Astronomowie pierwszy raz podglądają narodziny ekstremalnej gwiazdy magnetycznej

Jej blask nie chciał przygasać jak w typowej supernowej, a światło pulsowało w regularnym rytmie, który zamiast zwalniać – przyspieszał. Taki sygnał pasuje do jednego scenariusza: na naszych oczach narodził się magnatar, czyli ekstremalnie namagnesowana gwiazda neutronowa.

Supernowa jaśniejsza od Słońca o sto miliardów razy

Historia zaczęła się 14 września 2024 roku. Przegląd nieba prowadzony przez teleskop Zwicky Transient Facility wychwycił nową supernową w dalekiej galaktyce. Obiekt nazwano technicznym oznaczeniem SN 2024afav. Początkowo wyglądał jak jedna z wielu spektakularnych śmierci masywnej gwiazdy.

Bardzo szybko wyszło na jaw, że to coś wyjątkowego. Jasność eksplozji okazała się około sto miliardów razy większa niż jasność Słońca. Co ważniejsze, zamiast stopniowo słabnąć, utrzymywała się na wysokim poziomie przez długie tygodnie. To od razu wzbudziło czujność astronomów.

Doktorant z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Joseph Farah, skoordynował globalną akcję obserwacyjną. Do gry weszło około dwudziestu obserwatoriów na pięciu kontynentach. Przez 200 dni teleskopy praktycznie nie spuszczały supernowej z oka.

Przeczytaj również: Amerykanie chcą zbudować reaktor jądrowy na Księżycu przed 2030 rokiem

SN 2024afav należy do tzw. supernowych superjasnych – eksplozji tak energetycznych, że od dwóch dekad wymykają się klasycznym modelom fizycznym.

Światło, które pulsuje jak nierówna tancerka

Najciekawsze rzeczy zaczęły się dziać między 45. a 95. dniem po wybuchu. Zamiast chaotycznych zmian jasności, typowych dla tego typu zjawisk, krzywa blasku SN 2024afav pokazała coś niesłychanie uporządkowanego.

• cztery wyraźne pulsacje jasności,
• każda kolejna mocniejsza od poprzedniej,
• na początku odstęp między pulsami wynosił około 12 dni,
• z czasem skrócił się do około 10 dni.

Czyli: jasność rośnie i maleje w regularnych cyklach, a odstępy między tymi cyklami się skracają. To nie pasuje do zwykłego „dogasania” eksplozji. Pasuje za to świetnie do scenariusza, w którym w centrum supernowej rodzi się gwiazda neutronowa z ekstremalnie silnym polem magnetycznym – magnatar.

Przeczytaj również: Fizycy z CERN namierzyli niezwykłą cząstkę cztery razy cięższą od protonu

Według przyjętego modelu materia z rozbitej gwiazdy tworzy wokół nowej gwiazdy neutronowej gorący, gęsty dysk. Jeśli ten dysk nie jest idealnie symetryczny, zaczyna się chwiać i kołysać niczym rozchwiana bączek. Z naszej perspektywy takie „bujanie” powoduje okresowe rozjaśnienia i przyciemnienia.

Naukowcy interpretują cztery widoczne piki jasności jako pełne obroty niesymetrycznego dysku materii otaczającego rodzący się magnatar.

Do tej pory podobnego, uporządkowanego wzoru czasowego nie widziano w żadnej supernowej. Przez lata wielu astrofizyków podejrzewało, że część superjasnych eksplozji napędza ukryty magnatar, lecz brakowało twardego, obserwacyjnego potwierdzenia. SN 2024afav po raz pierwszy dostarcza takiej sygnatury.

Przeczytaj również: Reaktor jądrowy niemal 2 km pod ziemią. USA zaczynają odważny eksperyment

Gdy grawitacja „wciąga” czasoprzestrzeń w wir

Sama obecność pulsacji to jedno. Kluczowy okazał się fakt, że odstęp między nimi się skracał. Ten detal prowadzi wprost do teorii względności Einsteina.

W centrum znajduje się ultrazbita gwiazda neutronowa. To obiekt o masie około pół miliona Ziem wciśniętej w kulę o średnicy zaledwie 16 kilometrów. Wokół niej krąży dysk złożony głównie z żelaza, niklu i innych ciężkich pierwiastków wyrzuconych w wybuchu poprzedniczki.

Taka masa tak silnie zakrzywia czasoprzestrzeń, że nie tylko materia, ale i sama „siatka” przestrzeni zostaje wciągnięta w ruch wirowy. Ten efekt fizycy nazywają „frame-dragging” – pociąganiem czasoprzestrzeni przez obracający się obiekt.

Zespół badawczy przeliczył, jak taki efekt powinien wpływać na kołyszący się dysk. Wyszło, że pozorna częstotliwość jego przechyłów powinna wzrosnąć mniej więcej o 15 procent w trakcie obserwowanego okresu. Dane z teleskopów pokazały właśnie taką zmianę.

Zgodność między przewidywaniami teorii względności a przebiegiem pulsacji praktycznie wyklucza przypadkową fluktuację czy błąd instrumentów.

