Астрономы впервые зафиксировали рождение магнетара — сильно намагниченной, вращающейся нейтронной звезды — и подтвердили, что он является источником энергии для некоторых из самых ярких взрывающихся звезд во Вселенной. Это открытие подтверждает теорию, предложенную физиком из Калифорнийского университета в Беркли 16 лет назад, и устанавливает новое явление во взрывающихся звездах: сверхновые со «щебетанием» в кривой блеска, вызванным общей теорией относительности. Статья с описанием этого явления была опубликована в журнале Nature.

Сверхъяркие сверхновые — которые могут быть в 10 и более раз ярче обычных сверхновых — озадачивали астрономов с момента их открытия в начале 2000-х годов. Считалось, что они являются результатом взрыва очень массивных звезд, возможно, в 25 раз превышающих массу нашего Солнца, но они оставались яркими гораздо дольше, чем можно было бы ожидать, когда железное ядро ​​звезды коллапсирует, а ее внешние слои впоследствии сдуваются.

В 2010 году Дэн Касен, ныне теоретический астрофизик и профессор физики в Калифорнийском университете в Беркли, первым предположил, что источником длительного свечения является магнетар.

Согласно теории, разработанной в соавторстве с Ларсом Бильдстеном и независимо предложенной Стэнфордом Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, когда массивная звезда коллапсирует в конце своей жизни, она сжимает большую часть своей массы в очень компактную нейтронную звезду — участь, которая лишь немного не доходит до коллапса в черную дыру.

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

Пульсары и их сильно намагниченные старшие собратья, магнетары, имеют диаметр всего около 10 миль, но в молодом возрасте могут вращаться со скоростью более 1000 оборотов в секунду.

Вращение магнетара приводит к тому, что вращающееся магнитное поле ускоряет заряженные частицы, которые сталкиваются с обломками расширяющейся сверхновой, увеличивая её яркость. Считается также, что магнетары являются источником быстрых радиовспышек.

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

В статье, опубликованной в журнале Nature, Фарах и его коллеги предложили объяснение необычных пиков на кривой блеска этой сверхновой — так называемого «чирпа», — в рамках общей теории относительности, которое однозначно связывает её с магнетаром.

«Самое интересное то, что это неопровержимое доказательство образования магнетара в результате коллапса ядра сверхъяркой сверхновой», — сказал Алекс Филиппенко, заслуженный профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли, соавтор статьи и один из будущих наставников Фарах.

«Основа модели Дэна Касена и Стэна Вусли заключается в том, что достаточно энергии магнетара, находящегося глубоко внутри сверхновой, и значительная её часть будет поглощена, что объяснит сверхсветовую интенсивность объекта. Однако не было доказано, что магнетар действительно образовался в центре сверхновой, и именно это демонстрирует статья Джозефа».

«Долгие годы идея магнетара казалась почти фокусом теоретика — мощный двигатель, скрывающийся за слоями обломков сверхновых. Это было естественным объяснением необычайной яркости этих взрывов, но мы не могли увидеть его напрямую», — сказал Касен.

«Щелчок в сигнале этой сверхновой подобен тому, как двигатель отдергивает занавес и показывает, что она действительно существует».

Далёкое открытие

После обнаружения сверхновой SN 2024afav в декабре 2024 года обсерватория Лас-Кумбрес — сеть из 27 телескопов по всему миру — отслеживала её и измеряла её яркость более 200 дней. Взрывающаяся звезда находилась примерно в миллиарде световых лет от Земли.

Фарах, работая с астрономом Энди Хауэллом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, заметил, что после того, как яркость достигла пика примерно через 50 дней после взрыва, она не постепенно угасала, как это обычно бывает при сверхновых. Вместо этого её яркость медленно снижалась, причём период колебаний постепенно сокращался, образуя серию из четырёх пиков. Он сравнил это со звуком, постепенно увеличивающимся по частоте, очень похожим на щебетание птицы.

Ранее было известно, что у сверхъярких сверхновых наблюдалось несколько пиков на кривой затухания блеска, которые некоторые интерпретировали как столкновение ударной волны сверхновой со слоями газа, скопившимися вокруг звезды, что на короткое время увеличивало её яркость. Но никто не наблюдал такого количества пиков — целых четырёх.

Согласно модели Фараха, часть вещества от взрыва сверхновой SN 2024afav упала обратно к магнетару, образовав диск вещества, называемый аккреционным диском. Поскольку вещество вокруг магнетара вряд ли симметрично, аккреционный диск также не будет симметричен относительно вращающейся нейтронной звезды, что приведет к несовпадению оси вращения магнетара и оси вращения аккреционного диска.

Поскольку общая теория относительности утверждает, что вращающаяся масса увлекает за собой пространство-время, вращающийся магнетар будет вызывать эффект, известный как прецессия Лензе-Тирринга, то есть он заставит смещенный диск колебаться.

Колеблющийся диск может периодически блокировать и отражать свет от магнетара, превращая всю систему в мерцающий космический маяк. Время повторения этого процесса уменьшается с радиусом диска, поэтому по мере приближения диска к магнетару он колеблется быстрее, вызывая более быстрые колебания света по мере его затухания, создавая «щебетание», наблюдаемое телескопами на Земле.

«Мы проверили несколько гипотез, включая чисто ньютоновские эффекты и прецессию, вызванную магнитными полями магнетара, но только прецессия Лензе-Тирринга идеально совпала по времени», — сказал Фарах. «Это первый случай, когда для описания механики сверхновой потребовалась общая теория относительности».

Астрономы также использовали данные наблюдений для оценки периода вращения нейтронной звезды — 4,2 миллисекунды — и её магнитного поля: примерно в 300 триллионов раз больше, чем у Земли. Оба параметра являются характерными признаками магнетара.

«Я думаю, Джозеф нашел неопровержимое доказательство», — сказал Хауэлл, старший научный сотрудник LCO и адъюнкт-профессор физики в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. «Он связал эти пики с моделью магнетара и объяснил все с помощью наиболее проверенной теории в астрофизике — общей теории относительности. Это невероятно элегантно».

Филиппенко добавил: «Всегда захватывающе видеть явное проявление общей теории относительности Эйнштейна, но наблюдать это впервые в сверхновой — особенно приятно».

Филиппенко предостерег, что вывод Фараха не означает, что все сверхъяркие сверхновые питаются магнетарами. Существует также альтернативная теория: ударная волна от взрывающейся звезды сталкивается с окружающим ее веществом, немного увеличивая ее яркость.

Более того, Касен предположил, что если коллапс ядра звезды приводит к образованию черной дыры, это также может питать более яркую сверхновую и, если у нее будет смещенный аккреционный диск, вызвать пики на кривой блеска.

«Мы не знаем, какая доля сверхъярких сверхновых типа I может быть обусловлена ​​околозвездным веществом, но она определенно меньше, чем мы думали ранее, поскольку это открытие явно объясняет некоторые из них», — сказал Филиппенко.

Фарах рассчитывает обнаружить еще десятки таких «щебечущих» сверхновых, поскольку обсерватория имени Веры К. Рубин готовится к вводу в эксплуатацию и началу самого полного на сегодняшний день исследования ночного неба.

«Это самое захватывающее событие, в котором мне когда-либо посчастливилось участвовать. Это та наука, о которой я мечтала в детстве, — сказала Фарах. — Это Вселенная, которая открыто и прямо говорит нам, что мы еще не до конца ее понимаем, и бросает нам вызов, предлагая объяснить ее».