Впервые запечатлено рождение магнетара

Астрономам впервые удалось наблюдать рождение магнетара — нейтронной звезды с мощнейшим магнитным полем — и подтвердить, что именно он служит источником энергии для некоторых самых ярких взрывающихся звезд в космосе. Открытие описано в журнале Nature, и оно полностью подтверждает выдвинутую 16 лет назад теорию.

Сверхъяркие сверхновые, которые могут быть в 10 и более раз ярче обычных, ставили ученых в тупик с момента их открытия в начале 2000-х. Считалось, что они возникают в результате взрыва очень массивных звезд, возможно, в 25 раз тяжелее нашего Солнца, но загвоздка в том, что они остаются яркими гораздо дольше, чем можно ожидать. В 2010 году Дэн Кейсен, ныне астрофизик-теоретик и профессор в Калифорнийском университете в Беркли, предположил, что длительное свечение обеспечивает магнетар.

Теория, которую кроме него независимо выдвигали и другие специалисты, предполагает, что при коллапсе в нейтронную звезду ее вращение ускоряется до 1000 оборотов в секунду, магнитное поле, и до того неслабое, усиливается и разгоняет заряженные частицы. Сталкиваясь с остатками расширяющейся сверхновой, те увеличивают ее яркость, порождая заодно быстрые радиовсплески.

Далекая сверхновая

Наблюдения за сверхновой SN 2024afav показали, что она не только светилась дольше обычного, но и угасала своеобразными учащающимися вспышками, которые ученые назвали «щебетом» по аналогии с частотной модуляцией сигнала.

«Мы получили неоспоримое доказательство формирования магнетара в результате коллапса ядра сверхъяркой сверхновой. Основа модели Дэна Кейсена в том, что все, что нужно — это энергия магнетара в глубине, и добрая ее часть поглощается, что и объясняет сверхъяркость. Не удавалось показать, что магнетар действительно формируется в центре сверхновой. Именно это и демонстрирует наша работа», — доволен профессор Алекс Филиппенко из Беркли, один из авторов исследования.

«Годами идея магнетара казалась почти фокусом теоретиков — спрятать мощный двигатель за слоями остатков сверхновой. Это было естественным объяснением необычайной яркости этих взрывов, но мы не могли увидеть его напрямую. "Щебет" в сигнале этой сверхновой — словно этот двигатель сам приоткрыл завесу тайны, показав, что он действительно существует», — добавляет Кейсен.

После того как SN 2024afav была обнаружена в декабре 2024 года, Обсерватория Лас-Кумбрес — сеть из 27 телескопов по всему миру — отслеживала ее и измеряла яркость более 200 дней. Взрывающаяся звезда находится на расстоянии около миллиарда световых лет от Земли.

Пройдя пик яркости примерно через 50 дней после взрыва, она не угасала постепенно, как обычные сверхновые. Вместо этого ее яркость медленно менялась, снижаясь, причем период колебаний постепенно сокращался, сложившись в серию из четырех всплесков — чем-то похоже на птичью трель.

Предсказано Эйнштейном

По мнению авторов исследования, часть вещества от взрыва SN 2024afav упала обратно на магнетар, образовав аккреционный диск, ось которого не совпадает с осью звезды. Он принялся колебаться, как волчок — явление, предсказанное общей теорией относительности как прецессия Лензе-Тирринга, — периодически заслоняя и отражая свет магнетара. И по мере падения вещества на звезду колебался все быстрее.

«Мы проверили несколько идей, включая чисто ньютоновские эффекты и прецессию, вызванную магнитными полями магнетара, но только прецессия Лензе-Тирринга идеально соответствует временным параметрам. Это первый случай, когда общая теория относительности потребовалась для описания механики сверхновой», — объясняет выпускник Беркли Джозеф Фарах, первый автор статьи.

Наблюдательные данные позволили также оценить период вращения нейтронной звезды — 4,2 миллисекунды — и магнитное поле: примерно в 300 триллионов раз сильнее земного. И то, и другое — несомненные признаки магнетара.

«Всегда интересно наблюдать, как теория относительности Эйнштейна проявляется в жизни, но увидеть это впервые в сверхновой — особенно интересно», — признается Филиппенко.

Что дальше

Выводы Фараха и его коллег не означают, однако, что все сверхъяркие сверхновые питаются магнетарами, предупредил он. Есть и альтернативная теория: ударная волна от взрывающейся звезды сталкивается с окружающим веществом, немного увеличивая ее яркость.

«Мы не знаем, какая доля сверхъярких сверхновых типа I может питаться за счет околозвездного вещества, но она определенно меньше, чем мы думали ранее, потому что это открытие явно объясняет некоторые из них», — уточняет профессор.

В этом плане Фарах надеется на обсерваторию Веры Рубин, которая может открыть множество подобных «щебечущих» сверхновых. «Вселенная говорит нам громко и прямо, что мы еще не до конца ее понимаем, и бросает вызов, чтобы мы нашли объяснение», — заключил он.