¿Por qué las estrellas de neutrones tienen campos magnéticos tan potentes?

Question

La fuerza magnética de estos objetos es demasiado baja según la conservación del flujo de la estrella original y, sin embargo, demasiado alta para una composición de neutrones principalmente. ¿Se debe realmente a algún efecto cuántico?

Answer 1

Se trata, en efecto, de un problema desconcertante y no del todo resuelto. Se solía afirmar que la conservación del flujo por sí sola podía conducir a campos de orden $10^9$ T que se deduce que están presentes en las superficies de muchos púlsares de rotación rápida (y presumiblemente jóvenes). Una estrella de 10 masas solares en la secuencia principal tiene un radio de unas 10 veces el del Sol, digamos $10^{10}$ m. Si se colapsa hasta un radio de $10^{4}$ m entonces la conservación del flujo podría llevar a un factor de amplificación del campo de $\sim 10^{12}$ . Esto requeriría entonces campos medios de alrededor de $10^{-3}$ T (o 10G si se prefiere) en estas estrellas de la secuencia principal.

Este tipo de fuerza de campo B en las estrellas de la secuencia principal de gran masa es plausible y, por tanto, un "campo fósil" colapsado con conservación de flujo podría explicar una buena fracción de púlsares, pero ahora hay una nueva clase de púlsares conocidos como imanes que tienen campos hasta 100 veces más fuertes que la mayoría de los púlsares. Los campos medios progenitores requeridos de 0,1T rara vez se observan en estrellas normales de la secuencia principal de alta masa (por ejemplo Petit et al. 2006 ). Además, el modelo del "campo fósil" tiene el problema de que la estrella de neutrones sólo contiene alrededor del 15% de la masa del progenitor, por lo que es poco probable que posea todo el flujo. Además, si esos fuertes campos interiores estuvieron presentes durante la evolución de la estrella antes de la supernova, parece poco probable que el núcleo en colapso pueda girar a las rápidas velocidades observadas, porque el acoplamiento magnético a la envoltura transferiría el momento angular (por ejemplo, véase Spruit 2007 ).

Por estas razones, las numerosas vías recientes de exploración teórica se han centrado en algún tipo de mecanismo de generación de campo magnético (una dinamo magnética o a través de inestabilidades magneto-rotacionales impulsadas por la rotación diferencial) que ocurre durante el colapso del núcleo y que posiblemente actúa dentro de la propia estrella de proto-neutrones muy caliente (véase, por ejemplo Thompson y Duncan 1993 ; Mastrano y Melatos 2011 ).

Dicho esto, la idea del "campo fósil" no está muerta. Magnetars hacer giran más lentamente que la mayoría de los púlsares "normales" de edad similar y puede ser que son nacido de estrellas que sí tienen campos magnéticos inusualmente fuertes (por ejemplo Ping et al. 2019 ; véase también este popular artículo ). Otra idea es que un "campo fósil" podría ser potenciado por el paramagnetismo. Peng et al. (2006) sugieren que los neutrones superfluidos en el $^3P_2$ estado podría aumentar el campo inicial en factores de $\sim 1000$ cuando el interior de la estrella de neutrones se enfría lo suficiente como para permitir la formación de pares de neutrones superfluidos. En una línea similar, Peng et al. (2007) sugieren el paramagnetismo del gas de electrones degenerado en el interior de la estrella de neutrones, lo que resulta en amplificaciones de campo de $\sim 100$ . Ninguno de estos dos últimos trabajos parece considerar que el campo pueda ser excluido del interior de la estrella de neutrones por el efecto Meissner debido a los protones superfluidos.

Answer 2

Las estrellas de neutrones están formadas principalmente por neutrones, aunque hay una pequeña cantidad de otras cosas (como protones y electrones) que crean un momento magnético. Además, una parte del campo magnético inicial podría añadirse al campo magnético de la estrella de neutrones, lo que daría lugar a un potente campo magnético de la estrella de neutrones.