Dynamical stability of Magnetic Supramassive Neutron Stars

中子星是宇宙中最致密的物体，是质量巨大的恒星在爆炸后坍缩形成的内核。其物质仅一茶匙的重量就相当于一座山脉。这些宇宙残骸旋转得极其迅速，有时每秒钟旋转数百次，而且许多中子星都缠绕着极其强大的磁场，其强度足以从半个太阳系之外就抹除一张信用卡。当两颗中子星发生碰撞时，它们可以合并成一个更巨大的单一天体。如果这个新生成的恒星足够重，以至于会在自身引力下坍缩，但又被其快速旋转所支撑，它就被称为超大质量中子星。这些天体是转瞬即逝且不稳定的；它们存在于引力的压碎力量与旋转的向外推力之间一种微妙且危险的平衡之中。了解这些恒星的行为方式，尤其是当它们的磁场处于最极端状态时，有助于天文学家解码它们向宇宙中发出的剧烈信号，包括时空的涟纹和高能光线的闪烁。

一支研究团队现在利用强大的超级计算机，模拟了当这些超大质量中子星受到高达一百千万亿高斯的磁场作用时会发生什么。为此，他们利用支配空间、时间和物质的物理定律构建了这些恒星的数字模型，并观察它们随时间的演化过程。他们最初使用的恒星是在即将因离心力而解体前的旋转极限附近旋转的，并为它们注入了强度从典型磁星到恒星碰撞后预期极值范围内的磁场。其目标是观察这些磁力是有助于恒星生存得更久，还是会将它们推向灾难性坍缩的边缘。

模拟结果显示，这些恒星内部的磁场并非静态的，而是混乱且不断变化的。最初，磁场是以一种简单、有序的模式设置的，但这种排列是不稳定的。在不到一秒钟的时间内，磁场就开始纠缠和扭曲，重新组织成由环路和螺旋组成的复杂混合体。这一过程发生得如此之快，甚至快于恒星完成单次自转的时间。随着磁场的扭曲，它们像是一个宇宙制动器，抓住了恒星快速旋转的核心并使其减速，同时加速了恒星的外层。这创造了一种状态，即恒星的中心旋转速度远低于表面，这种状态被称为差分旋转。

对于那些尚未重到会立即坍缩的恒星，这种磁场重组导致了一种新的稳定状态。恒星既没有解体，也没有坍缩成黑洞。相反，它进入了一种长寿命的构型，其中核心和表面以不同的速率旋转，并由磁应力维持平衡。然而，对于那些已经处于坍缩边缘的恒星，磁力成为了最后的触发因素。通过将角动量从核心中抽离，磁场移除了原本支撑恒星中心不被压碎的力量。这导致核心收缩，并使恒星比没有磁场影响时更快地坍缩成黑洞。

当这些恒星发生坍缩时，产生的黑洞与人们预期的截然不同。尽管这些黑洞的旋转速度比原始恒星更快——有些甚至旋转快了近百分之五十——但它们的总自转能量实际上却更低。这是因为剧烈的坍缩和磁场在恒星消失之前喷射出了大量的物质。这些被抛射出的物质带走了部分恒星的自转，从而阻止了这些能量被新生成的黑洞吸收。模拟显示，这些被抛射出的物质形成了主要在恒星赤道周围流动的风，其质量流失率高达每秒几个太阳质量，尽管在模拟时间内损失的总量相对于恒星的总重量而言只是一个微小的比例，约为 $10^{-3}$ 个太阳质量。

该研究还强调了具有较弱磁场的恒星与拥有最剧烈宇宙事件中所见极端磁场的恒星之间的关键区别。在磁场较弱的恒星中，磁力作用过慢，不足以显著破坏恒星的旋转，从而允许磁场在不引起立即坍缩的情况下随时间增强。相比之下，拥有最强磁场的恒星经历了快速且湍流式的重组，要么使它们稳定在一种新状态中，要么加速了它们的毁灭。研究人员发现，这些恒星的命运取决于旋转速度、密度以及磁场强度之间的一种微妙平衡。如果磁场足够强且恒星接近其最大质量极限，磁力就会打破平衡，在眨眼之间将一颗稳定的恒星变为黑洞。

这些发现为中子星的生命周期及其碰撞后的过程提供了新的视角。它们表明，这些天体中的磁场不仅仅是消极存在的特征，更是能够重塑恒星结构、改变其自转并决定其生存或死亡的主动媒介。模拟还为宇宙中观察到的某些明亮且持久的能量闪光提供了一个潜在的解释，这些闪光可能正是由这些新生成的、处于差分旋转状态的恒星所驱动，直到它们最终坍缩。虽然本研究使用的计算机模型仅限于恒星生命的最初几秒钟，但它们为理解支配宇宙中最极端环境的复杂相互作用力提供了一个至关重要的窗口。这项工作强调了即使在真空的太空中，磁场也强大到足以改写一颗恒星的命运。