מגנטר

מגנטר (באנגלית: Magnetar) הוא סוג ייחודי של כוכב נייטרונים, הדומה במאפיינים רבים לפולסר. זהו עצם דחוס בעל שדה מגנטי חזק במיוחד, אשר דעיכתו גורמת להיווצרות כמות גדולה מאוד של קרינה אלקטרומגנטית בעלת אנרגיה גבוהה, במיוחד קרינת גמא ורנטגן.
התפרצות הגמא המתועדת הראשונה שמיוחסת למגנטר נצפתה ב-5 במרץ 1979, אך ההסבר התאורטי פותח על ידי רוברט דנקן וכריסטופר תומפסון רק ב-1992. במהלך העשור שלאחר מכן, התקבלה התאוריה המסבירה את המגנטרים כהסבר הסביר ביותר לפולסרים חריגים בתחום הרנטגן (AXP) ועצמים פולטי קרינת גמא רכה (SGR).

היסטוריה

התפרצות קרינת הגמא המתועדת הראשונה שמיוחסת למגנטר התרחשה ב-5 במרץ 1979. שתי חלליות סובייטיות, ששייטו אז במערכת השמש, נפגעו מפרץ קרינת גמא, במהלכו קריאות הקרינה בשתי החלליות עלו מ-100 פגיעות בשנייה ליותר מ-200,000 תוך שבריר מילישנייה.
פרץ הקרינה המשיך להתפשט ופגע במספר חלליות נוספות שהיו במשימות שונות סביב נוגה והשמש וכן בלוויינים במסלול סביב כדור הארץ, ביניהם לוויני ולה (Vela) של משרד ההגנה האמריקני, שמטרתם הייתה לגלות קרינה רדיואקטיבית מפיצוצים גרעיניים. אירוע זה היה פרץ קרני הגמא העוצמתי ביותר שתועד עד אז, עם עוצמה גבוהה פי מאה מכל התפרצות מתועדת קודמת שמקורה מחוץ למערכת השמש.
תחילה סברו אסטרונומים כי מקור ההתפרצות נמצא בקרבה הגלקטית של מערכת השמש, במרחק שאינו עולה על מספר מאות שנות אור. במקרה זה, עוצמתה המוחלטת של ההתפרצות הייתה קטנה מבהירות אדינגטון, כמות הקרינה הרגעית שכוכב יכול לפלוט ועדיין להישאר במצב יציב. כיוון שההתפרצות נרשמה במספר חלליות ולוויינים, ניתן היה לאכן את המקור, והתוצאה הייתה מפתיעה - פרץ קרני הגמא הגיע מענן מגלן הגדול, גלקסיה ננסית שכנה לשביל החלב, במרחק של כ-157,000 שנות אור. משמעות הדבר היא שעוצמתה המוחלטת של ההתפרצות הייתה גדולה פי מיליון מגבול אדינגטון. כלומר, מקור ההתפרצות לא יכול היה להיות כוכב רגיל. ניתוח נוסף של התצפיות העלה שלאחר ההתפרצות הראשונה, נראו פעימות נוספות, חלשות יותר, במחזוריות של כ-8 שניות, שנמשכו כ-3 דקות ואז דעכו. עובדה זו פסלה את האפשרות שמדובר בחור שחור. המועמד הנותר עבור מקור הקרינה המוזר היה כוכב נייטרונים.
נדרשו כשני עשורים עד אשר תצפיות נוספות, מדויקות יותר, שימשו לבנות בסיס מידע סביר לגבי תופעות מסוג זה. תצפיות אלה הובילו לבניית תאוריה שתספק הסבר לתופעות השונות שנראו, ותיתן תחזיות שניתן יהיה לבדוק בתצפיות נוספות.

מבנה

עד כה, ידוע יחסית מעט אודות המבנה הפיזי של המגנטר. מכיוון שזהו סוג של כוכב נייטרונים, מגנטרים הם ככל הנראה בעלי קוטר של כ-20 ק"מ ובעלי מסה גדולה מהשמש, כלומר צפיפות החומר בהם גדולה מאוד, כ-‎10¹⁴‎ גרם לסמ"ק (100 מיליון טון לסמ"ק). ניתן לומר שכפית אחת של חומר ממגנטר ממוצע שווה במסתה למסת כל המשאיות והמכוניות על פני כדור הארץ. בדומה לפולסרים, מגנטרים סובבים על צירם במהירות רבה, אך בגלל השדה המגנטי רב העוצמה שלהם, קצב הסיבוב יורד מהר יותר. מרבית המגנטרים הנצפים היום הם בעלי זמן מחזור סיבוב של מספר שניות.
התפתלות קווי השדה המגנטי ותנועתם דרך הקרום החיצוני של המגנטר מעוותות את הקרום וגורמות לרעידות על פני השטח, אשר מובילות להתפרצויות חומר, בצורת אלקטרונים ופוזיטרונים, וקרינה, בתחום הרנטגן או קרינת גמא רכה. לעיתים רחוקות יותר, השדה המגנטי עובר ארגון מחדש בקנה מידה גדול, ואז עלולות להתרחש התפרצויות קרינת גמא עוצמתיות, כגון אלה שתועדו בשנים 1979, 1998 ו-2004.
אורך חייו הפעילים של מגנטר הוא ככל הנראה קצר יחסית. כאמור, השדות המגנטיים רבי העוצמה גורמים להאטה מהירה של קצב הסיבוב בתהליך של בלימה. כמו כן, הגוף פולט כמויות גדולות של אנרגיה הן בהתפרצויות רגעיות והן בפליטה תמידית של אנרגיה בתחום הרנטגן וחומר חלקיקי. ההאטה בקצב הסיבוב גורמת להחלשות השדות המגנטיים, כך שאלה דועכים לאחר כ-10,000 שנים, ואז פליטת קרינת הרנטגן והגמא מפסיקה, והמגנטר הופך להיות כוכב נייטרונים רגיל.
הערכת מקורבת של גילם של חלק מהמגנטרים שנצפו עד היום, על פי עוצמת שדה מגנטי ומשך זמן סיבוב, היא כ-5,000 שנה.

