Dynamical stability of Magnetic Supramassive Neutron Stars

Neutronensterren zijn de dichtste objecten in het universum, de ingestorte kernen van massieve sterren die zijn geëxplodeerd. Een enkele theelepel van hun materiaal zou even veel wegen als een berg. Deze kosmische overblijfselen draaien ongelooflijk snel, soms honderden keren per seconde, en velen zijn doordrongen van magnetische velden die zo krachtig zijn dat ze een creditcard van halverwege ons zonnestelsel zouden kunnen wissen. Wanneer twee neutronensterren botsen, kunnen ze samensmelten tot één enkel, nog massiever object. Als deze nieuwe ster zwaar genoeg is om onder zijn eigen zwaartekracht in te storten, maar wordt tegengehouden door zijn snelle rotatie, wordt het een supramassieve neutronenster genoemd. Deze objecten zijn vluchtig en onstabiel; ze bestaan in een precair evenwicht tussen de verpletterende kracht van de zwaartekracht en de opwaartse druk van rotatie. Het begrijpen van hoe deze sterren zich gedragen, vooral wanneer hun magnetische velden op hun meest extreme zijn, helpt astronomen om de gewelddadige signalen te ontcijferen die ze door het kosmos sturen, van de rimpelingen in de ruimtetijd tot de flitsen van hoogenergetisch licht.

Een team van onderzoekers heeft nu krachtige supercomputers gebruikt om te simuleren wat er gebeurt wanneer deze supramassieve sterren worden blootgesteld aan magnetische velden met een sterkte van honderd quadriljoen Gauss. Om dit te doen, bouwden ze digitale modellen van deze sterren met behulp van de natuurwetten die ruimte, tijd en materie beheersen, en keken ze hoe deze door de tijd heen evolueerden. Ze begonnen met sterren die draaiden nabij de limiet van wat mogelijk is voordat ze uit elkaar zouden vliegen, en zij voegden magnetische velden toe variërend van de sterkte van een typische magnetar tot de extreme velden die verwacht worden direct na een stellaire botsing. Het doel was om te zien of deze magnetische krachten de sterren zouden helpen langer te overleven of dat ze hen over de rand zouden duwen naar een catastrofale ineenstorting.

De simulaties onthulden dat de magnetische velden binnen deze sterren niet statisch zijn; ze zijn chaotisch en voortdurend aan het veranderen. Aanvankelijk waren de magnetische velden opgezet in een eenvoudig, ordelijk patroon, maar deze arrangement is onstabiel. Binnen een fractie van een seconde begonnen de velden te verstrengelen en te draaien, waarbij ze zichzelf reorganiseerden in een complexe mix van lussen en spiralen. Dit proces vindt zo snel plaats dat het sneller is dan de tijd die de ster nodig heeft om een enkele rotatie te voltooien. Terwijl de magnetische velden draaiden, fungeerden ze als een kosmische rem, waarbij ze de snel draaiende kern van de ster grepen en deze vertraagden, terwijl ze tegelijkertijd de buitenste lagen versnelden. Dit creëerde een toestand waarin het centrum van de ster veel langzamer draaide dan het oppervlak, een conditie die bekend staat als differentiële rotatie.

Voor sterren die niet zwaar genoeg waren om onmiddellijk in te storten, leidde deze magnetische herschikking tot een nieuwe, stabiele toestand. De ster viel niet uit elkaar, noch stortte hij in tot een zwart gat. In plaats daarvan vestigde hij zich in een langdurige configuratie waarbij de kern en het oppervlak met verschillende snelheden draaden, op hun plaats gehouden door de magnetische spanningen. Echter, voor de sterren die al op de rand van ineenstorting stonden, fungeerden de magnetische krachten als de definitieve trigger. Door het impulsmoment weg te slepen van de kern, verwijderden de magnetische velden de ondersteuning die de kern ervan weerhield om in te storten. Dit zorgde ervoor dat de kern kromp en de ster veel sneller in een zwart gat stortte dan zonder de magnetische invloed.

Wanneer deze sterren ineenstortten, waren de resulterende zwarte gaten verrassend anders dan men zou verwachten. Hoewel de zwarte gaten sneller draaiden dan de oorspronkelijke sterren — sommige draaiden bijna vijftig procent sneller — bezaten ze feitelijk minder totale rotatie-energie. Dit komt omdat de gewelddadige ineenstorting en de magnetische velden een aanzienlijke hoeveelheid materie uit de ster hebben uitgestoten voordat deze verdween. Dit uitgestoten materiaal, dat een deel van de rotatie van de ster met zich meevoerde, voorkwam dat die energie door het nieuwe zwarte gat werd geabsorbeerd. De simulaties toonden aan dat dit uitgestoten materiaal winden vormde die voornamelijk rond de evenaar van de ster naar buiten stroomden, waarbij massa werd meegevoerd met snelheden van wel enkele zonnemassa's per seconde, hoewel de totale hoeveelheid die over de gesimuleerde tijd verloren ging een piepklein fractie van het totale gewicht van de ster was, in de orde van grootte van 10⁻³ zonnemassa's.

De studie benadrukte ook een cruciaal verschil tussen sterren met zwakkere magnetische velden en die met de extreme velden die worden gevonden bij de meest gewelddadige kosmische gebeurtenissen. In sterren met zwakkere velden waren de magnetische krachten te traag om de rotatie van de ster significant te verstoren, waardoor het magnetische veld in de loop van de tijd sterker kon worden zonder onmiddellijke ineenstorting te veroorzaken. In contrast hiermee ervoeren de sterren met de sterkste magnetische velden een snelle en turbulente reorganisatie die hen óf stabiliseerde in een nieuwe toestand, óf hun ondergang bespoedigde. De onderzoekers ontdekten dat het lot van deze sterren afhangt van een delicaat evenwicht tussen hoe snel ze draaien, hoe dicht ze zijn, en hoe sterk hun magnetische velden zijn. Als het magnetische veld sterk genoeg is en de ster dicht bij zijn maximale massalimiet ligt, kunnen de magnetische krachten de schaal doen doorslaan, waardoor een stabiele ster in een oogwenk in een zwart gat verandert.

Deze bevindingen bieden een nieuw perspectief op de levenscyclus van neutronensterren en de nasleep van hun botsingen. Ze suggereren dat de magnetische velden in deze objecten niet slechts passieve kenmerken zijn, maar actieve agenten die de structuur van de ster kunnen hervormen, de rotatie kunnen veranderen en bepalen of de ster overleeft of sterft. De simulaties bieden ook een potentiële verklaring voor bepaalde typen heldere, langdurige energieflitsen die in het universum worden waargenomen, die mogelijk worden aangedreven door deze nieuw gevormde, differentieel roterende sterren voordat ze uiteindelijk ineenstorten. Hoewel de computermodellen die in deze studie werden gebruikt beperkt zijn tot de eerste paar momenten van het leven van de ster, bieden ze een cruciaal inzicht in de complexe wisselwerking van krachten die de meest extreme omgevingen in het universum beheersen. Het werk onderstreept dat zelfs in het vacuüm van de ruimte magnetische velden krachtig genoeg kunnen zijn om het lot van een ster te herschrijven.