Astronomowie pierwszy raz widzą narodziny magnetara na żywo

W odległej galaktyce rozbłysła supernowa sto miliardów razy jaśniejsza od Słońca.

Jej zachowanie kompletnie zaskoczyło astronomów.

Przez ponad pół roku teleskopy na pięciu kontynentach śledziły kosmiczny fajerwerk oddalony o około miliard lat świetlnych. Z pozoru wyglądał jak „zwykła” supernowa, czyli śmierć masywnej gwiazdy. Z czasem okazało się jednak, że astronomowie patrzą na coś, czego nikt jeszcze nie widział: narodziny magnetara, jednego z najbardziej ekstremalnych obiektów w kosmosie.

Supernowa, która nie chciała przygasać

14 września 2024 roku przeglądowy teleskop Zwicky Transient Facility zarejestrował nową supernową w bardzo odległej galaktyce. Otrzymała oznaczenie SN 2024afav i początkowo niczym się nie wyróżniała. Typowy scenariusz jest dobrze znany: supernowa po gwałtownym rozbłysku powoli słabnie, aż znika w tle galaktyki.

Tutaj ten scenariusz nagle przestał działać. Zamiast spokojnie gasnąć, supernowa utrzymywała niezwykle wysoką jasność przez długie tygodnie. To zwróciło uwagę Josepha Faraha z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który błyskawicznie zorganizował szeroko zakrojoną kampanię obserwacyjną. W jej ramach dwadzieścia obserwatoriów z całego globu śledziło obiekt niemal bez przerwy przez 200 dni.

SN 2024afav świeciła nawet sto razy jaśniej niż „zwykłe” supernowe i robiła to stanowczo zbyt długo, by dało się to wytłumaczyć klasycznymi modelami.

Prawdziwa zagadka zaczęła się po półtora miesiąca od wybuchu. Rejestrowana w czasie jasność supernowej – tak zwana krzywa blasku – zaczęła zachowywać się w sposób, którego nikt się nie spodziewał.

Cztery pulsacje jak tykanie kosmicznego silnika

Między 45. a 95. dniem od wybuchu naukowcy dostrzegli na krzywej blasku cztery wyraźne, regularne wahania jasności. Nie był to przypadkowy szum. Każdy „ząb” miał podobny kształt, a amplituda pulsacji rosła z czasem.

Na początku każda z tych pulsacji trwała około 12 dni. Z każdym kolejnym cyklem odstęp między maksimum jasności lekko się skracał, aż do około 10 dni. Zamiast więc rytmu, który się uspokaja, pojawiła się sekwencja przypominająca zegar, który tyka coraz szybciej.

Ten przyspieszający rytm okazał się brakującym podpisem magnetara – gwiazdy neutronowej z potężnym polem magnetycznym, działającej jak ukryty silnik supernowej.

Modele teoretyczne od lat sugerowały, że część niezwykle jasnych supernowych może być napędzana właśnie przez młode magnetary. Brakowało tylko twardego sygnału, który wprost wskazałby na ich obecność. Cztery pulsacje SN 2024afav spełniły to zadanie idealnie.

Rozchwiany dysk materii wokół nowej gwiazdy neutronowej

Co dokładnie miało generować te wahania? Zespół badawczy zaproponował scenariusz, który dobrze pasuje do danych. W momencie wybuchu masywna gwiazda zapada się w niezwykle gęstą gwiazdę neutronową, obracającą się kilkaset razy na sekundę. Jeżeli taki obiekt ma ekstremalnie silne pole magnetyczne, mówimy o magnetarze.

Materiał wyrzucony w wybuchu nie rozprasza się równomiernie. Część opada z powrotem i tworzy gorący, gęsty dysk wokół świeżo uformowanego magnetara. Wystarczy lekka asymetria w tym dysku, by zaczął się zachowywać jak źle wyważony bączek – delikatnie się kołysze i zmienia orientację w przestrzeni.

• magnetar – ultragęsta gwiazda neutronowa o skrajnie silnym polu magnetycznym,
• dysk materii – pierścień gorącego gazu z ciężkich pierwiastków (m.in. żelaza i niklu),
• kołysanie dysku – okresowe zmiany ilości światła, która dociera do Ziemi.

Zgodnie z analizą zespołu, każda z czterech zaobserwowanych pulsacji odpowiada jednej pełnej precesji, czyli „zatoczeniu koła” przez taki dysk z naszej perspektywy. Gdy grubsza część dysku zasłaniała centralne rejony, supernowa wydawała się nieco ciemniejsza. Kiedy w polu widzenia zostawała cieńsza część, docierało do nas więcej fotonów.

Gdzie w tym wszystkim Einstein

Najciekawszy element tej historii kryje się w tym, że okres pulsacji skracał się o około 15 procent w trakcie obserwacji. Nie jest to przypadek. Tę zmianę przewiduje ogólna teoria względności.

W otoczeniu tak gęstego obiektu jak magnetar przestrzeń i czas przestają zachowywać się „normalnie”. Gwiazda neutronowa o masie kilkuset tysięcy Ziemi ściśniętej w kulę o średnicy około 16 kilometrów tak silnie zakrzywia czasoprzestrzeń, że zaczyna ją wręcz „wciągać” w ruch obrotowy.

