Что происходит, когда самый магнитный объект во Вселенной начинает светиться с мощностью в 1000 солнц за несколько секунд? Благодаря миссии NASA под названием IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) в сотрудничестве с Итальянским космическим агентством (ASI), учёные стали на шаг ближе к пониманию этого экстремального явления.
Магнетары — это тип молодых нейтронных звёзд. Они образуются, когда массивная звезда достигает конца своей жизни и коллапсирует, оставляя после себя плотное ядро массой примерно с Солнце, но сжатое до размеров города. Нейтронные звёзды демонстрируют одни из самых экстремальных физических явлений в наблюдаемой Вселенной и предоставляют уникальные возможности для изучения условий, которые в противном случае было бы невозможно воспроизвести в лаборатории на Земле.
Магнетар 1E 1841-045, расположенный в остатках сверхновой (SNR Kes 73) примерно в 28 000 световых годах от Земли, 21 августа 2024 года был замечен в состоянии вспышки телескопами NASA Swift, Fermi и NICER.
Команда IXPE несколько раз в год одобряет запросы на прерывание запланированных наблюдений телескопа, чтобы вместо этого сосредоточиться на уникальных и неожиданных небесных событиях. Когда магнетар 1E 1841-045 перешёл в более яркое активное состояние, учёные решили перенаправить IXPE для получения первых в истории измерений поляризации вспыхивающего магнетара.
Магнетары обладают магнитными полями, которые в несколько тысяч раз сильнее, чем у большинства нейтронных звёзд, и имеют самые сильные магнитные поля среди всех известных объектов во Вселенной. Нарушения их экстремальных магнитных полей могут привести к тому, что магнетар высвобождает в несколько раз больше энергии в рентгеновском диапазоне, чем обычно, в течение нескольких недель. Это усиленное состояние называется вспышкой, но механизмы, стоящие за ними, до сих пор до конца не изучены.
Благодаря измерениям поляризации рентгеновских лучей с помощью IXPE учёные могут приблизиться к разгадке тайн этих событий. Поляризация несёт информацию об ориентации и выравнивании излучаемых рентгеновских световых волн; чем выше степень поляризации, тем больше рентгеновских волн движутся синхронно, подобно тщательно отрепетированному танцевальному выступлению. Изучение поляризационных характеристик магнетаров позволяет выявить энергетические процессы, приводящие к появлению наблюдаемых фотонов, а также направление и геометрию магнитных полей магнетара.
Результаты IXPE, подкреплённые наблюдениями телескопов NASA NuSTAR и NICER, показывают, что рентгеновское излучение от 1E 1841-045 становится более поляризованным при более высоких уровнях энергии, сохраняя при этом то же направление распространения. Значительный вклад в высокую степень поляризации вносит жёсткий рентгеновский хвост 1E 1841-045 — энергетический компонент магнитосферы, доминирующий на самых высоких энергиях фотонов, наблюдаемых IXPE.
«Жёсткие рентгеновские лучи» — это рентгеновские лучи с более короткими длинами волн и более высокими энергиями, чем «мягкие рентгеновские лучи». Хотя они широко распространены в магнетарах, механизмы, приводящие к появлению этих высокоэнергетических рентгеновских фотонов, до сих пор в значительной степени неизвестны. Было предложено несколько теорий для объяснения этого излучения, но теперь высокая поляризация, связанная с этими жёсткими рентгеновскими лучами, даёт дополнительные ключи к разгадке их происхождения.
Результаты представлены в двух статьях, опубликованных в The Astrophysical Journal Letters. Одна статья написана под руководством Рейчел Стюарт, аспирантки Университета Джорджа Вашингтона, а другая — Микелой Ригозелли из Итальянского национального института астрофизики.
«Это уникальное наблюдение поможет продвинуть существующие модели, направленные на объяснение жёсткого рентгеновского излучения магнетаров, требуя от них учёта этого очень высокого уровня синхронизации, который мы наблюдаем среди этих жёстких рентгеновских фотонов», — сказала Стюарт. «Это действительно демонстрирует силу поляризационных измерений в ограничении физики в экстремальных средах магнетаров».
Ригозелли, ведущий автор сопутствующей статьи, добавил: «Будет интересно наблюдать за 1E 1841-045, когда он вернётся в своё спокойное, базовое состояние, чтобы проследить эволюцию его поляриметрических свойств».
IXPE — это космическая обсерватория, созданная для того, чтобы раскрыть секреты некоторых из самых экстремальных объектов во Вселенной. Запущенная в декабре 2021 года с космодрома NASA Kennedy Space Center на ракете Falcon 9, миссия IXPE является частью серии NASA Small Explorer.
IXPE, который продолжает предоставлять беспрецедентные данные, позволяющие совершать революционные открытия о небесных объектах во Вселенной, является совместной миссией NASA и Итальянского космического агентства при участии партнёров и научных сотрудников из 12 стран. Руководит проектом Центр космических полётов имени Маршалла NASA в Хантсвилле, штат Алабама. Операциями космического аппарата управляет компания BAE Systems со штаб-квартирой в Фоллс-Черч, штат Вирджиния, вместе с Лабораторией атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере.
Предоставлено NASA