Магнетары и эффект динамо

Магнетарам (и нейтронным звездам вообще) не нужно динамо для создания своих магнитных полей. Их магнитные поля «вморожены» во время их образования. Чтобы действительно понять, почему это так, вы должны многое понимать в электромагнетизме, но я могу свести все к основам. Имейте в виду, что нейтронные звезды — очень загадочные объекты, и у нас нет огромного количества хороших наблюдательных данных, подтверждающих наши теории, поскольку их очень трудно найти и наблюдать.

Нейтронные звезды (и магнетары) являются сверхпроводниками (по крайней мере , большинство теорий и объективных свидетельств предполагают, что это так ). Это означает, что буквально нет сопротивления движению электрических зарядов, движущихся по звезде. Отметим , что даже если бы вся звезда состояла из нейтронов (что, по мнению Зибадавы Тимми, не так ), у вас все равно были бы заряды, поскольку сами нейтроны состоят из заряженных частиц. В любом случае, поскольку сопротивления нет, внутри звезды не может быть никаких электрических полей. Любое поле, которое возникнет, вызовет силу на заряженных частицах, которые смогут немедленно двигаться, чтобы нейтрализовать это поле. Все электрические поля немедленно разрушаются в сверхпроводнике.

Если мы углубимся в уравнения электромагнитной теории, вы найдете очень полезное уравнение:

Не вдаваясь в детали этого уравнения, общая идея заключается в том, что электрические поля приводят к изменяющимся во времени магнитным полям и наоборот. Но мы только что сказали выше, что наша нейтронная звезда сверхпроводящая и поэтому не имеет электрических полей. Это означает, что левая часть этого уравнения равна нулю. Правая сторона представляет изменение магнитного поля с течением времени, но мы знаем, что сейчас оно должно быть равно нулю, поэтому мы вынуждены заключить, что магнитные поля в нейтронных звездах (и магнетарах) не могут измениться. Они застыли в момент создания (когда звезда становится сверхпроводящей).

Мы можем сделать еще один шаг и сказать, что магнитные поля нейтронных звезд и магнетаров настолько сильны просто из-за сохранения магнитного потока. То есть у вас есть огромная звезда с массой в несколько солнечных, которая сама по себе имеет массивное поле. Затем эта звезда коллапсирует в нейтронную звезду, но при этом поток магнитного поля через ее поверхность должен сохраняться. Поток магнитного поля зависит как от напряженности поля, так и от радиуса звезды. Поскольку радиус уменьшается так сильно, напряженность магнитного поля должна увеличиваться пропорционально уменьшению радиуса (квадрату) , чтобы компенсировать и поддерживать общий поток на том же месте, и в этот момент магнитное поле фиксируется на месте из-за сверхпроводящей природы. звезда.

В общем, есть два класса объяснений магнитных полей нейтронных звезд: ископаемые магнитные поля и активные магнитные поля (см. здесь ранний обзор некоторых моделей внутренних батарей).

Теория "ископаемого" поля, которая, насколько мне известно, хорошо принята, утверждает, что магнитные поля нейтронных звезд являются остатками магнитных полей звезд-прародителей. Это кажется правдоподобным, и некоторые (например , Spruit (2008) ) предположили, что сверхновая, сформировавшая нейтронные звезды, могла наделить их исключительно сильными полями во время коллапса ядра, оставив после себя магнетары. Это то, что зефир имеет в виду под «замороженным внутри»: магнитные поля остаются прежними после того, как звезда становится нейтронной звездой.

«Активные» теории — я использую «активный» как нетехнический термин — утверждают, что нейтронные звезды продолжают генерировать магнитные поля. Это позволяет магнитным полям увеличиваться в силе, что может объяснить, почему магнетары имеют исключительно сильные поля; окаменелых полей может быть недостаточно, чтобы объяснить это во всех случаях. За прошедшие годы было сделано несколько предложений об изменении магнитных полей, некоторые из которых больше не принимаются, но некоторые из них все еще возможны:

• Модель аккумулятора. Первоначально это было предложено как механизм генерации магнитных полей в нормальных звездах. Он утверждает, что электроны внутри звезды немного дрейфуют наружу по сравнению с ионами из-за различных эффектов гравитационного поля и любой центробежной силы. Возникающее в результате давление заставляет электроны двигаться подобно батарее, которая создает магнитное поле.

  Как упоминал Зефир, важным уравнением является

  $$-\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}=\nabla\times\mathbf{E}$$ В аккумуляторной модели$\nabla\times\mathbf{E}$оказывается ненулевым, а это означает, что магнитное поле действительно может изменяться благодаря тепловым эффектам. Я считаю, однако, что модель батареи для нейтронных звезд исключена. Учет давления вырождения действительно приводит к исчезновению$\nabla\times\mathbf{E}$, и, следовательно, нет переменного во времени поля.

• Термоэлектрический механизм. На самом деле это вариация модели чистой батареи, применимая только в коре нейтронной звезды. Если имеется ненулевой радиальный градиент тепла и небольшое магнитное поле, электроны будут создавать небольшой градиент давления, что, в свою очередь, вызывает возникновение противодействующего термоэлектрического поля, что приводит к ненулевому$\nabla \times\mathbf{E}$! Точное уравнение $$\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}=\overbrace{\nabla\times\left(\mathbf{V}\times\mathbf{B}\right)}^{\text{Field convection term}}-\overbrace{\nabla Q_0\times\nabla T}^{\text{Battery term}}-\overbrace{\nabla\times\left[\frac{\nabla\times\mathbf{B}}{4\pi\sigma_0}\right]}^{\text{Ohmic decay term}}$$ Термоэлектрическая модель намного лучше, чем традиционная модель батареи, и позволяет увеличивать магнитное поле.
• Аккреция от компаньона. Это несколько более новая идея, получившая распространение после наблюдений за двойными системами (см. обсуждение Бхаттачарьи (1999) ). Материя звезды-компаньона следует за ранее существовавшими линиями магнитного поля нейтронной звезды. Давление заставляет вещество «тащить» силовые линии вдоль поверхности нейтронной звезды до тех пор, пока не произойдет магнитное пересоединение , «экранируя» поле под аккрецируемым веществом. Это на самом деле ослабляет поле, заставляя его со временем затухать, что соответствует наблюдениям некоторых нейтронных звезд. Однако нестабильность делает это трудной возможностью.