Zjawisko to znane jest jako „wleczenie układu odniesienia” (ang. frame-dragging). Dysk materii krąży w zakrzywionej czasoprzestrzeni i przez to jego precesja stopniowo przyspiesza. Zespół naukowców policzył, jak mocny powinien być ten efekt dla realnego magnetara – wyszło właśnie około 15 procent. Dokładnie tyle pokazały dane z teleskopów.

Zgodność obliczeń z pomiarem wskazuje, że astronomowie patrzyli na żywy przykład działania ogólnej teorii względności w jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk, jakie udało się do tej pory zaobserwować przy gwieździe.

Sam magnetar pozostaje ukryty. Otacza go bardzo gęsty, gorący obłok z ciężkich pierwiastków, który skutecznie blokuje bezpośrednie obserwacje. Naukowcy widzą jedynie efekt jego pracy – ogrzewanie i pobudzanie otaczającego materiału, które podtrzymuje niezwykłą jasność supernowej.

Nowy klucz do zagadkowych superjasnych wybuchów

Od około dwóch dekad astronomowie rejestrowali tak zwane supernowe superjasne – obiekty nawet sto razy bardziej energetyczne niż klasyczne wybuchy gwiazd. Nie pasowały do standardowych scenariuszy, gdzie źródłem energii jest jedynie zapadanie się jądra i rozpad promieniotwórczych izotopów.

Rozważano trzy główne wyjaśnienia:

• nietypowe, bardzo bogate w energię rozpady radioaktywne,
• silne zderzenie fali uderzeniowej z gęstą otoczką materii wokół gwiazdy,
• dodatkowy „dopływ” energii z szybko obracającego się magnetara w centrum.

SN 2024afav dostarcza argumentu za tym trzecim wariantem. Regularne, przyspieszające pulsacje jasności trudno uzasadnić bez obecności centralnego silnika w postaci gwiazdy neutronowej z ekstremalnym polem magnetycznym. Artykuł opublikowany w czasopiśmie Nature przedstawia szereg analiz, które wykluczają proste błędy instrumentalne czy przypadkowe fluktuacje.

Materia rozgrzewana przez promieniowanie i wiatr cząstek z magnetara zachowuje wysoką temperaturę przez miesiące, dzięki czemu supernowa pozostaje widoczna znacznie dłużej i jaśniej niż typowe wybuchy. To tłumaczy nietypową krzywą blasku bez sięgania po egzotyczne mechanizmy.

Polowanie na kolejne ukryte magnetary

Co ciekawe, badacze wskazali już dwa inne archiwalne przypadki supernowych, które wykazują zbliżone, choć słabiej widoczne, wahania jasności. Wcześniej uznawano je za dziwne wyjątki. Teraz mogą okazać się członkami szerszej rodziny wybuchów napędzanych przez świeżo uformowane magnetary.

W najbliższych latach sytuacja może się zmienić bardzo szybko. Do pracy ma wejść Vera C. Rubin Observatory – ogromny teleskop zaprojektowany do przeglądania całego nieba południowego co kilka nocy. Taki „kosmiczny monitoring” znacząco podniesie szansę na wychwycenie podobnych sygnałów już w pierwszych dniach po wybuchu.

Naukowcy liczą, że uda się co roku zarejestrować dziesiątki supernowych o podobnych cechach i stworzyć pierwszy statystyczny katalog narodzin magnetarów w odległych galaktykach.

Dla fizyki to szansa na coś więcej niż tylko opis rzadkiego typu gwiezdnej śmierci. Każdy taki obiekt działa jak naturalne laboratorium ekstremalnej grawitacji i magnetyzmu, niedostępnych w jakimkolwiek eksperymencie na Ziemi.

Co właściwie odróżnia magnetar od „zwykłej” gwiazdy neutronowej

Gwiazdy neutronowe powstają po zapadnięciu się jądra masywnej gwiazdy, gdy materia zostaje ściśnięta do gęstości przewyższającej jądro atomowe. W jednym kubiku o boku centymetra mieściłaby się masa odpowiadająca potężnej górze. Magnetar to szczególny przypadek takiej gwiazdy, w którym pole magnetyczne osiąga wartość nawet sto bilionów razy większą niż ziemskie.

Tak skrajne pole potrafi:

• rozrywać atomy na składniki na dystansie tysięcy kilometrów,
• wypuszczać potężne rozbłyski promieniowania rentgenowskiego i gamma,
• hamować rotację gwiazdy, przekształcając energię obrotową w wiatr cząstek i promieniowanie.

Te procesy sprawiają, że młode magnetary są potencjalnym źródłem wielu zagadkowych zjawisk, takich jak szybkie błyski radiowe czy rzadkie gigantyczne rozbłyski gamma. Obserwacja SN 2024afav pokazuje, że taki obiekt może również sterować przebiegiem i jasnością supernowej przez wiele miesięcy.

Dla zwykłego odbiorcy najciekawsze może być to, że tego typu badania powoli zmieniają nasz obraz kosmosu z „galerii niezmiennych gwiazd” na dynamiczne, pełne gwałtownych procesów środowisko. Narodziny magnetara, które miały miejsce miliard lat temu, dziś zapisują się w detektorach jako regularne pulsacje blasku odległej supernowej. Z precyzyjnymi instrumentami i dobrą teorią można z tych pulsacji wyczytać nie tylko fakt, że powstał ekstremalny obiekt, ale też jak szybko się obraca, jakie ma otoczenie i jak działa grawitacja w jego pobliżu.