Els magnetars són la font dels camps magnètics més forts de l’Univers?

Els magnetars són estrelles de neutrons, com els púlsars, amb els camps magnètics més elevats de l’univers conegut. Es creu que estan associats a les explosions de supernoves i de hipernoves. S'acaba de trobar una nova explicació sobre l'origen enigmàtic dels seus camps magnètics i va en aquesta direcció.

Imatge artística d'un magnetar. Crèdit: NASA

Influenciat per l’obra de Fred Zwicky, Walter Baade i sobretot el brillant físic rus Lev Landau, el físic Robert Oppenheimer –el futur pare de la bomba atòmica– havia posat les bases el 1939 en què es basen les teories de les estrelles de neutrons i la de la l'esfondrament gravitatori que va provocar la formació d'un forat negre van ser elaborades a finals dels anys 1950 i principis de la dècada de 1960. Es tracta d'articles escrits en col·laboració amb els seus estudiants en aquell moment: "On Massive Neutron Cores", amb Georges Volkoff, i "On Continued Gravitational Contraction", amb Hartland Snyder.

Recordem que, per si mateixes, les estrelles de neutrons són el residu de l’enfonsament gravitatori d’una part de la matèria d’una estrella massiva que esclata en supernova tipus SN II. Això requereix que la seva massa superi entre 8 i 10 masses solars. A grans trets, el col·lapse de la part de l'estrella que no és explotada per l'explosió, principalment el seu nucli de ferro, porta els protons i els electrons a combinar-se per transformar-se en neutrons i això produeix fins i tot un flux de neutrins molt energètic. Obtenim llavors, estrelles que poden contenir tota la massa del Sol en una esfera de només unes desenes de quilòmetres de diàmetre.

Magnetars, peculiars estrelles de neutrons

Estem lluny d’entendre tot sobre el procés del seu naixement i ens continuem preguntant sobre l’estat de la matèria nuclear a les seves profunditats, de manera que aquestes estrelles encara conserven gran part del seu misteri. Sabem el mateix que els púlsars de les estrelles de neutrons que giren i ho sabem gràcies a l’auge de l’astronomia gravitacional, amb motiu de l’espectacular anunci de la detecció per part de LIGO i VIRGO de la font d'ones gravitacionals GW170817, que en col·lisions entre dues estrelles de neutrons associades en un sistema binari es produeixen ràfegues curtes de raigs gamma.

No obstant això, el 1992, l'inventari d'estrelles de neutrons es va expandir quan els astrofísics Robert Duncan i Christopher Thompson van postular l'existència dels anomenats magnetars per explicar algunes fonts esporàdiques, particularment intenses de rajos X i raigs gamma, descoberts des de finals de la dècada de 1970. Avui es coneixen una trentena de magnetars a la Via Làctia i sembla que són estrelles de neutrons amb un camp magnètic especialment elevat. Tot i això, les mesures fetes a aquestes estrelles inusuals són les més altes de l’univers observable conegut i que de vegades són fins a 1.000 vegades més intenses que les de les estrelles clàssiques de neutrons que ja són formidables. Es calcula així que els magnetars tenen un camp magnètic dipolar, de forma anàloga a la revelada per les llimadures de ferro al voltant d’un imant, de l’ordre de 10¹⁵ Gauss (G), mentre que a la Terra la seva intensitat varia entre 0,25 i 0,65 Gauss i el del camp magnètic d’un imant en un refrigerador és d’uns 50 Gauss. Les intensitats de 1.500 Gauss es mesuren de mitjana per a taques solars.

 L’anàleg del geodinamisme en magnetars?

Com tenir en compte la intensitat colossal dels camps magnètics dels magnetars? Diverses explicacions són possibles. Però avui, un article publicat a la revista Science Advances, realitzat per un equip franco-alemany dirigit per Raphaël Raynaud del Departament d'Astrofísica de CEA-IRFU / Laboratoire AIM i que es pot llegir a arXiv, afirma que aquests astrofísics van realitzar les primeres simulacions numèriques, que descriuen com la gènesi dels camps magnètics dels magnetars es va poder produir durant els primers segons després de la seva formació.

Clic per engrandir. Representació 3D de les línies de camp magnètic a la zona convectiva
dins de l'estrella de neutrons. Els moviments convectius estan representats per les
superfícies blaves (que corresponen a moviments cap a dins) i vermelles (cap a fora).
A l'esquerra, el nou tipus de dinamo que apareix per a rotacions ràpides (períodes
d'uns quants mil·lisegons) i el camp magnètic dipolar del qual arriba a 10 15 G. A la
dreta, per a rotacions més lentes, el camp magnètic té una intensitat de fins a deu
vegades inferior. © Raphaël Raynaud, Jérôme Guilet, Christian Gouiffès 

Aquest resultat es va obtenir transposant i adaptant els models digitals del geodinamisme terrestre al cas de les estrelles de neutrons i implementant els algoritmes al supercomputador Occigen del Centre Nacional d’Informàtica per a l’Educació Superior (CINES). Sabem que en el cas del nostre planeta blau, el camp magnètic prové, efectivament, d’una dinamo auto-excitatriu originada en l’aliatge líquid ferro-níquel en convecció turbulenta en el marc giratori de referència de la Terra i en el seu nucli. El fenomen també es reprodueix al laboratori, com ha demostrat l'experiment VKS. Una dinamo similar però amb el plasma de dins del Sol genera el seu camp magnètic global.

Les simulacions mostren que al principi del seu naixement, l'interior d'una estrella de neutrons també és convectiu i que es genera un camp magnètic de manera similar al de la Terra amb una intensitat tant important com quan la estrella mare de l'estrella de neutrons girava ràpidament. En aquestes simulacions, hi ha inestabilitats que conduiran en pocs segons a una amplificació exponencial del camp magnètic ja posseït per l'estrella abans del seu col·lapse, fins a assolir valors de 10¹⁶ Gauss. Els magnetars naixerien, doncs, a partir d’estrelles massives en ràpida rotació.

Magnetars de mil·lisegons darrere de les llargues explosions de raigs gamma?

Tot això és molt interessant, segons expliquen Raphaël Raynaud, Jérôme Guilet i Christian Gouiffès en un comunicat de premsa del CEA. Aquest resultat obre perspectives per comprendre entre els alliberaments d’energia més potents coneguts en el cosmos observable per a les estrelles, és a dir, explosions d’hipernoves en associació com es pensa amb les fonts gamma llargues i, en particular, les supernoves superlluminoses que emeten cent vegades més llum que una supernova habitual, però sense que es produeixin ràfegues.

Darrere d’aquests esdeveniments, expliquen els tres investigadors, s’amagaria la formació de “magnetars de mil·lisegons”, per tant magnetars de nova formació, amb dinamo convectiva, i els períodes de rotació dels quals serien de l’ordre d’un mil·lisegon. La potència de l'explosió provindria del fet que amb els camps magnètics d'aquests púlsars extrems, hi hauria una extracció eficient i ràpida de l'energia de rotació d'aquests magnetars de mil·lisegons. Però fins ara no hem pogut generar els valors de camp magnètic necessari, com a mínim de 10¹⁵ Gauss, cosa que es farà ara.

Ho he vist aquí.