Астрономи вперше побачили народження магнетара — сильно намагніченого, обертового нейтронного зоряного тіла — і підтвердили, що саме він є джерелом енергії деяких із найяскравіших вибухових світил у космосі. Це відкриття підтверджує теорію, запропоновану фізиком із Каліфорнійського університету в Берклі 16 років тому, і встановлює нове явище у вибухових зорях: наднові зі «щебетом» у їхній кривій світла, який спричинений загальною теорією відносності.
Загадка суперсвітних наднових та теорія, що її пояснює
Суперсвітні наднові, які можуть бути у 10 і більше разів яскравішими за звичайні, бентежать астрономів від часу їхнього відкриття на початку 2000-х років. Вважається, що вони виникають унаслідок вибуху дуже масивних зір — можливо, у 25 разів масивніших за наше Сонце. Проте такі об’єкти залишаються яскравими значно довше, ніж можна було б очікувати під час колапсу залізного ядра зорі та викиду її зовнішніх шарів у космос.
У 2010 році науковці припустили, що довготривале світіння цих наднових забезпечує магнетар. Була запропонована теорія, згідно з якою масивна зоря, що колапсує, наприкінці життя стискає більшу частину своєї маси в дуже компактне нейтронне світило. Якщо зоря спочатку мала дуже сильне магнітне поле, воно посилювалося під час формування магнетара, створюючи поле у 100–1000 разів сильніше, ніж у звичайних обертових нейтронних зір — так званих пульсарів. Пульсари та їхні сильно намагнічені великі брати — магнетари — мають лише близько 10 миль у діаметрі, але в молодості можуть обертатися більш ніж 1000 разів на секунду.
Коли магнетар обертається, обертове магнітне поле може прискорювати заряджені частинки, які врізаються в уламки, що залишилися від розширюваної наднової, збільшуючи її яскравість. Вважається також, що магнетари є джерелом швидких радіосплесків.
Пояснення зв’язку через теорію відносності
Аспірант Джозеф Фарах з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі та Обсерваторії Лас Кумбрес (LCO) підтвердив зв’язок між магнетарами та надновими типу I надяскравих наднових (SLSNe-I) після аналізу даних наднової 2024 року, яку назвали SN 2024afav. У статті в журналі Nature Фарах та його колеги запропонували загальнорелятивістське пояснення для незвичайних виступів на кривій світлового потоку цієї наднової — того, що вони називають «чирпом», — що однозначно пов’язує її з магнетаром.
«Що справді захоплює, так це те, що це є остаточним доказом того, що магнетар утворюється внаслідок колапсу ядра надсвітної наднової, — сказав Алекс Філіппенко, почесний професор астрономії Каліфорнійського університету в Берклі, співавтор статті та один із майбутніх наставників Фараха. — Основою моделі Дана Касена та Стена Вууслі є припущення, що джерелом надлишкової енергії виступає магнетар, розташований глибоко всередині наднової. Значна частина цієї енергії поглинається речовиною вибуху, що й пояснює надзвичайну світність об’єкта. Однак досі не було прямих доказів того, що магнетар справді формується в центрі наднової. І саме це й демонструє стаття Джозефа».
Коливання яскравості наднової
Відколи SN 2024afav відкрили у грудні 2024 року, обсерваторія Лас Кумбрес — мережа з 27 телескопів по всьому світу — спостерігала за нею та вимірювала її яскравість протягом понад 200 днів. Зоря, що вибухає, перебувала приблизно за мільярд світлових років від Землі.
Фарах, працюючи з астрономом зі UCSB Енді Гауеллом, помітив, що після того, як яскравість досягла піку приблизно через 50 днів після вибуху, вона не поступово згасала, як звичайні наднові. Замість цього її яскравість повільно коливалася вниз, при цьому період коливань поступово скорочувався, створюючи серію з чотирьох «грап». Він порівняв це зі звуком, який поступово підвищується у частоті, нагадуючи спів пташки.
Раніше було відомо, що надяскраві наднові мали кілька «грап» на спадній ділянці кривої світності. Деякі дослідники інтерпретували їх як наслідок зіткнення ударної хвилі наднової з шарами газу, що накопичилися навколо зорі, тимчасово підсилюючи її світіння. Однак раніше ніхто не спостерігав одразу чотири таких «грапи».
Згідно з моделлю Фараха, частина матеріалу від вибуху SN 2024afav впала назад до магнетара, формуючи диск речовини, який називають акреційним. Оскільки матеріал навколо магнетара, ймовірно, не є симетричним, акреційний диск також не був би симетричним відносно обертової нейтронної зорі, що призводить до невідповідності осі обертання магнетара та осі обертання акреційного диска.
Оскільки загальна теорія відносності стверджує, що обертове тіло тягне за собою простір-час, обертовий магнетар створював би ефект, відомий як прецесія Лензе — Тіррінга, тобто це змусило б дисбалансний диск хитатися.
Коливний диск міг періодично блокувати й відбивати світло від магнетара, перетворюючи всю систему на миготливий космічний маяк. Час, необхідний для повторення цього явища, зменшується зі зменшенням радіуса диска, тому, коли диск рухається всередину до магнетара, він пришвидшується у коливаннях, змушуючи світло коливатися швидше під час його згасання, створюючи «щебет», спостережуваний телескопами на Землі.
«Ми перевірили кілька ідей, включаючи виключно ньютонівські ефекти та прецесію, зумовлену магнітними полями магнетара, але лише прецесія Лензе — Тіррінга відповідала часу ідеально, — сказав Фарах. — Це перший випадок, коли для опису механіки наднової знадобилася загальна теорія відносності».
Необхідність додаткової перевірки теорії
Астрономи також використали спостережувані дані, щоб оцінити період обертання нейтронної зорі — 4,2 мілісекунди — та магнітне поле, приблизно в 300 трлн разів сильніше за земне. Обидва показники є характерними ознаками магнетара.
Філіппенко застеріг, що висновок Фараха не означає, ніби всі надяскраві наднові живляться енергією магнетарів. Існує й альтернативна теорія, згідно з якою ударна хвиля від вибуху зорі взаємодіє з навколишнім матеріалом, тимчасово підсилюючи її яскравість. Ба більше, Касен припустив, що якщо колапс ядра зорі призводить до утворення чорної діри, вона також може підживлювати наднову, роблячи її яскравішою. Якщо ж при цьому формується зміщений акреційний диск, на кривій світності можуть виникати характерні виступи.
«Ми не знаємо, яка частина надяскравих наднових типу I може живитися взаємодією з навколозоряним матеріалом, але, безумовно, вона менша, ніж вважалося раніше, адже це відкриття чітко пояснює принаймні частину з них», — сказав Філіппенко.
Фарах очікує знайти ще десятки таких «щебетливих» наднових, коли обсерваторія Вери С. Рубін готуватиметься до запуску і почне найбільш комплексне дослідження нічного неба на сьогодні.
За матеріалами phys.org
