磁星

磁星是一种具有极强磁场的中子星（〜109至 1011 T，〜1013至1015 G）。磁场衰变为高能量电磁辐射，特别是 X射线和伽马射线的发射提供动力。

1992年，罗伯特·C·邓肯 (天体物理学家)和克里斯托弗·汤普森 (天文学家)于提出磁星的存在。他们的提案试图解释瞬态伽马射线源的性质，现在被称为软伽玛射线重复爆发源（SGRs，soft gamma repeaters）。在接下来的十年里，磁星假说被广泛接受，并被扩展到解释异常X射线脉冲星。截至2021年7月，确认的磁星已知有24颗。

有人认为磁星是快速电波爆发（FRB）的来源，特别是由于科学家在2020年使用澳大利亚平方千米阵探路者（ASKAP）电波望远镜的发现。

## 描述

与其他中子星一样，磁星直径约为20km，质量约为1.4太阳质量。它们是由质量是太阳的10-25倍的恒星坍缩形成的。磁星内部的密度使得其一汤匙物质的质量超过1亿吨。磁星与其它中子星的区别在于磁场更强，相比之下旋转更慢。大多数观测到的磁星每两到十秒旋转一次，而典型的中子星，被观测为电波脉冲星，每秒旋转一到十次。磁星的磁场会产生非常强的、具有特征的X射线和伽马射线爆发。与其它天体相比，磁星的活跃寿命很短。它们的强磁场在大约10,000年后衰减，之后的活动会停止强X射线的发射。考虑到目前可观测到的磁星数量，一项估计认为银河系中不活跃的磁星的数量为3,000万或更多。

在磁星表面触发的星震扰乱了围绕它的磁场，经常导致极其强大的伽马射线闪焰发射，这些发射地球在1979年、1998年和2004年都有观测到这些发射的记录。

<image>

### 磁场

磁星的特点是其极其强大的磁场：〜109至1011 T。这样的磁场强度是任何人造磁铁的一亿倍，大约是围绕地球磁场的一兆倍。地球的磁场为30–60微特斯拉，钕基稀土磁体的磁场约为1.25特斯拉，磁能密度为4.0 × 105 J/m3。相较之下，磁星的1010特斯拉场的能量密度为4.0 × 1025 J/m3，将这一能量密度按照E/c2换算成的质量密度是铅的10,000倍以上。磁星的磁场即使在1,000公里的距离内也是致命的，因为强磁场扭曲了受试者组成原子的电子云，使已知生命形式的化学反应变得不可能。地球和月球之间的平均距离为384400km，在地球到月球的一半距离处，磁星可以消除地球上所有信用卡磁条上的资讯。截至2020年，它们是整个宇宙中探测到的最强大的磁性物体。

正如2003年2月“科学美国人”封面故事中所描述的那样，在磁星强度的磁场中会发生非凡的事情。“X射线光子很容易一分为二或合并。真空本身是极化的，变得强烈的双折射，就像方解石晶体。原子变形为比电子的量子相对论德布罗意波长薄的长圆柱体。”在大约105 特斯拉的时候，原子轨道变形成棒状。在1010特斯拉，氢原子变的比其正常直径窄200倍。

#### 磁场的起源

磁星极强磁场的主要理论是，它是由中子星进入平衡构型之前存在的湍流、密度极高的传导流体中的磁流体动力学发电机过程产生的。然后，由于存在于中子星中间深度（中子以质量为主）的质子超导体相物质中的持续电流，使这些场持续存在。类似的磁流体动力学发电机过程在中子星对的聚结过程中产生更强烈的瞬态场。但另一种理论认为，它们只是由具有异常强磁场的恒星塌引起的。

### 组成

<image>

在超新星中，恒星坍塌为中子星，其磁场强度通过磁通量守恒而急剧增加。将线性尺寸减半会使磁场强度增强四倍。邓肯和汤普森计算出，当新形成的中子星的自旋、温度和磁场落入正确的范围时，发电机机制可能会起作用，将热能和旋转能转化为磁能，并增强磁场，通常磁场已经很大108 T，超过1011 特斯拉（或 1015 高斯）。结果就是一颗“磁星”。据估计，大约十分之一的超新星爆炸产生了磁星，而不是更标准的中子星或脉冲星。

### 1979年的发现

1979年3月5日，在着陆器成功降落到金星大气层几个月后，当时在日心轨道上已无所事事的的两艘苏联太空探测器金星11号和12大约在美国东部时间10:51左右被伽马辐射击中。这种接触仅在几分之一毫秒内就将两艘探测器针的辐射读数从正常的每秒100次提高到每秒200,000次以上。

