Международная группа астрономов, включая профессора UCL (Университетского колледжа Лондона) Майка Барлоу, обнаружила первое убедительное доказательство существования нейтронной звезды в центре сверхновой 1987А, взрыва звезды, наблюдавшегося 37 лет назад.
Сверхновые — эффектный конечный результат коллапса звезд, масса которых в 8–10 раз превышает массу Солнца. Они являются основными источниками химических элементов (таких как углерод, кислород, кремний и железо), которые делают жизнь возможной. Коллапс ядра этих взрывающихся звезд может привести к образованию нейтронных звезд гораздо меньшего размера, состоящих из самой плотной материи в известной Вселенной, или черных дыр.
Сверхновая 1987А, расположенная в Большом Магеллановом Облаке, соседней карликовой галактике, была ближайшей и самой яркой сверхновой, замеченной в ночном небе за 400 лет.
Нейтрино, невообразимо маленькие субатомные частицы, были произведены в сверхновой и обнаружены на Земле (23 февраля 1987 г.) за день до того, как была замечена сверхновая, что указывает на то, что, должно быть, образовалась нейтронная звезда. Однако неизвестно, сохранилась ли нейтронная звезда или превратилась в черную дыру, поскольку звезда была скрыта пылью, образовавшейся после взрыва.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи использовали два инструмента на космическом телескопе Джеймса Уэбба (JWST), MIRI и NIRSpec, для наблюдения сверхновой в инфракрасных волнах и обнаружили доказательства присутствия тяжелых атомов аргона и серы, чьи внешние электроны были были удалены (т.е. атомы были ионизированы) недалеко от места, где произошел взрыв звезды.
Команда смоделировала различные сценарии и обнаружила, что эти атомы могли быть ионизированы только ультрафиолетовым и рентгеновским излучением горячей остывающей нейтронной звезды или, альтернативно, ветрами релятивистских частиц, ускоренных быстро вращающейся нейтронной звездой и взаимодействующих с нейтронной звездой. окружающее сверхновую вещество (пульсарная ветровая туманность).
Если первый сценарий верен, температура поверхности нейтронной звезды будет около миллиона градусов, поскольку она остынет со 100 миллиардов градусов или около того в момент формирования в ядре коллапса более 30 лет назад.
Соавтор профессор Майк Барлоу (UCL Physics & Astronomy) сказал: «Наше обнаружение с помощью спектрометров Джеймса Уэбба MIRI и NIRSpec сильных эмиссионных линий ионизированного аргона и серы из самого центра туманности, окружающей Сверхновую 1987A, является прямым свидетельством присутствия центральный источник ионизирующего излучения. Наши данные могут быть дополнены только нейтронной звездой в качестве источника энергии этого ионизирующего излучения.
«Это излучение может исходить от поверхности горячей нейтронной звезды, находящейся в миллион градусов, а также от пульсарной ветровой туманности, которая могла бы возникнуть, если бы нейтронная звезда быстро вращалась и увлекала за собой заряженные частицы.
«Тайна того, скрывается ли нейтронная звезда в пыли, длится уже более 30 лет, и интересно, что мы ее разгадали.
«Сверхновые являются основными источниками химических элементов, которые делают жизнь возможной, поэтому мы хотим правильно построить их модели. Нет другого объекта, подобного нейтронной звезде в Сверхновой 1987А, который был бы так близок к нам и сформировался так недавно. Поскольку окружающий его материал расширяется, со временем мы увидим его больше».
Профессор Клас Франссон (Стокгольмский университет, Швеция), ведущий автор исследования, сказал: «Благодаря превосходному пространственному разрешению и превосходным инструментам JWST мы впервые смогли исследовать центр сверхновой и то, что был создан там.
«Теперь мы знаем, что существует компактный источник ионизирующего излучения, скорее всего, нейтронная звезда. Мы искали это с момента взрыва, но нам пришлось ждать, пока JWST сможет проверить предсказания».
Доктор Патрик Кавана (Университет Мейнут, Ирландия), другой автор исследования, сказал: «Было так интересно впервые наблюдать за наблюдениями SN 1987A с помощью JWST. Когда мы проверили данные MIRI и NIRSpec, выскочило очень яркое излучение аргона в центре SN 1987A. Мы сразу поняли, что это нечто особенное, что может наконец ответить на вопрос о природе компактного объекта».
Профессор Йозефин Ларссон (Королевский технологический институт (KTH), Швеция), соавтор исследования, сказал: «Эта сверхновая продолжает преподносить нам сюрпризы. Никто не предсказал, что компактный объект будет обнаружен по сверхсильной линии излучения аргона, поэтому забавно, что именно таким образом мы обнаружили его в JWST».
