Obří erupce magnetaru v galaxii Sochař: Kosmické monstrum uvolnilo energii miliardy sluncí během zlomku sekundy

Rentgenový pohled družice NuSTAR na galaxii Sochař (NGC 253), známou bouřlivou hvězdotvorbou. Právě z této hvězdné porodnice dorazil 15. dubna 2020 extrémní gama záblesk vyvolaný obří erupcí magnetaru – neutronové hvězdy s nejmocnějším magnetickým polem ve známém vesmíru. Kredit: NASA / JPL-Caltech / J. Moustakas (Siena College)

Neutronové hvězdy představují nejhustší hmotné objekty ve vesmíru, které ještě neskolabovaly do černé díry. V kouli o průměru sotva dvaceti kilometrů je stlačena hmotnost přesahující naše Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii →. Mezi těmito extrémními tělesy však existuje ještě exotičtější podtřída: magnetary. Magnetary disponují magnetickými poli tak gigantické intenzity, že zcela převracejí pravidla klasické fyziky a vstupují do domény nelineární kvantové elektrodynamiky.

Dne 15. dubna 2020 v 08:42:07 světového času zasáhl flotilu kosmických družic kratičký záblesk gama záření trvající pouhých 140 milisekund, označený jako GRB 200415A. Špičková mezinárodní analýza přístrojů na palubě Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) a satelitů meziplanetární sítě IPN prokázala, že nešlo o běžný gama záblesk z hlubin kosmu, ale o kataklyzmatickou obří erupci magnetaru v sousední galaxii Sochař (NGC 253). Během zlomku sekundy toto kosmické monstrum vyrobilo a vyzářilo energii odpovídající miliardám sluncí.

Magnetary: Vládci magnetického pekla

Standardní dipólové magnetické pole magnetarů dosahuje hodnot B ≈ 10¹⁴ až 10¹⁵ Gaussů (10¹⁰ až 10¹¹ Tesla). Pro srovnání:

• Magnetické pole Země, které vychyluje střelku kompasu, má sílu zhruba 0,5 Gaussu.
• Nejsilnější medicínské přístroje magnetické rezonance (MRI) dosahují pole kolem 30 000 až 70 000 Gaussů (3 až 7 Tesla).
• Pole magnetaru je tedy zhruba biliardakrát (10¹⁵×) silnější než geomagnetické pole Země.

Při takto extrémních intenzitách pole překračuje tzv. Schwingerův kritický limit kvantové elektrodynamiky:
B_QED = m_e² c³ / (e ħ) ≈ 4,41 × 10¹³ Gaussů.

V tomto režimu dochází k exotickým kvantovým procesům:

• Vakuový dvojlom: Samotné vakuum se stává opticky anizotropním médiem s různým indexem lomu pro fotony různých polarizací.
• Štěpení fotonů: Jediný vysokoenergetický foton gama záření se může v silném magnetickém poli spontánně rozštěpit na dva méně energetické fotony (γ → γ + γ).
• Deformace hmoty: Atomy železa v kůře neutronové hvězdy jsou magnetickými silami stlačeny do tenkých jehlic o průměru menším než tisícina běžného atomárního poloměru, čímž se tvoří husté polymerní řetězce s obrovskou pevností v tahu.

                      Geometrie magnetaru a vznik kosmotřesení
                     /        |                            /    N    |         \   Siločáry magnetického pole
                   |    (•)   |          |  (B ~ 10¹⁴ - 10¹⁵ Gaussů)
                  /     / \   |                            |     |   |  |            |
                 |     |   |  |            |
| --- | --- | --- | --- |
           ======[ Krystalická kůra z iontů Fe ]====== -> Napětí dosáhne meze pevnosti
                 |     |   |  |            |           -> Kosmotřesení (posun kůry o mm)
                  \     \ /   |           /            -> Magnetické přepojení (reconnection)
                   |    (•)   |          |             -> Vznik ohnivé koule e⁻e⁺ a gama blesk
                    \    S    |         /
                     \        |        /

Kosmotřesení a magnetické přepojení: Spouštěcí mechanismus

Vnitřní magnetické pole magnetaru není statické. Jak se magnetické siločáry v supravodivém nitru hvězdy pomalu přetáčejí v důsledku Hallova driftu a ambipolární difúze, působí gigantickým mechanickým střižným napětím na pevnou krystalickou kůru. Kůra tvořená ionty železa a degenerovaným elektronovým plynem toto napětí po určitou dobu snáší, dokud napětí nepřekročí mez plasticity a pevnosti materiálu.

V tom okamžiku dojde ke kosmotřesení (starquake):

1. Povrch kůry praskne a posune se o zlomek milimetru až několik centimetrů.
2. Vzhledem k nepředstavitelné hustotě kůry (kolem 10¹⁴ g/cm³) uvolní i takto nepatrný pohyb mechanickou energii rovnající se země🪐 AstroWiki EncyklopedieZeměZemě je třetí planeta od Slunce, jediný známý svět hostící život, s aktivní deskovou tektonikou, tekutým vodním oceánem pokrývajícím 71 % po...Otevřít heslo v encyklopedii →třesení o magnitudě 30 na Richterově škále.
3. Posun kůry okamžitě destabilizuje vnější magnetosféru hvězdy. Dojde ke katastrofálnímu magnetickému přepojení (magnetic reconnection), při němž se magnetické siločáry přetrhnou a zkratují do konfigurace s nižší energií.
4. Přebytečná magnetická energie se během mikrosekund přemění na ohnivou kouli relativistické elektron-pozitronové plazmy a fotonů gama záření (tzv. trapped fireball).
5. Část této plazmy se odtrhne a je vystřelena pryč jako relativistický výtrysk expandující rychlostí 99,99 % rychlosti světla s Lorentzovým faktorem Γ > 100.

