磁星驚奇：揭開宇宙最強磁場之謎

一項突破性的模擬研究揭示了磁星的形成與演化過程，解開了其強大磁場來源的關鍵謎團。磁星是一種罕見的中子星，擁有宇宙中最強的磁場。這些極度緻密的天體在超新星、快速電波爆發和伽瑪射線爆發等極端宇宙事件中扮演著重要角色。儘管其重要性不言而喻，但磁星的起源一直成謎。透過先進的數值模擬，研究人員成功重現了這些磁場巨人的形成與塑造過程。這項突破性研究已發表於《自然天文學》期刊。

當質量至少為太陽八倍的恆星走到生命盡頭時，會因重力作用發生劇烈塌縮。這種塌縮引發超新星爆炸，將恆星外層拋射出去，而核心則猛烈收縮。最終形成的便是中子星——宇宙中已知最緻密的天體。僅僅一茶匙的中子星物質，重量就高達驚人的十億噸，相當於十萬座艾菲爾鐵塔。

這項研究模擬的中子星再現了所謂「弱場磁星」的觀測特徵。雖然大多數中子星是透過無線電波被偵測到，但有些會產生強烈的X射線和伽瑪射線爆發。這些高度磁化的中子星被稱為磁星，其發射被認為是來自其巨大磁能的釋放——磁場強度比地球高出百萬億倍。

由於磁星的磁場在與其相關的發光現象中扮演關鍵角色，科學家們致力於理解其起源。雖然提出了多種理論，但最有前景的假說認為，磁場是透過原中子星中的發電機效應產生的，這發生在爆炸開始後的幾秒鐘內。

「發電機效應使導電流體（如電漿）在足夠複雜的運動中，能夠放大並維持自身的磁場，抵銷使其弱化的擴散效應。這種放大效應無疑是大多數天體物理磁場（如太陽或地球的磁場）的起源，」日內瓦大學科學院天文學系博士後研究員、本研究的第二作者保羅·巴雷爾解釋道。「與其他理論不同，這一假說得到了大量數值模擬的支援。」

許多這類發電機需要前身星核心的快速旋轉才能有效運作。然而，由於缺乏觀測資料，這些旋轉速度仍不清楚。因此，保羅·巴雷爾與來自CEA薩克雷研究所天體物理學系的傑羅姆·吉萊和拉斐爾·雷諾研究了一種替代情境。該情境認為，原中子星是由超新星期間最初拋射的部分物質回落到恆星表面而加速旋轉的。「這使得我們的新形成情境獨立於前身星的旋轉，」保羅·巴雷爾說道。

在原中子星中放大磁場的首選機制是一種特定的發電機，稱為泰勒-斯普魯特發電機。「這種機制利用恆星內部旋轉的差異和磁場的不穩定性。研究恆星的科學家對這種發電機並不陌生，因為它可能解釋恆星核心的旋轉，」研究人員解釋道。

儘管這項新情境具有相關性，但它僅專注於超新星爆發後的幾秒鐘，與觀測到的磁星年齡相比非常短暫。因此，與專注於中子星演化的紐卡斯爾大學和利茲大學科學家的合作至關重要，他們共同完成了首個數值模擬，展示了擁有由泰勒-斯普魯特發電機產生的初始複雜磁場的中子星在百萬年時間尺度上的演化。「我們的專業知識結合，首次橋接了原中子星形成研究與演化中子星研究之間的鴻溝，」保羅·巴雷爾表示。

這項研究模擬的中子星再現了2010年發現的所謂「弱場磁星」的觀測特徵。這些磁星的磁偶極子比經典磁星弱十到一百倍。因此，這項研究表明，這些磁星很可能是在由超新星物質吸積加速的中子原星中形成的，其中泰勒-斯普魯特發電機發揮作用。

「我們的工作代表了對磁星理解的重大突破，並為研究其他發電機效應開闢了非常有趣的新視角。我們的結果表明，每種發電機都會在複雜的磁場配置上留下印記，從而影響磁星的觀測發射。雖然泰勒-斯普魯特發電機與低場磁星相關，但我們希望未來能識別與其他磁星相關的機制，」保羅·巴雷爾總結道。