Суперновые и магнитары: новые открытия в астрономии

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, под руководством Джозефа Фараха из Калифорнийского университета, описывает наблюдения суперновой, получившей название 2024afav. Эта суперновая была зарегистрирована почти непрерывно в течение шести месяцев с помощью телескопов по всему миру. Ученые отметили колебания яркости, которые указывают на то, что она питается от быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем — магнитара.

За последние 20 лет астрономы обнаружили популяцию необычайно ярких суперновых, известных как суперновые суперлюминесцентные. Эти объекты могут быть более чем в 100 раз ярче обычных суперновых, но их редкость и непредсказуемость затрудняют их наблюдение. Причина дополнительной энергии, необходимой для такой яркости, до сих пор оставалась загадкой.

Все нейтронные звезды рождаются с высокой скоростью вращения, завершая один оборот за считанные миллисекунды, и обладают сильным магнитным полем. Ранее высказывалось предположение, что нейтронные звезды, образованные в результате суперновых суперлюминесцентных, могут быть магнитарами — звездами, имеющими магнитные поля, более чем в миллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Если ось магнитного поля магнитара не совпадает с его осью вращения, это может привести к генерации огромного количества излучения, которое нагревает выброшенные слои звезды, делая их еще более яркими.

Модель магнитара объясняет общие характеристики суперновых суперлюминесцентных, включая их максимальную яркость и время, необходимое для достижения пика и последующего затухания. Однако она не может объяснить мелкие всплески, которые часто наблюдаются при медленном падении яркости суперновой. Фарах и его коллеги наблюдали такие колебания яркости в суперновой 2024afav с беспрецедентной точностью. Они зафиксировали четыре подтвержденных всплеска, в то время как предыдущие наблюдения не зафиксировали более двух.

Интервал времени между всплесками сокращался, начиная с 50 дней и доходя до 20 дней между двумя последними всплесками. Ученые предполагают, что в процессе формирования магнитара некоторые выброшенные слои звезды могут вернуться к центру системы, образуя спиральный диск материи. Это явление может объяснить наблюдаемые колебания яркости. Если диск в свободном падении также будет невыравнен относительно оси вращения магнитара, он будет колебаться подобно юле. Это движение предсессии аналогично колебанию магнитного поля магнитара, но в случае диска оно обусловлено эффектом Ленса-Тирринга, в котором массивное тело в вращении влияет на структуру пространства-времени.

Эффект предсессии Ленса-Тирринга уже наблюдался на орбитах искусственных спутников Земли, но в случае магнитара он будет в сотни миллионов раз сильнее из-за экстремального гравитационного поля. Фарах и его коллеги предполагают, что именно этот предсессионный диск отвечает за наблюдаемые колебания яркости.

Предсессия Ленса-Тирринга ускоряется по мере приближения массы к вращающемуся объекту. Расстояние между внутренним слоем падающего диска и центром магнитара определяется тем моментом, когда сила излучения магнитара становится достаточно сильной, чтобы предотвратить дальнейшее падение материи внутрь. По мере ослабления суперновой эта сила уменьшается, позволяя диску приблизиться к магнитару и, соответственно, предсессировать быстрее. Фарах и его коллеги количественно протестировали эту модель и обнаружили, что она может одновременно воспроизводить колебания яркости и общие характеристики суперновой: время нарастания, максимальную яркость и скорость затухания. Они также отметили, что модель может объяснить предыдущие наблюдения других суперновых суперлюминесцентных с менее четкими колебаниями.

Эта успешная и последовательная реализация модели предоставляет обнадеживающие доказательства того, что суперновые суперлюминесцентные действительно могут питаться от магнитаров. Однако загадка еще не решена. Исследование Фараха и его коллег показывает, что диск может предсессировать с той же частотой, что и наблюдаемые колебания яркости, но не уточняет, как именно предсессия влияет на яркость суперновой. На данный момент модель была применена лишь к ограниченному числу наблюдений. Доверие к этой интерпретации возрастет, если модель продолжит успешно объяснять будущие наблюдения суперновых суперлюминесцентных. Ожидается, что обсерватория Вера Рубин вскоре обнаружит множество других суперновых. Ее широкополосный опрос, Legacy Survey of Space and Time (LSST), должен позволить открыть тысячи, а возможно, и десятки тысяч суперновых суперлюминесцентных. Эти объекты затем смогут быть изучены с помощью инструментов, таких как телескоп Лас-Кумбрес, используемый в этом исследовании, для получения необходимых наблюдений, позволяющих выявить более слабые модуляции, предсказанные моделью магнитара.

Это исследование может стать надежной основой для проверки модели и позволит определить свойства магнитаров на уровне популяции. Подробные кампании по наблюдению также помогут уточнить характеристики магнитаров и, в сочетании со спектроскопическими диагностическими данными аккреции и выбросов, могут даже позволить проверить общую теорию относительности с помощью молодых магнитаров.

Кроме того, данное исследование предполагает, что суперновые часто являются асимметричными, что приводит к образованию астрономических систем с несоответствующими осями. Это имеет значение и для других систем, содержащих компактные объекты, включая рентгеновские двойные звезды, где падающая материя на компактный объект генерирует интенсивный рентгеновский сигнал, а также события слияния компактных объектов (нейтронных звезд или черных дыр), создающих гравитационные волны и/или килонову.