29.03.2026. - Зафиксировали рождение магнетара

Зафиксировали рождение магнетара

Астрономы впервые стали свидетелями рождения магнетара — сильно намагниченной, вращающейся нейтронной звезды — и подтвердили, что именно он является источником энергии для некоторых из самых ярких взрывающихся звезд в космосе. Это открытие подтверждает теорию, предложенную физиком из Калифорнийского университета в Беркли 16 лет назад, и устанавливает новое явление во взрывающихся звездах: сверхновые звезды со "всплеском" на кривой блеска, который обусловлен общей теорией относительности. Статья, описывающая это явление, была опубликована в журнале Nature.

Сверхсветящиеся сверхновые, которые могут быть в 10 и более раз ярче обычных, озадачивали астрономов с момента их открытия в начале 2000—х годов. Считалось, что они возникли в результате взрыва очень массивных звезд, масса которых, возможно, в 25 раз превышает массу нашего Солнца, но они оставались яркими гораздо дольше, чем можно было бы ожидать, когда железное ядро звезды разрушается, а ее внешние слои впоследствии сдуваются.

В 2010 году Дэн Кейсен, ныне астрофизик-теоретик и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, был первым, кто предположил, что длительное свечение происходит от магнетара.

Согласно теории, разработанной в соавторстве с Ларсом Билдстеном и независимо предложенной Стэнфордом Вусли из Калифорнийского университета в Санта—Крузе, когда массивная звезда коллапсирует в конце своего жизненного цикла, большая часть ее массы превращается в очень компактную нейтронную звезду - участь, близкая к коллапсу в черную дыру.

Если бы звезда изначально обладала очень сильным магнитным полем, оно бы усилилось во время формирования магнетара, создав поле в 100-1000 раз более сильное, чем у обычных вращающихся нейтронных звезд — так называемых пульсаров.

Пульсары и их сильно намагниченные старшие братья, магнетары, имеют диаметр всего около 10 миль, но в молодости могут вращаться более 1000 раз в секунду.

По мере вращения магнетара вращающееся магнитное поле может ускорять заряженные частицы, которые сталкиваются с осколками расширяющейся сверхновой, увеличивая ее яркость. Считается, что магнетары также являются источником быстрых радиовсплесков.

Аспирант Джозеф Фарах из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и обсерватории Лас-Кумбрес (LCO) подтвердил связь между магнетарами и сверхсветовыми звездами I типа (SLSNe-I) после анализа данных о сверхновой 2024 года, получившей название SN 2024afav.

В статье для журнала Nature Фарах и его коллеги предложили общее релятивистское объяснение необычных изгибов кривой блеска этой сверхновой — того, что они называют "чириканьем", — которые убедительно связывают ее с магнетаром.

"Что действительно интересно, так это то, что это является убедительным доказательством образования магнетара в результате коллапса ядра сверхсветовой", - сказал Алекс Филиппенко, заслуженный профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли, который является соавтором статьи и одним из будущих наставников Фараха.

"В основе модели Дэна Кейсена и Стэна Вусли лежит то, что все, что вам нужно, - это энергия магнетара глубоко внутри, и значительная ее часть будет поглощена, и это объяснит, почему объект обладает сверхсветимостью. Что не было продемонстрировано, так это то, что магнетар действительно образовался в центре сверхновой, и именно это показано в статье Джозефа".

"В течение многих лет идея магнетара казалась почти волшебным трюком теоретиков — спрятать мощный двигатель за слоями обломков сверхновых. Это было естественным объяснением необычайной яркости этих взрывов, но мы не могли увидеть это непосредственно", - сказал Кейсен.

"Чириканье в этом сигнале сверхновой подобно тому, как двигатель отодвигает занавес и показывает, что она действительно существует".

После того, как в декабре 2024 года была обнаружена SN 2024afav, обсерватория Лас—Кумбрес — сеть из 27 телескопов по всему миру - отслеживала ее и измеряла яркость в течение более 200 дней. Взорвавшаяся звезда находилась примерно в миллиарде световых лет от Земли.

