Magnetare und der Dynamo-Effekt

Magnetare (und Neutronensterne im Allgemeinen) benötigen keinen Dynamo, um ihre Magnetfelder zu erzeugen. Ihre Magnetfelder werden bei ihrer Entstehung „eingefroren“. Um wirklich zu verstehen, warum das so ist, muss man viel über Elektromagnetismus verstehen, aber ich kann es auf die Grundlagen reduzieren. Denken Sie daran, dass Neutronensterne höchst mysteriöse Objekte sind und wir nicht viele gute Beobachtungsbeweise hinter unseren Theorien haben, da sie so schwer zu finden und zu beobachten sind.

Neutronensterne (und Magnetare) sind Supraleiter (oder zumindest legen die meisten Theorien und objektiven Beweise nahe, dass dies der Fall ist ). Das bedeutet, dass es buchstäblich keinen Widerstand gegen die Bewegung elektrischer Ladungen gibt, die sich durch den Stern bewegen. Um darauf hinzuweisen, selbst wenn der gesamte Stern nur aus Neutronen bestünde (was Zibadawa Timmy betont, ist dies nicht der Fall ), hätten Sie immer noch Ladungen, da Neutronen selbst aus geladenen Teilchen bestehen. Da es keinen Widerstand gibt, können in jedem Fall keine elektrischen Felder innerhalb des Sterns existieren. Jedes auftretende Feld würde eine Kraft auf die geladenen Teilchen induzieren, die sich sofort bewegen könnten, um das Feld aufzuheben. Alle elektrischen Felder zerstören sich in einem Supraleiter sofort.

Wenn wir uns in Gleichungen der elektromagnetischen Theorie wagen, finden Sie die sehr nützliche Gleichung:

Ohne auf die Details dieser Gleichung einzugehen, ist die allgemeine Idee dahinter, dass elektrische Felder zu zeitveränderlichen Magnetfeldern führen und umgekehrt. Aber wir haben oben gerade gesagt, dass unser Neutronenstern supraleitend ist und daher keine elektrischen Felder hat. Das bedeutet, dass die linke Seite dieser Gleichung Null ist. Die rechte Seite stellt die Änderung des Magnetfelds im Laufe der Zeit dar, aber wir wissen, dass das jetzt Null sein muss, also sind wir gezwungen zu schließen, dass sich Magnetfelder in Neutronensternen (und Magnetaren) nicht ändern können. Sie werden am Entstehungsort eingefroren (wenn der Stern supraleitend wird).

Wir können einen Schritt weiter wagen und sagen, dass die Magnetfelder von Neutronensternen und Magnetaren einfach wegen der Erhaltung des magnetischen Flusses so stark sind. Das heißt, Sie haben einen riesigen Stern mit wenigen Sonnenmassen, der selbst ein massives Feld hat. Dieser Stern kollabiert dann zu einem Neutronenstern, aber dabei muss der Magnetfeldfluss durch seine Oberfläche erhalten bleiben. Der magnetische Feldfluss ist eine Funktion sowohl der Feldstärke als auch des Radius des Sterns. Da der Radius so stark abnimmt, muss die magnetische Feldstärke proportional zur Radiusabnahme (im Quadrat) zunehmen, um den Gesamtfluss zu kompensieren und gleich zu halten, an welchem ​​Punkt das Magnetfeld aufgrund der supraleitenden Natur fixiert wird der Stern.

Im Allgemeinen gibt es zwei Klassen von Erklärungen für die Magnetfelder von Neutronensternen: versteinerte Magnetfelder und aktive Magnetfelder (siehe hier für einen frühen Überblick über einige der internen Batteriemodelle).

Die "versteinerte" Feldtheorie - die meines Wissens allgemein anerkannt ist - besagt, dass die Magnetfelder von Neutronensternen Überbleibsel der Magnetfelder der Vorläufersterne sind. Dies erscheint plausibel, und einige (z. B. Spruit (2008) ) haben vorgeschlagen, dass die Supernova, die die Neutronensterne bildete, diese während des Kernkollaps mit außergewöhnlich starken Feldern ausgestattet und Magnetare zurückgelassen haben könnte. Das bedeutet Zephyr mit „eingefroren“: Die Magnetfelder bleiben gleich, nachdem der Stern zu einem Neutronenstern geworden ist.

