科学家知道了等离子是如何通过中子星的疯狂磁场爆炸

物理学家的新计算使我们更加了解物质如何落到中子星上，以发射出强大的X射线爆炸。

如果足够的等离子体在引力作用下从双星伴星吸引到死星，那么它的质量足以迫使其穿过中子星强大磁场所形成的屏障，从而到达中子星大气层。

这是长期未解决的中子星积聚和X射线耀斑之谜的重要组成部分。这一发现可以帮助我们更好地了解等离子体在磁场中的行为——这可能适用于地球上此处的等离子体聚变的发展。

普林斯顿等离子体物理实验室的等离子体物理学家罗素·库尔斯鲁德（Russell Kulsrud）说：“这项研究始于抽象的问题。”

“来自伴星的物质如何突破中子星的强大磁场产生X射线，是什么引起这些场中观察到的变化？”

中子星是宇宙中最稠密的天体之一。当质量一定的恒星（介于太阳质量的8到30倍之间）到达其主要序列寿命的末端并死亡时，就会发生这种情况。

外层恒星的物质在超新星爆炸中被吹走，而恒星的核心在引力作用下坍塌，形成了一个紧凑的超致密的球体，它将在数百万年的时间里不再发光——保持其发光的唯一要素是余热。

当我们说到天体密度时，黑洞的密度能与中子星媲美（如果前兆恒星的质量超过30个太阳质量，则黑洞将塌陷）。一个中子星大约是太阳质量的1.5倍，堆积在大约10公里（6.2英里）的范围内。

这些极端的天体悬挂在太空中，通常具有比地球强大一万亿倍的磁场。有时，它们由双星伴星陪伴，距离很近，中子星可以捕获并从伴星体的大气中积聚物质。

发生这种情况时，物质形成圆盘，向下馈入中子星，并在引力作用下加速时获取能量。这种能量以X辐射的形式逸出，通常集中在中子星极的圆柱或热点中。我们知道这种情况会发生；我们已经观察到了。但是，等离子体如何穿过磁场的问题仍然存在。

库尔斯鲁德解释说：“当新冠大流行开始，每个人都被困在家中时，我决定采用中子星的模型并研究一些问题。”

他和他的同事，德国马克斯·普朗克天体物理学研究所的天体物理学家拉希德·苏尼亚耶夫（Rashid Sunyaev）进行了数学建模，以弄清等离子体是固定在磁场上并拖动磁场，还是设法滑过磁场，使其保持完好无损。

根据他们的计算，是后者。如果下降的等离子体的质量足够高，它将对磁场施加引力。这会在磁场强度中产生级联的波动，从而导致不稳定，从而使等离子体无法通过。

一旦等离子体在另一侧，它就会沿着中子星的漏斗状磁力线输送到极点，在极点上积聚到中子星上。

根据该模型，积聚在磁极上的等离子体变得太重而无法支撑在表面上，并沉入中子星内部。极点上的附加内部压力会扭曲磁场。随着时间的流逝，压力使进入的等离子体扩散到中子星的整个表面上，从而产生全局X射线。

“中子星表面的附加质量会使星体磁场的外部区域变形。”库尔斯鲁德说， “如果您正在观察恒星，您应该看到磁场发出的辐射将逐渐变化。事实上，这就是我们所看到的。”

研究小组指出，他们的推测不太可能适用于所有中子星，因为他们对不稳定性的处理是近似的。但是，这些发现确实预测了磁场随时间变化的形状以及最终结果。

在数万年的过程中，中子星将以每年约一毫米的速度逐渐增加其质量和半径，最终使其磁场达到稳定状态。

数学可以在托卡马克聚变反应堆的开发中应用，该反应堆利用磁场限制等离子体。

“尽管这项研究没有直接应用于聚变能的发展，但物理学是平行的，”库尔斯鲁德说，“通过托卡马克，世界各地使用的甜甜圈状聚变设施进行的能量扩散，类似于物质在中子星磁场中的扩散。”

该研究已发表在《等离子体物理学》杂志上。