中国科学院云南天文台在磁星巨耀发研究中获进展
近日，国际科学期刊《皇家天文学会月刊》（MNRAS）发表了中国科学院云南天文台太阳活动与CME研究团组与恒星物理研究团组的研究成果。该研究以太阳爆发CME理论为基础，建立了磁星（magnetar）巨耀发的三维磁通量绳灾变模型并得到了巨耀发产生的必要条件，为理解磁星的磁场驱动的爆发过程提供了新的视角。
磁星主要包含反常X 射线脉冲星（AXP）和软伽马重复爆（SGR）。此类天体数量稀少，目前一共探测到大约30多个，它们具有超强的磁场（B=1014-1015G）。SGR还会产生一些能量巨大、持续时间长的巨耀发。这种巨耀发释放的能量范围在1044- 1047尔格，是目前已知的宇宙中罕见的最剧烈的能量爆发事件之一。目前人们对巨耀发产生机制的具体细节了解较少，本工作建立了一个三维磁通量绳灾变模型来研究磁星巨耀发的磁能储存和释放过程，通过模型计算磁星在不同参数下能否爆发，从而得到磁星产生巨耀发的一个理论判据。
这项工作通过解析方式计算了穿过中子星表面的圆形磁通量绳产生的磁场分布，两个典型情况如图1所示。以此为基础，分析了其受到洛伦兹力、磁张力和重力联合作用时的平衡情况，以及研究了在中子星背景偶极磁场变化时平衡的稳定性。该研究得到了系统失去平衡产生灾变的必要条件的一个简单判据，即当特征参量η= GMm/(R4B2)<0.48时（G是牛顿引力常数，M是恒星质量，m是抛射物质量，R是恒星半径，B是偶极磁场强度），系统才可能出现平衡失稳从而产生爆发过程。该判据给出了磁星巨耀发产生的磁场下限，结合中子星的磁场与自转周期的关系，得到了周期与周期变化率图（如图2所示）上磁星巨耀发产生的理论参数范围，与观测结果符合。此外，本方法以后也能尝试应用到其它天体的磁场爆发过程。将其应用于太阳，可以获得抛射物质量的理论上限为1017克与观测相符。
该研究由云南天文台太阳活动与CME研究团组蒙盈助理研究员、林隽研究员与恒星物理研究团组张钱生副研究员合作完成，得到了国家重点研发项目（批准号：2022YFF0503804， 2021YFA1600400/2021YFA1600402）、国家自然科学基金委基础科学中心项目（批准号：12288102）、中国科学院先导B项目（批准号：XDB 41000000）等项目的支持。
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图1：磁通量绳存在时，星表面附近的磁场分布。紫色圆球表示星，蓝色线表示磁轴，红色线表示磁通量绳，黄色线为磁力线，黑色线为绳附近的磁力线。左图和右图分别显示了磁通量绳垂直和平行于磁轴的两种情况。
图2：中子星的周期与周期变化率的分布，黑色点是普通中子星，红色点是磁星，绿色五角星是观测到产生过耀发的磁星。三条蓝色线给出了不同抛射物质量（实线、点虚线和虚线分别对应1024.5克、1025克和1026克）时的理论判据，当中子星参数位于线以上时才可能发生耀发。
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