Международная группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета и Университета Лестера в Англии раскрыла возможное происхождение быстрых рентгеновских транзиентов (FXT) — загадочных, мимолетных всплесков рентгеновского излучения, которые долгое время озадачивали астрономов.

Используя телескопы по всему миру и в космосе, команда изучила самый близкий из когда-либо наблюдавшихся FXT-эффектов, связанных со взрывной смертью массивной звезды, или сверхновой. Ученые обнаружили, что FXT-эффект возник из-за гейзера высокоэнергетических частиц, захваченных внутри сверхновой.

Когда джеты прорываются сквозь луковичные слои массивной звезды, они генерируют гамма-всплески (GRB) – самые мощные и яркие взрывы во Вселенной. Однако, когда джеты подавляются, они испускают более низкие уровни энергии, которые астрономы могут обнаружить только по рентгеновским сигналам. Новые наблюдения указывают на эти «неудавшиеся» джеты как на источник излучения, объясняя это исторически неуловимое явление.

Это открытие знаменует собой значительный шаг в понимании многообразного ландшафта космических взрывов, сокращая разрыв между FXT, гамма-всплесками и сверхновыми.

В журнале The Astrophysical Journal Letters были опубликованы два дополнительных исследования, подробно описывающих различные аспекты этого события.

«С 1970-х годов астрономы обнаруживают FXT — вспышки рентгеновского излучения из далеких галактик, которые могут длиться от нескольких секунд до нескольких часов», — рассказала Джиллиан Растинеджад из Северо-Западного университета, возглавлявшая одно из исследований.

«Но их источники долгое время оставались загадкой. Наша работа окончательно показывает, что FXT-всплески могут возникать в результате взрывной гибели массивной звезды. Это также подтверждает причинно-следственную связь между гамма-всплесками и сверхновыми FXT, при которых гамма-всплески возникают из-за успешных струйных выбросов, а FXT-всплески — из-за захваченных слабых струйных выбросов».

«Наша команда, работающая в разных часовых поясах по всему миру, позволила нам работать круглосуточно, собирая данные, анализируя их сразу после получения и передавая результаты в следующий часовой пояс для принятия решений в следующую ночь наблюдений», — сказал Вэнь-фай Фонг из Северо-Западного университета, старший автор обоих исследований.

Результат? Огромный и прекрасный поток данных, собранных с крупных и мелких объектов, на земле и в космосе, хронологически отражает первый месяц этого события. Для того, чтобы стимулировать такие глобальные усилия, нужны действительно особенные события, и FXT стал одним из них.

Растинеджад — недавний выпускник аспирантуры по астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и член Центра междисциплинарных исследований и разработок в области астрофизики (CIERA).

Её консультантом является Фонг, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Вайнберга и член CIERA. Растинеджад руководил исследованием сверхновой, стоящей за FXT. Второе сопутствующее исследование, возглавляемое Робом Эйлсом-Феррисом, постдокторантом из Университета Лестера, фокусируется на «захваченном» джете.

Взрывной сосед

Хотя астрономы уже несколько десятилетий обнаруживают FXT, ограниченное количество открытий препятствовало проведению детальных исследований. Однако теперь у учёных есть новый космический инструмент под названием «Зонд Эйнштейна», предназначенный для их поиска. Запущенный в январе 2024 года Китайской академией наук совместно с Европейским космическим агентством и Институтом внеземной физики Общества Макса Планка, зонд «Эйнштейн» оснащён двумя научными приборами, специально разработанными для наблюдения за источниками рентгеновского излучения.

«FXT давно нас завораживают, но их изучение основывалось на небольшом числе событий, которые были обнаружены совершенно случайно», — сказал Фонг.

Зонд «Эйнштейн» произвёл революцию в этой области, увеличив количество известных событий в 10 раз всего за год работы. Таким образом, он не только заполняет ранее разреженный ландшафт FXT, но и делает нашу картину этого ландшафта более чёткой, выявляя те грани этих взрывов, которые мы раньше не могли себе представить.

Вскоре после запуска зонд «Эйнштейн» зафиксировал самый близкий к Земле объект FXT, связанный со сверхновой, на сегодняшний день. Объект EP 250108a находился на расстоянии 2,8 миллиарда световых лет от Земли, в созвездии Эридан, похожем на реку. Его близость к Земле предоставила астрономам беспрецедентную возможность наблюдать за развитием этого события.