11秒后，在围绕太阳的轨道上一艘美国国家航空暨太空总署的探测器，太阳神2号（Helios 2）也被辐射饱和轰炸。它很快地也轰击了金星，先驱者金星轨道器的探测器也被辐射波淹没。此后不久，围绕地球运行的探测器，三颗美国国防部的船帆座卫星、苏联的预报7号卫星和爱因斯坦卫星，它们都被伽马射线淹没了。在离开太阳系之前，辐射被在晕轮轨道的国际彗星探险者号检测到。

这是有史以来探测到的最强的太阳外伽马射线波，强度是之前已知的任何一次爆发的100多倍。考虑到光速及其被几个广泛分布的太空船探测到的情况，可以将伽马射线的来源以三角测量准确到大约2角秒的精度。来源的方向与一颗恒星的余辉相对应，该恒星在公元前3000年左右成为超新星。它在大麦哲伦星云中，来源被命名为SGR 0525-66；该事件本身被命名为GRB 790305b，这是第一次观测到的SGR大闪焰。

### 最近的发现

<image>

2008年2月21日，美国国家航空暨太空总署和麦基尔大学的研究人员宣布，他们发现了一颗具有电波脉冲星性质的中子星，它发出了一些磁动力爆发，像是一颗磁星。这表明磁星不仅是一种罕见的脉冲星，而且可能是一些脉冲星生命中的一个（可能是可逆的）相位。2008年9月24日，欧洲南天天文台宣布，使用 甚大望远镜，它确定了迄今为止发现的第一个光学活性磁星候选者。新发现的物体已被命名为SWIFT J195509+261406。2014年9月1日，欧洲空间局发布了一颗磁星靠近超新星遗迹凯斯特文79的消息。2013年，通过查看2008年和2009年拍摄的影像，来自欧洲和中国的天文学家发现了这颗磁星，命名为3XMM J185246.6+003317。2013年，一颗绕着黑洞人马座A*系统运行的磁星，PSR J1745−2900被发现。该天体为研究朝向银河中心的电离星际介质提供了一个有价值的工具。2018年，两颗中子星合并的结果短暂的被确定为一颗超质量磁星，它很快坍塌成黑洞。

2020年4月，基于对一颗可能位于银河系中的磁星，SGR 1935+2154的观测，有人提出了快速射电暴（FRBs）与磁星之间的可能联系。

## 已知的磁星

<image>

截至2021年7月，已知有24颗磁星，还有6颗候选磁星等待确认。完整清单见McGillSGR/AXP线上目录。已知磁星的例子包括：

- SGR 0525−66：在距离地球大约163,000光年的大麦哲伦星系。是发现的第一颗磁星。（1979年）
- SGR 1806−20：距离地球50,000光年，在人马座的方向上，位于银河系的另一侧，是已知磁化率最高的天体。
- SGR 1900+14：位于20,000光年外，位于天鹰座。经过长时间的低排放（仅在1979年和1993年发生了重大爆发），它于1998年5月至8月活跃起来，1998年8月27日探测到的爆发具有足够的功率迫使会合-舒梅克号关闭以防止损坏，并使BeppoSAX卫星、Wind和罗西X射线计时探测器上的仪器饱和。2008年5月29日，美国国家航空航太局的史匹哲太空望远镜在这颗磁星周围发现了一个物质环。人们认为这个环是在1998年爆发时形成的。
- SGR 0501+4516：于2008年8月22日发现。
- 1E 1048.1−5937：位于船底座，距离9000光年外。形成磁星的原始恒星的质量是太阳的30到40倍。
- 截至2008年9月，ESO报告了其最初识别为磁星的物体SWIFT J195509+261406，最初被识别为伽马射线暴（GRB 070610）。
- CXO J164710.2-455216：位于大质量星系团维斯特卢1中，由一颗质量超过40太阳质量的恒星形成。
- SWIFT J1822.3 Star-1606：2011年7月14日由CSIC的意大利和西班牙研究人员在马德里和加泰罗尼亚发现。这颗磁星的外部磁场很低，可能只有50万年的历史。
- 3XMM J185246.6+003317：由国际天文学家团队通过查看来自ESA的X射线望远镜XMM-牛顿卫星的资料发现的。
- SGR 1935+2154：2020年4月28日发射了一对明亮的电波暴。有人猜测，这些可能是快速电波暴的银河系例子。
- Swift J1818.0-1607：2020年3月探测到的X射线爆发，是已知也是电波脉冲星的五颗磁星之一。在它被发现的时候，可能只有240年的历史。

磁星—SGR J1745-2900

<image>

## 明亮的超新星

异常明亮的超新星被认为是由不稳定对超新星（或脉动不稳定对超新星）等非常大的恒星死亡引起的。然而，天文学家最近的研究假设新形成的磁星释放到周围超新星遗迹中的能量可能是一些最亮的超新星的原因，如SN 2005ap和SN 2008es。

## 外部链接

- McGill Online Magnetar Catalog McGill Online Magnetar Catalog -- Main Table