Телескоп Джеймс Уэбб нашел нейтронную звезду в центре остатка сверхновой

Космический телескоп Джеймс Уэбб нашел лучшее свидетельство излучения нейтронной звезды на месте недавно наблюдавшейся сверхновой.

Сверхновая, известная как SN 1987A, возникла на расстоянии 160 000 световых лет от Земли в Большом Магеллановом Облаке. SN 1987A наблюдалась на Земле в 1987 году, это первая сверхновая, которую можно было увидеть невооруженным глазом с 1604 года — еще до появления телескопов.

Это дало астрономам редкую возможность с самого начала изучить эволюцию сверхновой и то, что осталось после нее. SN 1987A была сверхновой типа II с коллапсом ядра [1], что означает, что уплотненные остатки в ее ядре, как ожидается, образовали либо нейтронную звезду, либо черную дыру. Доказательства существования такого компактного объекта искались уже давно. Признаки присутствия нейтронной звезды были обнаружены и ранее, но впервые обнаружены эффекты излучения высокой энергии молодой нейтронной звезды.

Астрономия обычно предполагает изучение процессов, происходящих на протяжении как минимум десятков тысяч лет, что намного дольше, чем вся зафиксированная история человечества. Сверхновые — взрывные предсмертные агонии некоторых массивных звезд — вспыхивают в течение нескольких часов, а яркость взрыва достигает пика в течение нескольких месяцев. Остатки взорвавшейся звезды будут продолжать развиваться быстрыми темпами в течение следующих десятилетий. Таким образом, сверхновые дают очень редкую возможность изучить ключевой астрономический процесс в режиме реального времени.

Сверхновая SN 1987A впервые наблюдалась на Земле в феврале 1987 года, а ее яркость достигла максимума в мае того же года (хотя ее расстояние от Земли означает, что событие сверхновой действительно произошло примерно 160 000 лет назад). Это была первая сверхновая, которую можно было увидеть невооруженным глазом после сверхновой Кеплера в 1604 году.

Примерно за два часа до наблюдения SN 1987A в видимом свете три обсерватории по всему миру наблюдали всплеск нейтрино [2], продолжавшийся несколько секунд. Нейтринный взрыв незадолго до того, как появился видимый свет от SN 1987A был связан с тем же событием сверхновой. Это дало важные подсказки для уточнения нашего понимания сверхновых с коллапсом ядра. Ученые подозревали, что этот тип сверхновых может образовать нейтронную звезду или черную дыру.

С тех пор астрономы искали доказательства существования одного из этих компактных объектов [3] в центре расширяющегося остаточного материала. Признаки присутствия нейтронной звезды в центре остатка были обнаружены в последние несколько лет.

Наблюдения за гораздо более старыми остатками сверхновых, такими как Крабовидная туманность, подтверждают, что во многих из этих остатков находятся нейтронные звезды. Однако до сих пор не наблюдалось никаких прямых свидетельств существования нейтронной звезды после SN 1987A (или любого другого подобного недавнего взрыва сверхновой).

Клаас Франссон из Стокгольмского университета и ведущий автор этого исследования объясняет: «Из теоретических моделей SN 1987A десятисекундный всплеск нейтрино, наблюдаемый непосредственно перед сверхновой, предполагает, что в результате взрыва образовалась нейтронная звезда или черная дыра. Но мы не наблюдали каких-либо убедительных признаков такого новорожденного объекта в результате взрыва сверхновой. Вместе с Уэббом мы теперь нашли прямые доказательства эмиссии, вызванной новорожденным компактным объектом, скорее всего, нейтронной звездой».

Телескоп Джеймс Уэбб начал научные наблюдения в июле 2022 года, а наблюдения, лежащие в основе этой работы, были проведены 16 июля, в результате чего остаток SN 1987A стал первым объектом, наблюдаемым Уэббом.

Команда ученых использовала режим спектрографа среднего разрешения (MRS) прибора MIRI Уэбба, в разработке которого участвовали члены той же команды. MRS — это тип прибора, известный как интегральный полевой блок (IFU). IFU способны одновременно отображать объект и снимать его спектр. Прибор фиксирует спектр каждого пикселя, позволяя наблюдателям видеть спектроскопические различия по всему объекту. Спектральный анализ результатов показал сильный сигнал, обусловленный ионизированным аргоном из центра выброшенного материала, который окружает исходное место SN 1987A.

Последующие наблюдения с использованием режима IFU NIRSpec (ближнего инфракрасного спектрографа) Уэбба на более коротких длинах волн показали более сильно ионизированные [4] химические соединения, включая пятикратно ионизированный аргон (то есть атомы аргона, потерявшие пять из своих 18 электронов).

Для формирования таких ионов требуются высокоэнергетические фотоны, и эти фотоны должны откуда-то прийти. «Чтобы создать эти ионы, которые мы наблюдали в выбросах, было ясно, что в центре остатка SN 1987A должен быть источник высокоэнергетического излучения», — сказал Клаас Франссон. «В статье мы обсуждаем различные возможности, обнаруживая что вероятны лишь несколько сценариев, и все они связаны с новорожденной нейтронной звездой».

В этом году запланированы новые наблюдения SN 1987A с помощью телескопов Уэбба и наземных телескопов. Исследовательская группа надеется, что продолжающееся исследование даст больше ясности в отношении того, что именно происходит в сердце остатка сверхновой.

Ученые надеются, что эти наблюдения будут стимулировать разработку более детальных моделей [5], что в конечном итоге позволит лучше понять не только SN 1987A, но и все сверхновые с коллапсом ядра.

Примечания

[1] Сверхновые типа II отличаются от сверхновых типа Ia наличием водорода в их спектрах. Обычно они возникают в результате коллапса ядра умирающей массивной звезды, масса которой в 8–25 раз превышает массу нашего Солнца. Сверхновые с коллапсом ядра черпают свою энергию из гравитационной потенциальной энергии и создают и высвобождают гораздо больше нейтрино, чем другой механизм, вызывающий сверхновые. Около 99,6 % энергии выделяется в виде нейтрино, тогда как большая часть остальной энергии выделяется в виде кинетической энергии и лишь незначительная часть — в виде света. Тем не менее, они могут быть такими же яркими, как целая галактика.

[2] Нейтрино — это беззарядный тип субатомных частиц. Они чрезвычайно малы по массе (примерно в 500 000 раз меньше массы электрона). Они очень слабо взаимодействуют с другой материей, поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Нейтрино производятся в изобилии в сверхновых с коллапсом ядра, отсюда и связь между наблюдаемым взрывом нейтрино и сверхновой SN 1987A.

[3] Компактные объекты в астрономии представляют собой чрезвычайно плотные остатки звезд, включая белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Ядро нейтронной звезды настолько плотное, что одна чайная ложка нейтронного материала весит более трех миллиардов тонн.

[4] Ионизация происходит, когда атом или молекула приобретает или теряет электроны, которые придают им общий электрический заряд. Обычно это происходит в результате столкновений с другими частицами или присутствия так называемого ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи и некоторое ультрафиолетовое излучение.

[5] Модели — это упрощенные теоретические представления поведения объектов или систем, которые позволяют ученым предсказывать и объяснять наблюдения. Они могут быть построены на математических, химических и физических принципах. В астрономии, как и во всех науках, модели и наблюдения используются для развития и уточнения нашего понимания того, как все работает.