Последствия «кенгуру»

Чтобы отслеживать это эволюционное поведение, большая международная группа учёных зафиксировала сигнал события в нескольких диапазонах длин волн. Спектрограф FLAMINGO-2 на телескопе «Джемини-Юг» Международной обсерватории «Джемини» предоставил данные в ближнем инфракрасном диапазоне, а многообъектный спектрограф «Джемини-Север» — в оптическом диапазоне.

Ученые Северо-Запада также получили данные оптической спектроскопии из обсерватории WM Keck на Гавайях, инфракрасные изображения из обсерватории MMT в Аризоне и высокочувствительные инфракрасные данные с космического телескопа Джеймса Уэбба.

«Важно отметить, что рентгеновские данные сами по себе не могут сказать нам, какие явления создали FXT», — сказал Растинеджад. «Быстрые наблюдения за местоположением FXT в оптическом и инфракрасном диапазонах имеют ключевое значение для определения последствий FXT и сбора информации о его происхождении».

Когда астрономы направили телескопы «Джемини» к объекту EP 250108a, они обнаружили яркое последствие взрыва сверхновой. Яркость сверхновой (получившей название SN 2025kg или ласково прозванной «кенгуру») увеличивалась в течение нескольких недель, прежде чем погаснуть.

«JWST получил превосходные инфракрасные спектры, когда «кенгуру» был наиболее ярким, что позволило нам заглянуть внутрь взрыва и найти доказательства наличия гелия и углерода», — сказал Чарли Килпатрик из Северо-Западного университета, научный сотрудник CIERA и соавтор обоих исследований.

«Я был удивлён, потому что мы не обнаружили гелия ни в одном из наших оптических данных, а он, на самом деле, не ожидается для такого типа взрыва. Но это стало ключевой подсказкой, которая позволила нам определить, что „кенгуру“ произошло от очень массивной звезды, у которой, вероятно, был компаньон до того, как произошел FXT».

Изучив яркость и спектр, команда подтвердила, что «кенгуру» — это сверхновая типа Ic с широкими линиями. Такие мощные взрывы обычно связаны с высокоэнергетическими событиями, такими как гамма-всплески. Однако в данном случае доказательства существования гамма-всплеска отсутствовали.

Неудачный самолет, большой прорыв

Анализируя быстро меняющийся сигнал, учёные пришли к выводу, что EP 250108a, вероятно, является «неудавшимся» гамма-всплеском. Хотя EP 250108a похож на взрыв, вызванный реактивным движением, его струи не прорвали внешний слой умирающей звезды. Вместо этого они остались запертыми внутри.

«Эта сверхновая FXT практически является близнецом прошлых сверхновых, следовавших за гамма-всплесками», — сказал Эйлс-Феррис. «Наши наблюдения за ранними стадиями эволюции EP 250108a показывают, что взрывы массивных звёзд могут вызывать оба явления».

«Благодаря десятилетиям научных исследований мы знаем, что джеты могут успешно проходить сквозь внешние слои умирающей звезды, и мы рассматриваем их как гамма-всплески», — сказал Растинеджад. «В нашем исследовании мы обнаружили, что этот „захваченный“ джет чаще встречается при взрывах массивных звёзд, чем джеты, успешно вырывающиеся из звезды».

Для изучения самой сверхновой команда использовала 4,1-метровый Южный астрофизический исследовательский телескоп в Межамериканской обсерватории Национального научного фонда Серро-Тололо в Чили. На основе этих наблюдений учёные оценили, что звезда-прародительница, гибель которой привела к взрыву EP 250108a и связанной с ней сверхновой, имела массу, примерно в 15–30 раз превышающую массу Солнца.

Собираем ландшафт по кусочкам

С недавним открытием обсерватории Веры К. Рубин астрономы ожидают значительного расширения своих знаний о звёздах. Предстоящий обзор пространства и времени (Legacy Survey of Space and Time), который будет проводиться обсерваторией, предоставит учёным огромные наборы данных, показывающие, как звёзды и их взрывная смерть меняются с течением времени. Эти данные могут помочь раскрыть внутреннюю структуру FXT и многих других экзотических космических событий.

«За последнее десятилетие новые астрономические исследования открыли нам глаза на многообразие процессов взрыва звезд и звездного окружения вокруг них», — сказал Растинеджад.

«Но нам ещё предстоит до конца понять, что создаёт FXT и как они вписываются в нашу современную картину астрономических взрывов. Раскрытие физики, лежащей в основе многообразия взрывов, — главная цель обсерватории Рубина, которая поможет нам понять всю картину звёздных взрывов».