Астрономы впервые стали свидетелями рождения магнетара — нейтронной звезды с чудовищным магнитным полем

Астрономы впервые стали свидетелями рождения быстро вращающейся, сильно намагниченной нейтронной звезды, или «магнетара».

Наблюдение этого события, вызванного гибелью массивной звезды, подтверждает связь между образованием магнетаров и сверхъяркими вспышками сверхновых. Такие сверхсветящиеся сверхновые могут быть в десять раз ярче и длиться намного дольше, чем типичные взрывы сверхновых, которые происходят, когда массивные звезды истощают запасы ядерного топлива и подвергаются гравитационному коллапсу, или «коллапсу ядра», в результате которого рождаются нейтронные звезды или черные дыры.

Практически с момента их первого обнаружения в начале 2000-х годов ученые теоретически предполагали, что рождение магнетаров, обладающих самыми мощными магнитными полями в известной Вселенной, связано со сверхсветящимися сверхновыми, но неопровержимых доказательств этой связи не хватало.

«Что действительно захватывает, так это то, что мы получили неопровержимое доказательство образования магнетара в результате коллапса ядра сверхсветящейся сверхновой», — заявил в своем заявлении член команды исследователей Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли.

Теория, связывающая магнетары и сверхсветящиеся сверхновые, была впервые предложена Дэном Кейсеном и Ларсом Бильдстеном из UC Berkeley, а также независимо Стэнфордом Вусли из UC Santa Cruz. Она предполагает, что когда звезда, обладающая мощным магнитным полем и массой примерно в 25 раз превышающей массу Солнца, коллапсирует, ее магнитное поле усиливается. В результате получается магнетар с магнитным полем в 100–1000 раз сильнее, чем у «стандартной» нейтронной звезды.

Коллапс ядра массивной звезды до ширины около 12 миль (20 километров) имеет и другое последствие. Подобно тому, как фигуристка на Олимпийских играх прижимает руки к телу, чтобы увеличить скорость вращения, резкое уменьшение диаметра нейтронной звезды ускоряет ее вращение.

В результате некоторые новорожденные нейтронные звезды могут вращаться со скоростью 700 раз в секунду и более. Эти объекты могут испускать пучки излучения из своих полюсов, которые проносятся по Вселенной, как свет от космического маяка. В таких случаях нейтронные звезды и магнетары называют пульсарами.

Когда магнетары быстро вращаются, их вращающиеся магнитные поля ускоряют частицы, а затем выбрасывают их в вещество, сброшенное звездой-прародительницей во время взрыва сверхновой. Это заставляет данные обломки увеличивать свою яркость.

Команда исследователей подтвердила эту связь, когда проанализировала данные сверхновой, обнаруженной в 2024 году и обозначенной как SN 2024afav. Это исследование выявило странные «чирпы» (частотные модуляции) в кривой блеска этой сверхновой, которые указывают на релятивистские эффекты, вызванные магнетаром, предсказанные общей теорией относительности.

«Основа модели Дэна Кейсена и Стэна Вусли заключается в том, что все, что нужно — это энергия магнетара в глубине, и добрая ее часть поглотится, и это объяснит, почему объект сверхсветящийся», — сказал Филиппенко. «Чего не было продемонстрировано, так это того, что магнетар действительно образовался в центре сверхновой».

Исследователь добавил, что это именно то, что, наконец, демонстрирует данное исследование, опубликованное в среду (11 марта) в журнале Nature.

«В течение многих лет идея магнетара казалась почти волшебным трюком теоретиков — спрятать мощный двигатель за слоями обломков сверхновой. Это было естественным объяснением необычайной яркости этих взрывов, но мы не могли увидеть это напрямую», — сказал Кейсен. «Чирп в сигнале этой сверхновой подобен тому, как этот двигатель отдергивает занавес и показывает, что он действительно там есть».

Окончательное доказательство

Впервые обнаруженная сетью из 27 телескопов обсерватории Лас-Кумбрес в декабре 2024 года, яркость SN 2024afav отслеживалась астрономами в течение 200 дней. Что заметила команда, так это то, что эта сверхновая, вспыхнувшая на расстоянии около миллиарда световых лет от Земли, не угасала постепенно, как типичная сверхновая.

Достигнув пика на 50-й день, яркость SN 2024afav постепенно колебалась вниз, с серией из четырех заметных «всплесков» яркости, которые напоминают звук, увеличивающийся по частоте. Поэтому эти особенности и назвали чирпами.

Подобные всплески наблюдались в кривых блеска и других сверхновых, и ученые связывали их с ударными волнами, исходящими от центрального звездного тела и сталкивающимися с ранее выброшенным материалом. Однако ни одна предыдущая сверхновая не демонстрировала целых четыре таких чирпа.

Эта команда теоретизирует, что материал от взрыва, наблюдаемого как SN 2024afav, на самом деле упал обратно на центральный магнетар после того, как был выброшен, образовав вращающееся сплющенное облако, называемое аккреционным диском, вокруг этого мощного звездного остатка.

Поскольку материал, выброшенный при взрыве сверхновой, вряд ли является симметричным, аккреционный диск также, вероятно, несимметричен. Это приводит к тому, что ось вращения магнетара и ось вращения аккреционного диска не совпадают.

Теория гравитации Эйнштейна, известная как общая теория относительности, предполагает, что когда объекты большой массы вращаются, они увлекают за собой саму ткань пространства, процесс, называемый «увлечением инерциальных систем отсчета» или эффектом Лензе-Тирринга. Этот эффект заставил бы аккреционный диск колебаться, а колеблющийся диск периодически то блокировал бы свет от магнетара, то отражал бы его. Это создает стробоскопический эффект, превращающий всю систему в космический «маяк».

По мере того как диск сжимается и падает на магнетар, скорость этих колебаний увеличивается, что и порождает чирпы, наблюдаемые в кривой блеска SN 2024afav.

«Мы протестировали несколько идей, включая чисто ньютоновские эффекты и прецессию, вызванную магнитными полями магнетара, но только прецессия Лензе-Тирринга идеально совпала по времени», — сказал ведущий автор статьи Джозеф Фара из Калифорнийского университета в Беркли. «Это первый случай, когда общая теория относительности потребовалась для описания механики сверхновой».

Команда также смогла определить, что этот центральный объект вращается со скоростью около 238 раз в секунду и обладает магнитным полем примерно в 300 триллионов раз мощнее, чем магнитное поле Земли, подтверждая, что это магнетар. Это то самое неопровержимое доказательство, которое астрономы искали, чтобы связать магнетары и сверхсветящиеся сверхновые.

«Он [ведущий автор Джозеф Фара] связал всплески с моделью магнетара и объяснил все с помощью самой проверенной теории в астрофизике — общей теории относительности. Это невероятно элегантно», — добавил Филиппенко. «Видеть явный эффект общей теории относительности Эйнштейна всегда захватывающе, но видеть его впервые в сверхновой особенно приятно».