שדה מגנטי

המאפיין העיקרי של המגנטר הוא שדה מגנטי רב-עוצמה. הערכות של שדות בסדר גודל של ‎10¹⁰‎ טסלה הופכות את המגנטרים לעצמים המגנטיים החזקים ביותר שנצפו ביקום. שדות אלה חזקים פי מיליונים משדה של כל מגנט שיוצר באופן מלאכותי על ידי בני אדם. השדה המגנטי של כדור הארץ, לצורך השוואה, הוא ‎30×10⁻⁶‎ עד ‎60×10⁻⁶‎ טסלה, ושל השמש ‎10⁻⁴‎ עד ‎5×10⁻⁴‎ טסלה. שדה מגנטי של ‎10¹⁰‎ טסלה יהיה קטלני ליצור חי גם במרחק של אלף ק"מ, מכיוון שהדיאמגנטיות של המים תקרע את הרקמות החיות.
בשדה מגנטי בעוצמה כזו מתרחשות תופעות מרתקות. פוטונים של קרינת רנטגן מתמזגים או מתפצלים, הריק עצמו עובר קיטוב ומופיעה בו תופעה של שבירה כפולה, בדומה למתרחש בגביש קלציט. אטומים עוברים עיוות ומקבלים צורה של גלילים ארוכים, בעלי קוטר קטן מאורך הגל הקוונטי-יחסותי של אלקטרון.

תהליך היווצרות

כאשר באירוע סופרנובה מסוג II כוכב בעל שדה מגנטי משמעותי קורס לכוכב נייטרונים, השדה המגנטי שלו גדל משמעותית. זאת מכיוון שעל פי משוואות מקסוול, שינוי של רדיוס הכוכב למחצית מרדיוסו המקורי, מכפיל את השדה המגנטי פי ארבעה. השדה המגנטי של כוכב נייטרונים שהופך לפולסר הוא בעל עוצמה לא מבוטלת של כ-‎10⁸‎ טסלה, אך עדיין מותיר אותו רחוק מעוצמת השדה של מגנטר בכשניים עד שלושה סדרי גודל.
על פי התאוריה של דנקן ותומפסון, התוצאה הסופית של התהליך - האם הכוכב הקורס יהפוך לפולסר או מגנטר - תלויה בקצב הסיבוב של הגוף סביב צירו. אם קצב הסיבוב של כוכב הנייטרונים שנוצר לאחר קריסת הכוכב המקורי עובר גבול מסוים, שקשור לקצב סיבוב הליבה שלו ומוליכות השדות המגנטיים בתוכה, תהליך הדינמו נכנס לפעולה ומגביר את השדה המגנטי של הכוכב. התהליך כולו אורך כעשר שניות מרגע היווצרות כוכב הנייטרונים, אך התוצאה היא מגנטר - עצם דחוס בעל שדה מגנטי של ‎10¹⁰‎ טסלה ויותר. ההערכה לגבול זה היא מחזור סיבוב של כעשר מילישניות, או כמאה סיבובים בשנייה. לשם השוואה, הפולסר שבלב ערפילית הסרטן, שבזמן היווצרותו ביצע כ-50 סיבובים בשנייה, עדיין היה איטי משמעותית מהדרוש להפוך למגנטר.
בפברואר 2008 פרסמו חוקרים מנאס"א ואוניברסיטת מק'גיל כי גילו כוכב נייטרונים שהופך מפולסר למגנטר, מה שמרמז על אפשרות כי מגנטר הוא לא רק סוג נדיר של פולסר אלא שלב, וייתכן שהפיך, בחיי פולסרים, בתנאים מסוימים. כלומר, כנראה שישנם גורמים או תהליכים נוספים, מלבד קריסת הכוכב המקורי, שיכולים להתחיל את תהליך הדינמו בכוכב נייטרונים.

שכיחות

קיימות הערכות כי אחת מתוך עשר סופרנובות תהפוך למגנטר, במקום כוכב נייטרונים או פולסר רגילים. כמו כן, בהתבסס על ההערכה של אורך החיים הפעיל של מגנטר ובהינתן מספר המגנטרים הנצפים כיום, קיימות הערכות שבשביל החלב לבדו קיימים לפחות 30 מיליון מגנטרים שחדלו לפעול.