Záchyt GRB 200415A: Flotila detektorů v akci

Detekce ze dne 15. dubna 2020 byla unikátní díky souhře několika špičkových vědeckých instrumentů:

• ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor): Evropský optický a rentgenový přístroj namontovaný na vnějším plášti modulu Columbus na palubě ISS. ASIM zaznamenal extrémně rychlý náběh záblesku během pouhých 77 mikrosekund!
• Fermi Gamma-ray Space Telescope: Přístroj GBM (Gamma-ray Burst Monitor) zachytil hlavní pulz a detektor LAT (Large Area Telescope) následně zaznamenal fotony s energiemi až do gigaelectronvoltů (GeV) opožděné o několik sekund po hlavním pulzu.
• Konus-Wind a INTEGRAL SPI-ACS: Doplňující záznamy potvrdily energetické spektrum záblesku.

Díky časovým rozdílům v příchodu signálu k jednotlivým družicím v meziplanetárním prostoru (technika sítě IPN – InterPlanetary Network) se podařilo lokalizovat zdroj záblesku na nebi do miniaturní elipsy spolehlivosti. Tato elipsa leží přímo v centrálním disku sousední galaxie Sochař (NGC 253), vzdálené 11,4 milionu světelných let (3,5 Mpc). NGC 253 je slavnou „starburst“ galaxií s překotnou tvorbou hvězd, což z ní činí ideální líheň mladých masivních stálic a magnetarů.

Výpočet uvolněné energie vyrazil dech: izotropní ekvivalent záření dosáhl 1,4 × 10⁴⁶ ergů (1,4 × 10³⁹ Joulů). Celé Slunce vyzáří toto množství energie za zhruba 100 000 let – magnetar v Sochaři jej však vyprodukoval za pouhých 140 milisekund!

Rozřešení kosmické hádanky: Maskované magnetary

Až do tohoto pozorování panoval v astrofyzikální komunitě konsensus, že krátké záblesky gama (short GRBs) jsou bez výjimky důsledkem splynutí dvou neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy s černou dírou.

Událost GRB 200415A však přinesla definitivní potvrzení teorie, kterou vědci formulovali již po historické obří erupci magnetaru SGR 1806-20 v naší vlastní Galaxii v prosinci 2004:

• Pokud by k obří erupci magnetaru došlo v galaxii vzdálené desítky milionů světelných let, dlouhý pulzační „ocas“ erupce (který je způsoben rotací chladnoucího magnetaru) by byl příliš slabý a pozemské přístroje by jej vůbec nezaznamenaly.
• Teleskopy by zachytily pouze úvodní extrémně tvrdý hrot trvající zlomky sekundy.
• Tento hrot je spektroskopicky i časově takřka k nerozeznání od krátkého gama záblesku ze srážky neutronových hvězd!

Statistické modelování na základě dat z misí Fermi a Swift dnes naznačuje, že 2 až 8 % všech registrovaných krátkých gama záblesků jsou ve skutečnosti obří erupce extragalaktických magnetarů v relativně blízkém vesmíru, a nikoliv srážky neutronových hvězd. Odlišit je lze především absencí gravitačních vln a přítomností specifických vysokofrekvenčních kvazi-periodických oscilací (QPOs), které nesou informaci o seismických vlnách kmitající neutronové hvězdy.

„Erupce v galaxii Sochař byla probuzením pro celou astrofyziku vysokých energií. Dokázala, že magnetary v sobě skrývají rezervoár energie, který se v extrémních chvílích vyrovná těm nejdivočejším srážkám kompaktních těles. Pozorování nám poprvé umožnilo nahlédnout do krystalické struktury neutronové kůry zkoumáním seismických vln na vzdálenost přes 11 milionů světelných let,“ uvedl hlavní autor jedné ze studií v Nature, Dr. Dmitry Svinkin z Ioffeho institutu.

Reference

[1] Svinkin, D., et al. (2021). A giant flaring magnetar in the Sculptor galaxy. Nature, 589(7841), 211–213. DOI: 10.1038/s41586-020-03076-9.
[2] Roberts, O. J., et al. (2021). Rapid spectral variability of a giant flare from a magnetar in NGC 253. Nature, 589(7841), 207–210. DOI: 10.1038/s41586-020-03077-8.
[3] Castro-Tirado, A. J., et al. (2021). Very-high-energy oscillations in the main peak of a magnetar giant flare. Nature, 600(7889), 421–424. DOI: 10.1038/s41586-021-04101-1.
[4] Thompson, C., & Duncan, R. C. (1995). The soft gamma repeaters as very strongly magnetized neutron stars - I. Highly energetic outbursts. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 275(2), 255–300. DOI: 10.1093/mnras/275.2.255.
[5] Hurley, K., et al. (2005). An exceptionally bright flare from SGR 1806-20 and the birth of a magnetar. Nature, 434(7037), 1098–1103. DOI: 10.1038/nature03519.