的测量结果。

巴林表示，该模型仅使用标准物理学，特别是角动量和能量守恒的变化，来解释旋转减速。

“从恒星发出的持续数小时的强烈、大质量粒子风可以为旋转周期的下降创造条件，”他说。“我们的计算表明，这样的风也有能力改变中子星外部磁场的几何形状。”

破裂可能是一个类似火山的构造，因为“X 射线脉动的一般特性可能需要风从表面的局部区域发射，”他说。

“2020 年 10 月事件的独特之处在于，在反干扰后的几天内，磁星就出现了一次快速射电暴，随后不久便开启了脉冲式、短暂的射电发射，”他说。“我们只看到了少数瞬态脉冲射电磁星，这是我们第一次看到磁星的无线电开启几乎与抗干扰同时发生。”

Baring 认为这种时间上的巧合表明抗干扰和无线电发射是由同一事件引起的，他希望对火山模型的进一步研究能够提供更多答案。

“风的解释提供了一条理解为什么无线电发射开启的途径，”他说。“它提供了我们以前没有的新见解。”