Die "aktiven" Theorien - und ich verwende "aktiv" als nicht-technischen Begriff - gehen davon aus, dass Neutronensterne weiterhin Magnetfelder erzeugen. Dadurch können die Magnetfelder an Stärke zunehmen, was erklären kann, warum Magnetare außergewöhnlich starke Felder haben; Versteinerte Felder reichen möglicherweise nicht aus, um dies in allen Fällen zu erklären. Im Laufe der Jahre gab es mehrere Vorschläge für Änderungen von Magnetfeldern, von denen einige nicht mehr akzeptiert werden, andere jedoch noch möglich sind:

• Das Batteriemodell. Dies wurde ursprünglich als Mechanismus zur Erzeugung von Magnetfeldern in normalen Sternen vorgeschlagen. Es besagt, dass Elektronen innerhalb eines Sterns relativ zu den Ionen aufgrund unterschiedlicher Wirkungen des Gravitationsfelds und jeglicher Zentrifugalkraft leicht nach außen driften. Die entstehenden Drücke bewirken, dass sich die Elektronen ähnlich wie in einer Batterie bewegen, die ein Magnetfeld erzeugt.

  Wie Zephyr erwähnt, ist die wichtige Gleichung

  $$-\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}=\nabla\times\mathbf{E}$$ Beim Batteriemodell$\nabla\times\mathbf{E}$stellt sich als ungleich Null heraus, was bedeutet, dass sich das Magnetfeld dank thermischer Effekte tatsächlich ändern kann. Ich glaube jedoch, dass das Batteriemodell für Neutronensterne ausgeschlossen wurde. Die Berücksichtigung des Entartungsdrucks führt tatsächlich zu einem Verschwinden$\nabla\times\mathbf{E}$, und daher gibt es kein zeitlich veränderliches Feld.

• Der thermoelektrische Mechanismus. Dies ist eigentlich eine Variation des reinen Batteriemodells und nur in der Kruste des Neutronensterns anwendbar. Wenn ein radialer Wärmegradient ungleich Null und ein kleines Magnetfeld vorhanden sind, erzeugen Elektronen einen kleinen Druckgradienten, der wiederum ein entgegengesetztes thermoelektrisches Feld entstehen lässt – was zu einem Nicht-Null-Wert führt$\nabla \times\mathbf{E}$! Die genaue Gleichung ist $$\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}=\overbrace{\nabla\times\left(\mathbf{V}\times\mathbf{B}\right)}^{\text{Field convection term}}-\overbrace{\nabla Q_0\times\nabla T}^{\text{Battery term}}-\overbrace{\nabla\times\left[\frac{\nabla\times\mathbf{B}}{4\pi\sigma_0}\right]}^{\text{Ohmic decay term}}$$ Das thermoelektrische Modell ist viel besser als das herkömmliche Batteriemodell und lässt ein Anwachsen des Magnetfelds zu.
• Akkretion von einem Begleiter. Dies ist eine etwas neuere Idee, die nach Beobachtungen binärer Systeme an Zugkraft gewonnen hat (siehe eine Diskussion von Bhattacharya (1999) ). Materie von einem Begleitstern folgt den bereits bestehenden Magnetfeldlinien des Neutronensterns. Der Druck bewirkt, dass die Materie die Feldlinien entlang der Oberfläche des Neutronensterns "zieht", bis eine magnetische Wiederverbindung auftritt, wodurch das Feld unter der angesammelten Materie "abgeschirmt" wird. Dies schwächt das Feld tatsächlich und lässt es mit der Zeit zerfallen – was Beobachtungen einiger Neutronensterne entspricht. Instabilitäten machen es jedoch zu einer schwierigen Möglichkeit.