Sam magnatar pozostaje zasłonięty. Otacza go nieprzezroczysta, gęsta otulina z gorącej materii. Do Ziemi docierają jedynie subtelne zmiany ilości światła, przepuszczanego przez kołyszący się dysk. To bardzo przypomina metody wykrywania egzoplanet tranzytujących na tle swoich gwiazd, gdzie bada się nie sam obiekt, lecz jego wpływ na docierające promieniowanie.

Co mówi nam skład chemiczny wybuchu

Obserwacje z dużych teleskopów spektroskopowych, m.in. z obserwatorium W. M. Kecka, dopełniły obrazu. Widma światła z SN 2024afav wskazują, że eksplodowała gwiazda o masie 20–25 Słońc. Taki kolos idealnie nadaje się na „rodzica” gwiazdy neutronowej i magnatara.

W widmie widać silne ślady ciężkich pierwiastków. To dokładnie taki materiał, który zgodnie z symulacjami powinien stworzyć niesymetryczny dysk wokół świeżo powstałej gwiazdy neutronowej i wygenerować regularny, zmieniający się w czasie sygnał świetlny.

Nowy typ „silnika” w sercu supernowych

Astronomowie od lat próbowali wyjaśnić, co napędza supernowe superjasne. Propozycje były trzy:

• rozpad dużych ilości rzadkich, promieniotwórczych izotopów,
• zderzenie fali uderzeniowej z gęstym obłokiem materii otaczającym gwiazdę,
• dodatkowe zasilanie energią z rodzącego się magnatara.

Dane z SN 2024afav wyraźnie faworyzują trzeci scenariusz. W centrum znajduje się nowa gwiazda neutronowa obracająca się kilkaset razy na sekundę. Do tego dochodzi gigantyczne pole magnetyczne – nawet sto bilionów razy silniejsze niż ziemskie.

Taki obiekt działa jak kosmiczna prądnica. Energia obrotu stopniowo zamienia się na promieniowanie i strumień cząstek, które podgrzewają otaczające resztki wybuchu. Dzięki temu supernowa świeci nieporównanie dłużej i jaśniej niż „standardowa” eksplozja.

Magnatar zamienia się w centralny silnik, który przez miesiące dopompowuje energię w rosnący obłok odłamków po gwieździe.

Co ciekawe, w archiwach obserwacyjnych już znaleziono dwa inne przypadki supernowych z podobnymi, choć słabiej widocznymi wahaniami jasności. Do tej pory uznawano je za dziwne, trudne do klasyfikacji zjawiska. Teraz mogą okazać się kolejnymi przykładami narodzin ukrytych magnatarów.

Polowanie na kolejne magnatary dopiero się zaczyna

Kluczową rolę w nadchodzących latach ma odegrać Vera C. Rubin Observatory w Chile. Ten nowy, wielki teleskop ma regularnie skanować niebo południowe, tworząc coś w rodzaju filmu z jego zmienności. Ma zacząć pracę jeszcze w tym roku.

Naukowcy liczą, że dzięki niemu co roku wpadną w ręce dziesiątki supernowych superjasnych. Przy takiej liczbie przypadków można już szukać powtarzających się wzorów w danych i budować statystyczny „atlas” narodzin magnatarów.

Fizycy grawitacji widzą w tym ogromną szansę. Każdy taki obiekt to naturalne laboratorium, w którym można sprawdzać granice teorii względności w ekstremalnych warunkach: przy gęstościach materii niewyobrażalnych na Ziemi i polach magnetycznych rozrywających atomy.

Co to właściwie jest magnatar – proste wyjaśnienie

Żeby lepiej zrozumieć wagę tego odkrycia, warto uporządkować pojęcia. Gdy bardzo masywna gwiazda kończy życie, jej jądro zapada się pod wpływem grawitacji. Jeśli nie jest wystarczająco masywne, by powstała czarna dziura, tworzy się gwiazda neutronowa – kula o rozmiarze miasta i masie kilkuset tysięcy Ziem.

Magnatar to szczególny typ takiej gwiazdy. Różni się tym, że ma ekstremalnie silne pole magnetyczne. To ono steruje emisją energii, może powodować gwałtowne rozbłyski gamma, rentgenowskie impulsy, a w młodej fazie – właśnie długotrwałe, nietypowo jasne świecenie supernowej.

Nie jest to więc „nowy rodzaj obiektu”, tylko skrajna odmiana znanych już gwiazd neutronowych. Tak rzadka i ekstremalna, że każde dobrze opisane narodziny magnatara są dla astrofizyki prawdziwym złotem danych.

Dla zwykłego obserwatora nocnego nieba takie wydarzenia są oczywiście niewidoczne gołym okiem. Ich ślady kryją się w subtelnych zmianach jasności odległych kropek na niebie, które trzeba wyłowić z milionów innych sygnałów. To właśnie robią dziś przeglądowe teleskopy z automatycznymi systemami analizy danych.

SN 2024afav pokazuje, że z odpowiednio czułą aparaturą i dobrze zaplanowanymi obserwacjami można „podglądać” procesy, które jeszcze niedawno wydawały się całkowicie poza naszym zasięgiem. A każdy kolejny zarejestrowany magnatar pozwoli nie tylko lepiej zrozumieć gwałtowne końce masywnych gwiazd, lecz także sprawdzić, jak daleko sięga teoria względności w najbardziej ekstremalnych zakątkach kosmosu.