近日，國際科學期刊《皇家天文學會月刊》（MNRAS）發(fā)表了中國科學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，建立了磁星（magnetar）巨耀發(fā)的三維磁通量繩災變模型并得到了巨耀發(fā)產生的必要條件，為理解磁星的磁場驅動的爆發(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）和軟伽馬重復爆（SGR）。此類天體數量稀少，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下能否爆發(fā)，從而得到磁星產生巨耀發(fā)的一個理論判據。
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生的磁場分布，兩個典型情況如圖1所示。以此為基礎，分析了其受到洛倫茲力、磁張力和重力聯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)失去平衡產生災變的必要條件的一個簡單判據，即當特征參量η= GMm/(R4B2)<0.48時（G是牛頓引力常數，M是恒星質量，m是拋射物質量，R是恒星半徑，B是偶極磁場強度），系統(tǒng)才可能出現平衡失穩(wěn)從而產生爆發(fā)過程。該判據給出了磁星巨耀發(fā)產生的磁場下限，結合中子星的磁場與自轉周期的關系，得到了周期與周期變化率圖（如圖2所示）上磁星巨耀發(fā)產生的理論參數范圍，與觀測結果符合。此外，本方法以后也能嘗試應用到其它天體的磁場爆發(fā)過程。將其應用于太陽，可以獲得拋射物質量的理論上限為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）、國家自然科學基金委基礎科學中心項目（批準號：12288102）、中國科學院先導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生過耀發(fā)的磁星。三條藍色線給出了不同拋射物質量（實線、點虛線和虛線分別對應1024.5克、1025克和1026克）時的理論判據，當中子星參數位于線以上時才可能發(fā)生耀發(fā)。
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