宇宙中最强的磁体之一发现了前所未见的奇怪活动

活跃磁星Swift J1818

艺术家对活跃磁星斯威夫特J1818.0-1607的印象。资料来源:卡尔·诺克斯,OzGrav

来自ARC卓越引力波发现中心(OzGrav)和CSIRO的天文学家刚刚观察到一颗“无线电响”磁星的奇异行为,这是一种罕见的类型中子星也是宇宙中最强的磁体之一。

他们的新发现发表在英国皇家天文学会月报该研究表明,磁星的磁场比之前认为的要复杂得多——这可能会挑战有关它们如何诞生和随时间演化的理论。

磁星是一种罕见的旋转中子星,拥有宇宙中最强大的磁场。天文学家仅探测到30个这样的天体银河系在一次高能爆发后,x射线望远镜探测到了其中的大部分。

然而,也有少数磁星发射出类似脉冲星的无线电脉冲。脉冲星是磁星的近亲,磁性较弱,能从其磁极产生无线电波。追踪这些“无线电响”磁星的脉冲如何随时间变化,为了解它们的演变和几何形状提供了一个独特的窗口。

2020年3月,一颗名为Swift J1818.0-1607(简称J1818)的新磁星在发出明亮的x射线暴后被发现。随后的快速观测发现了来自磁星的无线电脉冲。奇怪的是,J1818射电脉冲的外观与其他射电强磁星截然不同。

大多数来自磁星的射电脉冲在广泛的观测频率范围内保持一致的亮度。然而,J1818发出的脉冲在低频比高频亮得多-与脉冲星类似,脉冲星是另一种更常见的发射无线电的中子星。

为了更好地了解J1818如何随着时间的推移而演变,ARC卓越引力波发现中心(OzGrav)的科学家领导的一个团队使用CSIRO Parkes射电望远镜(也被称为Murriyang),时间为2020年5月至10月。

在此期间,他们发现这颗磁星经历了一段短暂的身份危机:在5月份,它仍然在散发着不寻常的光芒脉冲星类似先前探测到的脉冲;然而,到了6月,它开始在明亮和微弱之间闪烁。这种闪烁行为在7月达到了顶峰,他们看到它在发射脉冲星和磁星的射电脉冲之间来回闪烁。

“这种奇怪的行为以前从未在任何其他无线电噪声大的磁星上看到过,”研究的主要作者、斯温伯恩大学/CSIRO的博士生马库斯·洛尔解释道。“这似乎只是一个短暂的现象,因为到我们下一次观测时,它已经永久地进入了这种新的类磁星状态。”

科学家们还寻找了不同无线电频率下的脉冲形状和亮度变化,并将他们的观测结果与一个50年前的理论模型进行了比较。这个模型根据脉冲星偏振光的扭曲方向预测其预期的几何形状。

Lower说:“通过我们的观察,我们发现J1818的磁轴与它的旋转轴不一致。”

相反,发射无线电的磁极似乎在南半球,刚好位于赤道下面。其他大多数磁星的磁场与自旋轴是对齐的,或者有点模糊。”

“这是我们第一次明确地看到磁星的磁极偏移。”

值得注意的是,这种磁几何在大多数观测中似乎是稳定的。这表明,脉冲廓线的任何变化只是由于射电脉冲在中子星表面上方发射的高度的变化。然而,2020年8月1日的观测结果却是一个奇怪的例外。

“我们对这一数据的最佳几何模型表明,射电波束短暂地翻转到了磁星北半球一个完全不同的磁极,”Lower说。

这颗磁星的脉冲剖面形状明显没有任何变化,这表明,触发“正常”射电脉冲的磁场线,一定也对从另一个磁极看到的脉冲负责。

研究表明,J1818的射电脉冲来自于连接两个紧密间隔的两极的磁力线环,就像连接马蹄形磁铁或太阳黑子两极的磁力线环一样。这与大多数普通的中子星不同,后者被认为在恒星的两端有南北两极,并由甜甜圈形状的磁场连接。

这种特殊的磁场结构也得到了由国际空间站上更好的望远镜探测到的J1818的x射线脉冲的独立研究。这些x射线要么来自于从磁星表面产生的单一扭曲磁场线区域,要么来自于两个较小但紧密间隔的区域。

这些发现对计算机模拟磁星的诞生和长时间的演化有潜在的意义,因为更复杂的磁场几何形状将改变它们的磁场随时间衰减的速度。此外,认为快速射电暴可能来自磁星的理论必须考虑到射电脉冲可能来自于磁星磁场中的多个活跃位置。

捕捉正在运行的磁极之间的翻转也提供了第一次绘制磁星磁场图的机会。

“帕克斯望远镜将在明年密切观察这颗磁星”,来自CSIRO天文学和空间科学的科学家和研究合著者西蒙·约翰斯顿说。

参考:“Swift J1818.0-1607的动态磁层”,由M E Lower, S Johnston, R M Shannon, M Bailes和F Camilo撰写,2020年12月14日,英国皇家天文学会月报
DOI: 10.1093 / mnras / staa3789

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