【漫画】能劈开光子，降低光速，它的磁场比万磁王还要强大10亿倍！

一、地球上磁场强度的极限

别看万磁王片酬很高，其实他产生的磁场并不算高。

根据物理定律，他的磁场再高也不会超过地磁场的 100 万倍。

这是因为，如果万磁王的磁场强度超过了地球磁场的 100 万倍，磁场产生的拉力就会超过万磁王能承受的极限，把万磁王撕成碎片。到那时候，万磁王自己就会变成

所以，在地球上，4.5×10⁵ 高斯是磁场强度的极限。要想让磁场超过这个极限，我们就得把目光投向宇宙深处。

二、超越万磁王10亿倍

天文学家认为，在宇宙深处，有一种天体能够产生10¹²~10¹⁵ 高斯的强大磁场，（最强时）比万磁王还要强大 10 亿倍，叫作磁星（Magnetar）。

这么强大的磁场，不但超过了地球的极限，甚至也超过了经典力学的极限，进入了量子力学的范围。根据计算，磁星的磁场可以产生四种神奇的量子力学现象。

三、磁星为什么不会把自己撕碎？

说到这儿你可能会问了，既然磁星的磁场这么强大，磁星为什么不会把自己撕碎呢？这就要说到磁星的本来面目：中子星。

中子是原子核里的一种粒子，它的尺寸比原子小得多。如果把你缩小到中子的大小，你会发现，原子内部其实很空旷，有大量空间可以装东西。

当一颗巨大的恒星死亡时，它就会在万有引力的作用下发生塌缩，把原子压碎，把电子压进原子核，和质子反应，变成中子，最终形成一颗直径不超过 20 千米的、不断高速自转的中子星。

所以说，磁星就是由一大堆密密麻麻的中子组成的。说白了，磁星本身就是一个巨型“原子核”。

所以，磁星为什么不会把自己撕碎？因为巨型“原子核”的材料非常坚硬，根本不怕撕。

四 、如何才能看到磁星？

说了这么多，我们怎样在哪儿能找到这么厉害的磁星呢？答案是很难，磁星的形成过程非常剧烈，导致周围烟雾弥漫，啥也看不见。

要想看到磁星，看起来似乎只有一个办法，那就是观察磁星发出的短伽马射线暴！

原来，在磁星强大的电场和磁场的作用下，磁星会沿着磁极以亚光速向外喷射大量物质，并发出大量的、穿透力极强的伽马射线。

如果站在地球上看，就像夜空中有人拿激光笔晃了晃地球的眼睛。可惜，磁星的这枚激光笔是一次性的，晃一次就没有了，而且持续时间不超过2秒钟。

那么问题来了，万一磁星的“激光笔”没有对准地球呢？根据天文学家的计算，天上的磁星应该有不少，可惜大部分磁星的“激光笔”都不会刚好对准地球。

难道我们真的很难发现它们的踪迹，只能任由它们在宇宙中飘荡吗？

五、激光笔没对准？还有手电筒！

2019 年 4 月 11 日，中国科学技术大学的薛永泉及郑学琛，和美国内华达大学张冰，北京大学李晔与紫金山天文台吴雪峰等人在《自然》杂志发表了一篇论文。

他们宣布，在没有观察到任何短伽马射线暴的情况下，他们在 66 亿光年外的一个星系边缘，发现了一颗大质量毫秒磁星。

那么，他们是通过什么办法发现这颗磁星的呢？答案是，探测磁星发出的 X 射线“手电筒”。

原来，在磁星形成以后，它不但会朝着一个很小的角度发射伽马射线，还会朝着一个很大的角度发射X射线。

由于磁星X射线的发射范围很广，它就比伽马射线更容易对准地球，从而被天文学家观测到。

如果站在地球上看，就像夜空中有人拿手电筒照地球的眼睛。

于是，研究团队在查看钱德拉 X 射线空间望远镜的数据时发现， 真的有人用这样的手电筒照过地球的眼睛：

2015 年 3 月，夜空中突然冒出来一个新的 X 射线源（XT2），它一直亮了 7 个小时，然后彻底熄灭。这叫作 X 射线暂现源。

研究团队发现，这个 X 射线暂现源有两个特点：

第一，在最初的半个小时内，它的亮度几乎不变（见下图）。这很符合磁星发射 X 射线“手电筒”的特点：

由于磁星会源源不断地将转动的动能传给磁场，再由磁场传给X射线，所以，X射线的亮度在爆发初期会保持不变。

第二，过了半小时以后，它的亮度突然快速下降，并且，下降的速度正好跟时间的平方呈反比。打个比方，这就相当于说，1分钟后，它的亮度降低1倍；2分钟后，它的亮度降低4倍；3分钟后，它的亮度降低9倍；以此类推（见下图）。

这也很符合磁星发射X射线“手电筒”的特点：随着磁星自转速度越来越慢，它向外传输的能量会越来越少，因此，X射线的亮度也越来越低。

最后，在综合各种观测数据，并结合各种相关理论模型后，研究团队指出：这场爆发中的X 射线，全部来自一颗磁星发射的X射线“手电筒”！这颗磁星就位于66亿光年外的一个星系的边缘。

而且，这不是一颗普通的磁星，而是转动速度很快（每秒几百圈）大质量磁星——它极有可能是由两颗高速绕转的中子星合并后形成的。

这次 XT2 的发现，让天文学家收获很大。

首先，它不但证明双中子星合并能够产生磁星，同时，它还帮助天文学家更为深入地了解了中子星的内部物质状态。研究团队指出，这颗大质量磁星既没有因为高速自转而散架，也没有立刻坍缩成黑洞，一是说明高速自转产生的离心力帮忙抵抗它自身的强大引力，二是说明它内部的物质足够硬（从而更善于抵抗自身引力），而且比许多理论模型想象的还要硬！

其次，它证明，即使伽马射线的“激光笔”没有对准地球，我们还是可以通过探测 X 射线“手电筒”来探测磁星。这种方法使得天文学家探测磁星变得容易许多！

在未来，天文学家希望通过这种方法，同引力波天线一起，共同探究更多中子星合并过程，进一步揭开神秘磁星的奥秘！

作者：Sheldon

绘制：Mirror、周源、黄呆

美指、对白：牛猫

排版：胡豆

鸣谢：薛永泉

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参考文献：

1. Y. Q. Xue, et. al., A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron star merger, Nature, 568, pages198–201 (2019).

2. C. Kouveliotou, et. al., Megnetar, Scientific American (2003).

3. E. Nakar, et. al., Short-hard gamma-ray bursts, Physics Reports 442 (2007) 166 – 236.

4. A. Rowlinson, et. al., Signatures of magnetar central engines in short GRB lightcurves, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2013) 430(2).

5. http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html

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