Фара, работавший с астрономом UCSB Энди Хауэллом, заметил, что после того, как яркость достигла пика примерно через 50 дней после взрыва, она не стала постепенно угасать, как типичные сверхновые. Вместо этого его яркость медленно снижалась, при этом период колебаний постепенно сокращался, создавая серию из четырех толчков. Он сравнил это со звуком, частота которого постепенно увеличивается и который очень похож на птичье щебетание.

Было известно, что у предыдущих сверхсветовых звезд на затухающей кривой блеска было несколько неровностей, которые некоторые интерпретировали как столкновение ударной волны сверхновой со слоями газа, скопившимися вокруг звезды, что ненадолго сделало ее ярче. Но никто не наблюдал целых четыре.

Согласно модели Фараха, часть вещества, образовавшегося в результате взрыва SN 2024afav, упала обратно к магнетару, образовав диск вещества, называемый аккреционным диском. Поскольку материал вокруг магнетара вряд ли будет симметричным, аккреционный диск также не будет симметричен относительно вращающейся нейтронной звезды, что приведет к смещению оси вращения магнетара и оси вращения аккреционного диска.

Поскольку общая теория относительности утверждает, что вращающаяся масса увлекает за собой пространство-время, вращающийся магнетар вызвал бы эффект, известный как прецессия Ленза-Тирринга, то есть заставил бы смещенный диск колебаться.

Колеблющийся диск мог бы периодически блокировать и отражать свет от магнетара, превращая всю систему в стробирующий космический маяк. Время, за которое это повторяется, уменьшается с увеличением радиуса диска, поэтому, когда диск скользит внутрь по направлению к магнетару, он колеблется быстрее, заставляя свет колебаться быстрее по мере его затухания, создавая "щебетание", наблюдаемое телескопами на Земле.

"Мы протестировали несколько идей, включая чисто ньютоновские эффекты и прецессию, вызванную магнитными полями магнетара, но только прецессия Ленса-Тирринга идеально соответствовала по времени", - сказал Фарах. "Впервые общая теория относительности понадобилась для описания механики сверхновой".

Астрономы также использовали данные наблюдений для оценки периода вращения нейтронной звезды — 4,2 миллисекунды — и магнитного поля, которое примерно в 300 триллионов раз превышает земное. И то, и другое является отличительными признаками магнетара.

"Я думаю, Джозеф нашел неопровержимое доказательство", - сказал Хауэлл, старший научный сотрудник LCO и адъюнкт-профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Он увязал все трудности с моделью магнетара и объяснил все с помощью наиболее проверенной теории в астрофизике — общей теории относительности. Это невероятно элегантно".

Филиппенко добавил: "Всегда интересно наблюдать очевидный эффект общей теории относительности Эйнштейна, но особенно приятно впервые увидеть его в сверхновой".

Филиппенко предупредил, что вывод Фараха не означает, что все сверхсветовые звезды питаются от магнетаров. Существует также альтернативная теория: ударная волна от взрывающейся звезды ударяется об окружающий ее материал, что немного увеличивает ее яркость.

Более того, Кейсен предположил, что если коллапс ядра звезды приводит к образованию черной дыры, то это также может привести к появлению более яркой сверхновой и, если у нее будет смещенный аккреционный диск, к появлению неровностей на кривой блеска.

"Мы не знаем, какая часть сверхсветовых звезд первого типа может питаться околозвездным веществом, но это определенно меньшая часть, чем мы думали ранее, потому что это открытие явно объясняет некоторые из них", - сказал Филиппенко.

Фарах ожидает, что обнаружит еще десятки таких "стрекочущих" сверхновых, поскольку обсерватория Веры Рубин готовится к запуску и началу самого полного на сегодняшний день обзора ночного неба.

"Это самое захватывающее, к чему я когда-либо имел честь быть причастным. Это наука, о которой я мечтал в детстве", - сказал Фарах. "Это Вселенная говорит нам вслух и прямо в лицо, что мы еще не до конца понимаем ее, и призывает нас объяснить это".

Источник