近日，國際科學(xué)期刊《皇家天文學(xué)會月刊》（MNRAS）發(fā)表了中國科學(xué)院云南天文臺太陽活動與CME研究團組與恒星物理研究團組的研究成果。該研究以太陽爆發(fā)CME理論為基礎(chǔ)，建立了磁星（magnetar）巨耀發(fā)的三維磁通量繩災(zāi)變模型并得到了巨耀發(fā)產(chǎn)生的必要條件，為理解磁星的磁場驅(qū)動的爆發(fā)過程提供了新的視角。
磁星主要包含反常X 射線脈沖星（AXP）和軟伽馬重復(fù)爆（SGR）。此類天體數(shù)量稀少，目前一共探測到大約30多個，它們具有超強的磁場（B=1014-1015G）。SGR還會產(chǎn)生一些能量巨大、持續(xù)時間長的巨耀發(fā)。這種巨耀發(fā)釋放的能量范圍在1044- 1047爾格，是目前已知的宇宙中罕見的最劇烈的能量爆發(fā)事件之一。目前人們對巨耀發(fā)產(chǎn)生機制的具體細節(jié)了解較少，本工作建立了一個三維磁通量繩災(zāi)變模型來研究磁星巨耀發(fā)的磁能儲存和釋放過程，通過模型計算磁星在不同參數(shù)下能否爆發(fā)，從而得到磁星產(chǎn)生巨耀發(fā)的一個理論判據(jù)。
這項工作通過解析方式計算了穿過中子星表面的圓形磁通量繩產(chǎn)生的磁場分布，兩個典型情況如圖1所示。以此為基礎(chǔ)，分析了其受到洛倫茲力、磁張力和重力聯(lián)合作用時的平衡情況，以及研究了在中子星背景偶極磁場變化時平衡的穩(wěn)定性。該研究得到了系統(tǒng)失去平衡產(chǎn)生災(zāi)變的必要條件的一個簡單判據(jù)，即當特征參量η= GMm/(R4B2)<0.48時（G是牛頓引力常數(shù)，M是恒星質(zhì)量，m是拋射物質(zhì)量，R是恒星半徑，B是偶極磁場強度），系統(tǒng)才可能出現(xiàn)平衡失穩(wěn)從而產(chǎn)生爆發(fā)過程。該判據(jù)給出了磁星巨耀發(fā)產(chǎn)生的磁場下限，結(jié)合中子星的磁場與自轉(zhuǎn)周期的關(guān)系，得到了周期與周期變化率圖（如圖2所示）上磁星巨耀發(fā)產(chǎn)生的理論參數(shù)范圍，與觀測結(jié)果符合。此外，本方法以后也能嘗試應(yīng)用到其它天體的磁場爆發(fā)過程。將其應(yīng)用于太陽，可以獲得拋射物質(zhì)量的理論上限為1017克與觀測相符。
該研究由云南天文臺太陽活動與CME研究團組蒙盈助理研究員、林雋研究員與恒星物理研究團組張錢生副研究員合作完成，得到了國家重點研發(fā)項目（批準號：2022YFF0503804， 2021YFA1600400/2021YFA1600402）、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目（批準號：12288102）、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目（批準號：XDB 41000000）等項目的支持。
圖1：磁通量繩存在時，星表面附近的磁場分布。紫色圓球表示星，藍色線表示磁軸，紅色線表示磁通量繩，黃色線為磁力線，黑色線為繩附近的磁力線。左圖和右圖分別顯示了磁通量繩垂直和平行于磁軸的兩種情況。
圖2：中子星的周期與周期變化率的分布，黑色點是普通中子星，紅色點是磁星，綠色五角星是觀測到產(chǎn)生過耀發(fā)的磁星。三條藍色線給出了不同拋射物質(zhì)量（實線、點虛線和虛線分別對應(yīng)1024.5克、1025克和1026克）時的理論判據(jù)，當中子星參數(shù)位于線以上時才可能發(fā)生耀發(fā)。
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