Supernowa zaczęła ćwierkać. Astronomowie w szoku
Astronomowie wykryli pierwszą supernową z sygnałem przypominającym ćwierkanie. To może być najmocniejszy ślad, że jej wnętrzem rządzi magnetar.
Zaczęło się od obiektu, który miał być po prostu kolejną bardzo jasną supernową. Tymczasem Joseph Farah z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, pracujący z zespołem Las Cumbres Observatory, zauważył w danych coś, czego w takich wybuchach jeszcze nie widziano: regularne garby w blasku, które pojawiały się coraz szybciej. Dla astronomów był to sygnał, że w centrum eksplozji może działać nie tylko zwykła fala uderzeniowa, ale znacznie bardziej egzotyczny silnik.
To nie był zwykły wybuch gwiazdy
Obiekt SN 2024afav należy do klasy superjasnych supernowych, czyli wybuchów od 10 do 100 razy jaśniejszych niż zwykłe supernowe. Sama ta grupa od lat budzi spory, bo astronomowie wciąż nie mieli pewności, co tak naprawdę pompuje w nią tak ogromne ilości energii. Jedni wskazywali na centralny silnik w postaci świeżo narodzonej gwiazdy neutronowej, drudzy na zderzenia fali wybuchu z gęstymi powłokami gazu wyrzuconego przez gwiazdę jeszcze przed śmiercią.
SN 2024afav leży mniej więcej 1 mld lat świetlnych od Ziemi. Została odkryta 12 grudnia 2024 r., a potem sklasyfikowana jako superjasna supernowa typu I. W pierwszych tygodniach zachowywała się jeszcze dość podręcznikowo: jasność rosła przez około 40 dni. Potem jednak weszła w etap, który rozwalił prostsze modele – pojawiła się seria wyraźnych, niemal sinusoidalnych pofałdowań blasku.
Co właściwie znaczy, że supernowa ćwierka?
Ćwierkanie astronomowie zapożyczyli z badań fal grawitacyjnych. Tam oznacza ono sygnał, którego częstotliwość rośnie w czasie (chirp). Dokładnie tak dzieje się np. wtedy, gdy dwie czarne dziury wirują wokół siebie coraz szybciej przed zderzeniem. W przypadku SN 2024afav nie chodziło jednak o fale grawitacyjne, lecz o światło. Odstępy między kolejnymi garbami na krzywej jasności systematycznie się skracały.
W danych z tej supernowej okres modulacji spadł mniej więcej z około 50 dni do około 20 dni w czasie około 80 dni obserwacji. To nie wyglądało jak losowy bałagan w materii wyrzuconej przez wybuch. Wręcz, przeciwnie – sygnał był zbyt uporządkowany. Autorzy pracy opisują go jako pierwszy jednoznaczny przypadek ćwierkania w supernowej.
W środku najpewniej siedzi magnetar
Najmocniejszym kandydatem na źródło energii okazał się magnetar. To szczególny typ gwiazdy neutronowej, czyli skrajnie gęstej pozostałości po zapadniętym jądrze masywnego obiektu. Gwiazda neutronowa już sama w sobie jest jednym z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie: masa porównywalna ze Słońcem zostaje ściśnięta do kuli o średnicy miasta. Magnetar idzie jeszcze dalej, bo ma także potężne pole magnetyczne i bardzo szybki obrót.
W modelu zaproponowanym dla SN 2024afav taki obiekt działa dosłownie jak kosmiczny akumulator. Oddaje energię do rozszerzającej się materii po wybuchu i dzięki temu supernowa może świecić znacznie jaśniej, niż pozwalałby na to sam rozpad pierwiastków radioaktywnych. Z dopasowania modelu do danych autorzy wyliczyli, że w centrum mógł znajdować się magnetar wirujący początkowo z okresem około 4,2 ms i z polem magnetycznym rzędu 1,6 × 10^14 G. To są wartości absolutnie ekstremalne, ale mieszczące się w fizyce magnetarów.
Sam magnetar nie wystarczał. Potrzebny był jeszcze kołyszący się dysk
Klasyczny model magnetara dobrze tłumaczy ogólną jasność superjasnych supernowych, ale miał jeden słaby punkt. Nie wyjaśniał bowiem tych garbów, a tym bardziej garbów przyspieszających z czasem. Naukowcy zaproponowali więc dodatkowy element układanki. Część materii po eksplozji miała opaść z powrotem do środka i utworzyć przechylony dysk akrecyjny, czyli wirujący dysk gazu i odłamków opadających na magnetar.
I tu do gry wchodzi ogólna teoria względności. Szybko obracający się, bardzo masywny obiekt nie tylko siedzi w czasoprzestrzeni, lecz także ją nieco za sobą wlecze. To zjawisko nazywa się precesją Lensego-Thirringa albo bardziej obrazowo wleczeniem układów inercjalnych. Jeśli wokół takiego obiektu krąży przechylony dysk, może on zacząć się kołysać jak źle wyważony bączek.
