Гамма-телескоп Ферми НАСА идентифицировал, возможно, первый подтвержденный сигнал сверхяркой сверхновой, питаемой магнетаром, нейтронной звездой с чрезвычайно интенсивными магнитными полями. Событие, получившее название SN 2017egm, произошло на расстоянии 440 миллионов световых лет от нас и представляет собой значительный прогресс в понимании одного из самых экстремальных взрывов во Вселенной. Открытие, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysicals, положило конец почти двум десятилетиям поиска сигналов гамма-излучения в данных Ферми.
Международная группа исследователей под руководством Фабио Асеро из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Университета Париж-Сакле проанализировала многолетние наблюдения, чтобы подтвердить связь между сверхновой и магнетаром. Эта находка знаменует собой первое окончательное обнаружение такого рода, хотя исследователи сообщали о предыдущих подсказках во время предыдущих поисков.
Механизм взрыва сверхярких сверхновых
Сверхновые с коллапсом ядра возникают, когда у массивной звезды заканчивается топливо, необходимое для поддержания ее ядра. Без этого источника энергии гравитация приводит к коллапсу ядра и вызывает сильный взрыв. В зависимости от условий, коллапс может оставить после себя нейтронную звезду или черную дыру, в то время как остальная часть звезды будет выброшена в космос в виде расширяющегося облака чрезвычайно горячего газа.
За последние 20 лет астрономы выявили около 400 необычайно мощных примеров, называемых сверхсветящимися сверхновыми. Эти редкие взрывы могут сиять в видимом свете как минимум в 10 раз ярче, чем обычные сверхновые. SN 2017egm, наблюдавшаяся в 2017 году, вспыхивает в галактике NGC 3191, в созвездии Большой Медведицы. Даже находясь на расстоянии 440 миллионов световых лет от Земли, она остается одной из самых близких к Земле сверхярких сверхновых, когда-либо наблюдавшихся.
В 2024 году исследователи под руководством Ли Шанга из Аньхойского университета в Хэфэе, Китай, предположили, что широкоугольный телескоп Ферми мог обнаружить гамма-лучи этого события спустя годы после первоначального всплеска. Это наблюдение открыло путь к более глубокому анализу данных, накопленных оборудованием за время его работы.
Магнетары: экстремальные космические двигатели
Ученые уже давно спорят о том, что придает сверхярким сверхновым такую необычайную яркость. Одно из основных объяснений связано с магнетарами, нейтронными звездами с самыми сильными магнитными полями, известными во Вселенной. Их магнитные поля могут быть в 1000 раз интенсивнее, чем у обычных нейтронных звезд, а мощность примерно в 10 триллионов раз превышает мощность магнита-холодильника.
Исследование включало детальный анализ сигналов видимого света и гамма-излучения от SN 2017egm. Данные сравнивались с различными теоретическими моделями, разработанными международными сотрудниками. Одна конкретная модель, созданная Индреком Вурмом из Тартуского университета в Эстонии и Брайаном Мецгером из Колумбийского университета в Нью-Йорке, исследовала, как излучение и частицы недавно образовавшегося магнетара движутся сквозь расширяющиеся обломки сверхновой.
Исследователи полагают, что вновь образовавшийся магнетар может вращаться несколько сотен раз в секунду. Эта невероятная скорость порождает мощный поток электронов и позитронов, которые являются версиями электронов из антивещества. Вместе эти частицы создают гигантское облако высокоэнергетического материала, известное как магнитарная ветровая туманность.
Генерация гамма-лучей и процессы выхода радиации
Внутри этой туманности взаимодействия частиц могут генерировать гамма-лучи несколькими способами. Электроны и позитроны могут сталкиваться и превращаться в фотоны гамма-излучения, а сами гамма-лучи могут сталкиваться и создавать новые частицы. По мере продолжения этих взаимодействий большая часть энергии гамма-лучей задерживается внутри обломков сверхновой и преобразуется в видимый свет с более низкой энергией, что помогает сделать взрыв исключительно ярким.
По словам Асеро, примерно через 3 месяца после коллапса, когда обломки сверхновой расширяются и остывают, гамма-лучи начинают просачиваться в космос. Модель магнетара лучше всего воспроизводит светимость сверхновой и время прибытия ее гамма-лучей в течение первых нескольких месяцев. Однако исследователи видят возможности для улучшения в более поздние периоды, когда видимый свет исчезает весьма нерегулярно.
Результаты показывают, что дополнительные процессы, вероятно, повлияли на сверхновую во время ее длительного снижения яркости. Они могут включать в себя падение материала обратно к магнетару и столкновения расширяющейся ударной волны с веществом, выброшенным звездой за столетия до ее взрыва.
Будущие наблюдения и международное сотрудничество
Гильем Марти-Девеса, исследователь, ранее работавший в Университете Триеста в Италии, а ныне научный сотрудник Института космических наук в Барселоне, Испания, координировал гамма-поиск шести ближайших сверхярких сверхновых, наблюдавшихся в течение первых 16 лет миссии Ферми. Только SN 2017egm продемонстрировала наличие гамма-лучей, подтвердив предыдущие предположения о том, что некоторые сверхновые могут светиться как в гамма-лучах, так и в видимом свете.
В ходе исследования выяснялось, смогут ли будущие обсерватории обнаруживать подобные события. Исследователи обнаружили, что будущая Черенковская телескопическая обсерватория сможет обнаруживать сверхновые, такие как SN 2017egm, на расстояниях примерно до 500 миллионов световых лет при примерно 50 часах наблюдения.
- Возможность обнаружения: Телескоп следующего поколения будет обнаруживать сверхновые на больших расстояниях
- Напряженность магнитных полей: Магнетары имеют поля в 10 триллионов раз сильнее, чем обычные магниты.
- Относительная яркость: Сверхяркие сверхновые сияют в 10 раз ярче обычных сверхновых.
- Период обучения: Анализ охватывал первые 16 лет работы Fermi.
- Предыдущие открытия: Только одна из шести близлежащих сверхновых показывала подтвержденные сигналы гамма-излучения.
Миссия Ферми представляет собой часть сети обсерваторий НАСА, предназначенной для отслеживания изменяющихся событий во Вселенной и помощи ученым лучше понять, как работают космические явления. Будущее сотрудничество между наземными обсерваториями и космическими телескопами НАСА позволит узнать еще больше об этих сильных звездных взрывах и об экстремальных объектах, скрытых в них.
Джуди Ракузин, заместитель главного научного сотрудника проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, говорит, что механизм двигателя с сердечником магнетара, описанный в исследовании, основан на многих наблюдательных и теоретических достижениях в области магнетаров за последние 20 лет. Наблюдение гамма-лучей сверхновых предоставит новый способ исследовать их внутренние механизмы и расширить знания об этих экстремальных проявлениях Вселенной.