Астрономы впервые увидели рождение магнетара — сильно намагниченного, вращающегося нейтронного звездного тела — и подтвердили, что именно он является источником энергии некоторых из самых ярких взрывных светил в космосе. Это открытие подтверждает теорию, предложенную физиком из Калифорнийского университета в Беркли 16 лет назад, и устанавливает новое явление во взрывных звездах: сверхновые со «щебетом» в их кривой света, вызванным общей теорией относительности.
Загадка суперсветных сверхновых и объясняющая ее теория
Суперяркие сверхновые, которые могут быть в 10 и более раз ярче обычных, озадачивают астрономов с момента их открытия в начале 2000-х годов. Считается, что они возникают в результате взрыва очень массивных звезд — возможно, в 25 раз массивнее нашего Солнца. Однако такие объекты остаются яркими значительно дольше, чем можно было бы ожидать во время коллапса железного ядра звезды и выброса ее внешних слоев в космос.
В 2010 году ученые предположили, что долгое свечение этих сверхновых обеспечивает магнетар. Была предложена теория, согласно которой массивная звезда, коллапсирующая в конце жизни, сжимает большую часть своей массы в очень компактное нейтронное светило. Если звезда изначально имела очень сильное магнитное поле, оно усиливалось во время формирования магнетара, создавая поле в 100–1000 раз сильнее, чем у обычных вращающихся нейтронных звезд — так называемых пульсаров. Пульсары и их сильно намагниченные большие братья — магнетары — имеют всего около 10 миль в диаметре, но в молодости могут вращаться более 1000 раз в секунду.
Когда магнетар вращается, вращающееся магнитное поле может ускорять заряженные частицы, которые врезаются в обломки, оставшиеся от расширяющейся сверхновой, увеличивая ее яркость. Считается также, что магнетары являются источником быстрых радиовсплесков.
Объяснение связи через теорию относительности
Аспирант Джозеф Фарах из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Обсерватории Лас Кумбрес (LCO) подтвердил связь между магнетарами и сверхновыми типа I сверхярких сверхновых (SLSNe-I) после анализа данных сверхновой 2024 года, которую назвали SN 2024afav. В статье в журнале Nature Фарах и его коллеги предложили общерелятивистское объяснение для необычных выступов на кривой светового потока этой сверхновой — того, что они называют «чирпом», — что однозначно связывает ее с магнетаром.
«Что действительно впечатляет, так это то, что это является окончательным доказательством того, что магнетар образуется в результате коллапса ядра сверхновой, — сказал Алекс Филиппенко, почетный профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли, соавтор статьи и один из будущих наставников Фараха. — Основой модели Дэна Касена и Стэна Вуусли является предположение, что источником избыточной энергии выступает магнетар, расположенный глубоко внутри сверхновой. Значительная часть этой энергии поглощается веществом взрыва, что и объясняет чрезвычайную светимость объекта. Однако до сих пор не было прямых доказательств того, что магнетар действительно формируется в центре сверхновой. И именно это и демонстрирует статья Джозефа».
Колебания яркости сверхновой
С момента открытия SN 2024afav в декабре 2024 года обсерватория Лас Кумбрес — сеть из 27 телескопов по всему миру — наблюдала за ней и измеряла ее яркость в течение более 200 дней. Взрывающаяся звезда находилась примерно в миллиарде световых лет от Земли.
Фарах, работая с астрономом из UCSB Энди Гауэллом, заметил, что после того, как яркость достигла пика примерно через 50 дней после взрыва, она не постепенно угасала, как обычные сверхновые. Вместо этого ее яркость медленно колебалась вниз, при этом период колебаний постепенно сокращался, создавая серию из четырех «гребней». Он сравнил это со звуком, который постепенно повышается в частоте, напоминая пение птицы.
Ранее было известно, что сверхяркие сверхновые имели несколько «грап» на нисходящем участке кривой светимости. Некоторые исследователи интерпретировали их как следствие столкновения ударной волны сверхновой со слоями газа, накопившимися вокруг звезды, временно усиливая ее свечение. Однако ранее никто не наблюдал сразу четыре таких «грапа».
Согласно модели Фараха, часть материала от взрыва SN 2024afav упала назад к магнетару, формируя диск вещества, который называют аккреционным. Поскольку материал вокруг магнетара, вероятно, не симметричным, аккреционный диск также не был бы симметричным относительно вращающейся нейтронной звезды, что приводит к несоответствию оси вращения магнетара и оси вращения аккреционного диска.
Поскольку общая теория относительности утверждает, что вращающееся тело влечет за собой пространство-время, вращающийся магнетар создавал бы эффект, известный как прецессия Лензе — Тирринга, то есть это заставляло бы дисбалансный диск колебаться.
Колеблющийся диск мог периодически блокировать и отражать свет от магнетара, превращая всю систему в мигающий космический маяк. Время, необходимое для повторения этого явления, уменьшается с уменьшением радиуса диска, поэтому, когда диск движется внутрь к магнетару, он ускоряется в колебаниях, заставляя свет колебаться быстрее во время его затухания, создавая «щебет», наблюдаемый телескопами на Земле.
«Мы проверили несколько идей, включая исключительно ньютоновские эффекты и прецессию, обусловленную магнитными полями магнетара, но только прецессия Лензе — Тирринга идеально соответствовала времени, — сказал Фарах. — Это первый случай, когда для описания механики сверхновой понадобилась общая теория относительности».
Необходимость дополнительной проверки теории
Астрономы также использовали наблюдаемые данные, чтобы оценить период вращения нейтронной звезды — 4,2 миллисекунды — и магнитное поле, примерно в 300 трлн раз сильнее земного. Оба показателя являются характерными признаками магнетара.
Филиппенко предупредил, что вывод Фараха не означает, что все сверхяркие сверхновые питаются энергией магнетаров. Существует и альтернативная теория, согласно которой ударная волна от взрыва звезды взаимодействует с окружающим материалом, временно усиливая ее яркость. Более того, Касен предположил, что если коллапс ядра звезды приводит к образованию черной дыры, она также может подпитывать сверхновую, делая ее ярче. Если же при этом формируется смещенный аккреционный диск, на кривой светимости могут возникать характерные выступы.
«Мы не знаем, какая доля сверхярких сверхновых типа I может питаться взаимодействием с околозвездным материалом, но, безусловно, она меньше, чем считалось ранее, ведь это открытие четко объясняет по крайней мере часть из них», — сказал Филиппенко.
Фарах ожидает найти еще десятки таких «щебечущих» сверхновых, когда обсерватория Веры С. Рубин будет готовиться к запуску и начнет самое комплексное исследование ночного неба на сегодняшний день.
По материалам phys.org