Autorzy uznali, że właśnie to kołysanie okresowo zasłaniało i odbijało część światła, a gdy dysk przesuwał się coraz bliżej magnetara, jego kiwanie stawało się coraz szybsze. Stąd brało się właśnie kosmiczne ćwierkanie.
Dlaczego badacze uznali ten trop za tak mocny?
Autorzy nie poprzestali jednak tylko na ciekawej historii ćwierkania. Sprawdzali także inne możliwości, a mianowicie efekty czysto newtonowskie oraz mechanizmy, w których precesję wymuszałoby samo pole magnetyczne. Według ich analizy tylko model z precesją Lensego-Thirringa trafnie odtwarzał jednocześnie dwie rzeczy: sam okres modulacji oraz tempo, w jakim ten okres się zmieniał.
To właśnie dlatego zespół uznał wynik za pierwszy obserwacyjny ślad działania tego efektu w otoczeniu magnetara i za najsilniejszy jak dotąd argument, że magnetary rzeczywiście napędzają przynajmniej część superjasnych supernowych.
To ważne także z innego powodu. W astrofizyce bardzo często mamy kilka modeli, które jako tako pasują do ogólnego kształtu danych. Dużo trudniej znaleźć taki przypadek, w którym natura sama wymusza bardziej precyzyjny test. SN 2024afav stała się właśnie takim laboratorium, bo sygnał nie tylko pulsował, ale robił to w sposób systematycznie przyspieszający. To zawęziło listę sensownych wyjaśnień bardziej niż w większości wcześniejszych przypadków.
Ale to nie musi być koniec historii
Na ten sam obiekt spojrzał też zespół kierowany przez Harsha Kumara. W osobnej analizie badacze wykazali, że SN 2024afav nosi również ślady zderzania się materii po wybuchu z gazem otaczającym gwiazdę. W widmie pojawiają się sygnały wodoru, helu i tlenu, sugerujące, że eksplozja nie rozwijała się w pustce, lecz w środowisku ukształtowanym przez wcześniejszą utratę materii.
To nie obala modelu magnetara, a raczej go uzupełnia. Najbardziej merytoryczny obraz wygląda dziś tak: głównym silnikiem energetycznym supernowej mógł być magnetar z przechylonym dyskiem, ale późniejsze zachowanie części garbów mogło być dodatkowo wzmacniane przez zderzenia rozszerzającej się materii z otaczającym gazem. Innymi słowy, w centrum prawdopodobnie działał silnik, ale obudowa wokół niego też nie była obojętna.
Ta eksplozja może wyjaśnić, co napędza najjaśniejsze supernowe
Superjasne supernowe należą do najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie. Są tak jasne, że astronomowie wykorzystują je jako znaczniki do badania odległego kosmosu i ekstremalnej fizyki. Problem w tym, że dopóki nie wiadomo dokładnie, co je napędza, każda interpretacja ich blasku jest obarczona dużym znakiem zapytania.
Jeśli magnetary rzeczywiście stoją za dużą częścią tych wybuchów, a dodatkowo można w ich świetle czytać skutki zakrzywienia czasoprzestrzeni, to supernowe zaczynają działać jak laboratoria ogólnej teorii względności i fizyki gęstej materii.
To także ważny trop dla badań nad tym, co dzieje się tuż po śmierci masywnej gwiazdy. Jeśli w centrum takiej supernowej naprawdę rodzi się magnetar, to astronomowie dostają rzadką szansę, by podejrzeć moment przejścia od zapadania się jądra gwiazdy do powstania jednego z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. Zwykle ten etap pozostaje ukryty za gęstą, rozgrzaną materią wyrzuconą podczas wybuchu.
To odkrycie było możliwe tylko dzięki globalnym obserwacjom
Pierwszy błysk zarejestrował przegląd ATLAS jeszcze w grudniu 2024 r., ale prawdziwy sukces polegał na tym, co stało się potem. Sieć Las Cumbres Observatory śledziła obiekt przez ponad 200 dni, a zespół na bieżąco zmieniał strategię obserwacji, gdy kolejne garby zaczęły pojawiać się zgodnie z przewidywaniami. Takie odkrycia coraz rzadziej rodzą się z jednego wielkiego teleskopu, a coraz częściej z szybkiej, globalnej koordynacji i gęstego próbkowania jasności w czasie.
Przeczytaj także:
Obserwatorium Vera C. Rubin uruchomiło niedawno pierwsze alerty naukowe, a rozpoczęcie pełnego przeglądu LSST ma być jednym z ostatnich dużych kroków przed regularnym, 10-letnim skanowaniem nieba. Taki system jest wręcz stworzony do wyszukiwania obiektów, które zmieniają jasność w czasie – od supernowych po zmienne gwiazdy i aktywne jądra galaktyk. Jeśli ćwierkające supernowe nie są skrajnie rzadkie, Rubin ma szansę wyłapać ich znacznie więcej.