Модели показывают, что тяжелые атомы аргона и серы образуются в большом количестве в результате нуклеосинтеза внутри массивных звезд непосредственно перед их взрывом.
Хотя большая часть массы взорвавшейся звезды сейчас расширяется со скоростью до 10 000 км/сек и распределяется по большому объему, ионизированные атомы аргона и серы наблюдались вблизи центра, где произошел взрыв.
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, которое, как считается, ионизирует атомы, было предсказано в 1992 году как уникальный признак вновь созданной нейтронной звезды.
Эти ионизированные атомы были обнаружены инструментами MIRI и NIRSpec Джеймса Уэбба с использованием метода, называемого спектроскопией, при котором свет распределяется по спектру, что позволяет астрономам измерять свет на разных длинах волн для определения физических свойств объекта, включая его химический состав.
Команда UCL из Лаборатории космических исследований Малларда спроектировала и изготовила калибровочный источник NIRSpec, который позволяет прибору выполнять более точные измерения, обеспечивая равномерное эталонное освещение его детекторов.
В новом исследовании приняли участие исследователи из Великобритании, Ирландии, Швеции, Франции, Германии, США, Нидерландов, Бельгии, Швейцарии, Австрии, Испании и Дании.
О сверхновой (SN) 1987А
SN 1987A — наиболее изученная и наиболее наблюдаемая сверхновая из всех.
Взорвавшись 23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом Облаке на южном небе на расстоянии 160 000 световых лет, это была самая близкая сверхновая со времен последней сверхновой, наблюдаемой невооруженным глазом Иоганном Кеплером в 1604 году. За несколько месяцев до ее исчезновения SN 1987A могла быть видно невооруженным глазом даже на таком расстоянии.
Что еще более важно, это единственная сверхновая, которую удалось обнаружить по нейтрино. Это очень важно, поскольку было предсказано, что 99,9% огромной энергии, излучаемой в этом событии, будет потеряно в виде этих чрезвычайно слабо взаимодействующих частиц.
Остальные 0,1% проявляются в энергии расширения остатка и в виде света. Из огромного количества (около 10 в 58-й степени) испущенных нейтрино около 20 были обнаружены тремя разными детекторами вокруг Земли в результате коллапса в ядре звезды 23 февраля в 7:35:35 UT.
SN 1987A также была первой сверхновой, в которой взорвавшуюся звезду можно было идентифицировать по изображениям, сделанным до взрыва. Помимо нейтрино, наиболее интересным результатом коллапса и взрыва является предсказание образования черной дыры или нейтронной звезды. Это лишь центральное ядро коллапсирующей звезды с массой в 1,5 раза больше солнечной. Остальное выбрасывается со скоростью до 10% скорости света, образуя расширяющийся остаток, который мы наблюдаем непосредственно сегодня.
«Длинная» 10-секундная нейтринная вспышка указывала на образование нейтронной звезды, но, несмотря на несколько интересных указаний радио- и рентгеновских наблюдений, до сих пор не было найдено никаких убедительных доказательств существования компактного объекта, и это было основным оставшимся нерешенная задача для СН 1987А.
Важной причиной этого может быть большая масса частиц пыли, которая, как мы знаем, образовалась в течение многих лет после взрыва. Эта пыль может блокировать большую часть видимого света из центра и, следовательно, скрывать компактный объект в видимых длинах волн.
Два сценария нейтронной звезды
В своем исследовании авторы обсуждают две основные возможности: либо излучение горячей новорожденной нейтронной звезды, находящейся в миллион градусов, либо, альтернативно, излучение энергичных частиц, ускоренных в сильном магнитном поле, от быстро вращающейся нейтронной звезды (пульсара). Это тот же механизм, который действует в знаменитой Крабовидной туманности с пульсаром в центре, которая является остатком сверхновой, наблюдавшейся китайскими астрономами в 1054 году.
Модели этих двух сценариев дают схожие предсказания спектра, которые хорошо согласуются с наблюдениями, но их трудно различить. Дальнейшие наблюдения с помощью JWST и наземных телескопов в видимом свете, а также с помощью космического телескопа Хаббл, возможно, позволят различить эти модели.
В любом случае, эти новые наблюдения с помощью JWST предоставляют убедительные доказательства существования компактного объекта, скорее всего, нейтронной звезды, в центре SN 1987A.
Таким образом, эти новые наблюдения JWST вместе с предыдущими наблюдениями прародителя и нейтрино дают полную картину этого уникального объекта.
Предоставлено
Университетский колледж Лондона
