Впервые астрономы стали свидетелями рождения ‘магнетара’.
В декабре 2024 года астрономы наблюдали, как звезда, масса которой примерно в 25 раз превышает массу нашего Солнца, погибла в сиянии славы. Расположенная в одном миллиарде световых лет от Земли, SN 2024afav была ярким примером сверхъяркой сверхновой — события, которое как минимум в 10 раз ярче взрыва большой звезды. Исследователи по всему миру использовали глобальную сеть из 27 телескопов обсерватории Лас-Кумбрес, чтобы документировать это зрелище более 200 дней.
Хотя яркость сверхновой достигла пика примерно на 50-й день, астрономы заметили нечто странное. Вместо того чтобы медленно угасать, как ожидалось, светимость колебалась вниз, а время между каждой флуктуацией сокращалось. В прошлых примерах сверхъярких сверхновых наблюдался один или два пика, но SN 2024afav показала четыре из них.
После месяцев расчётов — а также с помощью теории общей относительности Альберта Эйнштейна — исследователи считают, что у них есть объяснение. Впервые астрономы стали свидетелями рождения магнетара — быстро вращающейся, чрезвычайно намагниченной нейтронной звезды. Последствия, подробно описанные в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, означают, что такие космические электростанции питают некоторые из самых взрывоопасных сверхновых во Вселенной.
Роль магнетара
Результаты подтверждают теорию, впервые предложенную 16 лет назад теоретическим астрофизиком Калифорнийского университета в Беркли Дэном Казеном. Казен и его коллеги предположили, что по крайней мере некоторые сверхъяркие сверхновые получают свою энергию от магнетаров — это лишь один из многих возможных исходов при гибели звезды.
Масса звезды определяет конец её жизни. Если она недостаточно массивна, чтобы коллапсировать в чёрную дыру, она превратится в нейтронную звезду. Однако звёзды, имевшие сильное магнитное поле в течение жизни, не теряют его. Вместо этого они становятся магнетарами с полями от 100 до 1000 раз сильнее, чем у вращающихся нейтронных звёзд, или пульсаров. И магнетары, и пульсары имеют диаметр около 10 миль, но они начинают вращаться со скоростью более 1000 раз в секунду.
Команда Казена предположила, что вращающийся магнетар будет ускорять заряженные частицы так быстро, что они столкнутся с расширяющимися обломками сверхновой. По словам команды, именно это делает некоторые сверхновые гораздо ярче других.
«В течение многих лет идея о магнетарах казалась почти как магический трюк теоретика — спрятать мощный двигатель за слоями обломков сверхновой», — сказал Казен, который не участвовал в новом исследовании, в заявлении. «Это было естественное объяснение чрезвычайной яркости этих взрывов, но мы не могли увидеть это напрямую».
Последнее исследование, проведённое командой, в которую входит астрофизик Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Фара, наконец объясняет этот магический трюк, но для этого потребовались некоторые пробные и ошибочные действия.
«Мы проверили несколько идей, включая чисто ньютоновские эффекты», — объяснил Фара.
Шатающиеся диски
Решение пришло не из ньютоновской физики, а из общей теории относительности. Модель Фара для SN 2024afav предполагает, что материал от взрыва падает внутрь к магнетару и образует то, что известно как аккреционный диск. Это поле обломков в диске почти наверняка асимметрично, что означает, что оси вращения как аккреционного диска, так и магнетара смещены. Общая теория относительности говорит, что вращающийся объект затягивает пространство-время, когда вращается. Применительно к магнетару вращение гипотетически создало бы то, что называется прецессией Лензе-Тирринга.
Проще говоря: смещённый аккреционный диск начинает шататься. Когда это происходит, он может время от времени блокировать и отражать свет магнетара, как мигающий указатель поворота. По мере того как диск приближается к магнетару, его радиус уменьшается, и он начинает шататься быстрее. В совокупности это объясняет уменьшение времени между колебаниями светимости SN 2024afav и подтверждает теорию Казена о магнетарах.
«Впервые общая теория относительности понадобилась для описания механики сверхновой», — сказал Фара.
«Я думаю, что Джозеф нашёл доказательство», — сказал Энди Хауэлл, старший научный сотрудник обсерватории Лас-Кумбрес, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и соавтор исследования. «Он связал пики с моделью магнетара и объяснил всё с помощью лучшей проверенной теории в астрофизике — общей теории относительности. Это невероятно элегантно».
«Наука, о которой я мечтал в детстве»
Магнетар всё ещё не является универсальным объяснением для сверхъярких сверхновых. Другая теория предполагает, что ударная волна от взрывающейся звезды иногда может врезаться в близлежащий материал и увеличить его яркость. Казен также предположил, что недавно сформировавшаяся чёрная дыра с смещённым аккреционным диском может также на короткое время подпитывать яркую сверхновую.
Но даже если магнетары приводят в действие небольшой процент сверхъярких сверхновых, это знаменует важный момент как в астрономии, так и в общей теории относительности.
«Это самая захватывающая вещь, в которой я когда-либо имел честь участвовать», — сказал Фара. «Это наука, о которой я мечтал в детстве».