Исследователи из Университета штата Луизиана помогли обнаружить, возможно, первое явное свидетельство гамма-излучения сверхсветящейся сверхновой, используя данные космического гамма-телескопа «Ферми»

Это открытие позволяет по-новому взглянуть на мощные магнетары, которые, как считается, являются причиной самых ярких звездных взрывов во Вселенной.

Международная группа ученых, изучающая данные, полученные с помощью космического гамма-телескопа «Ферми», пришла к выводу, что телескоп зафиксировал редкую сверхновую с необычайно высокой светимостью. По мнению исследователей, источником энергии для нее, скорее всего, стала сверхнамагниченная нейтронная звезда, образовавшаяся в результате коллапса звезды, вызвавшего взрыв.

«Ферми» — одна из обсерваторий НАСА, которые следят за изменениями в космосе, чтобы помочь человечеству лучше понять, как устроена Вселенная.

«Почти 20 лет астрономы изучали данные телескопа «Ферми» в поисках гамма-излучения от тысяч сверхновых. Было получено несколько интригующих результатов, но ни один из них не был окончательным», — сказал руководитель исследования Фабио Асеро из Университета Париж-Сакле во Франции.

Сверхновые типа II возникают, когда в энергопроизводящем центре звезды, масса которой во много раз превышает массу нашего Солнца, заканчивается топливо, он коллапсирует под собственным весом и взрывается. В результате коллапса может образоваться нейтронная звезда размером с город или даже черная дыра меньшего размера. Взрывная волна уносит остатки звезды, которые быстро расширяются в виде горячего плотного облака ионизированного газа.

За последние пару десятилетий было обнаружено около 400 исключительных сверхновых типа II. Каждое из этих событий, получивших название сверхярких сверхновых, сопровождалось выбросом в 10 и более раз большего количества видимого света, чем обычно.

В 2024 году в исследовании, проведенном под руководством Ли Шана из Аньхойского университета в Хэфэе, Китай, было отмечено, что Большой телескоп Ферми, возможно, зафиксировал гамма-излучение от сверхяркой сверхновой, вспыхнувшей несколькими годами ранее.

Эта сверхмощная вспышка, получившая название SN 2017egm, произошла в галактике NGC 3191, расположенной примерно в 440 миллионах световых лет от нас в созвездии Большой Медведицы. Даже на таком расстоянии этот взрыв остается одним из самых близких к нам на Земле.

«Мы искали гамма-излучение от шести ближайших сверхярких сверхновых, наблюдавшихся в течение первых 16 лет работы телескопа «Ферми», — говорит Гильем Марти-Девеса, исследователь, ранее работавший в Университете Триеста в Италии, а сейчас — в Институте космических наук в Барселоне, Испания.

— Только у SN 2017egm есть признаки гамма-излучения, что подтверждает более ранние предположения о том, что некоторые сверхновые могут излучать столько же гамма-лучей, сколько и видимого света». Это открывает новые возможности для изучения этих удивительных явлений.

Теоретики спорят о возможных источниках энергии, которые придают этим взрывам дополнительную силу. Одной из самых популярных теорий является образование магнетара — типа нейтронной звезды с самым сильным из известных магнитных полей, в 1000 раз превосходящим по силе магнитное поле обычных нейтронных звезд.

Команда провела более глубокий анализ наблюдаемых оптических и гамма-излучающих характеристик сверхновой, чтобы сравнить, насколько хорошо их воспроизводят различные теоретические модели. Модель, разработанная соавторами Индреком Вурмом из Тартуского университета в Эстонии и Брайаном Мецгером из Колумбийского университета в Нью-Йорке, показывает, как свет и частицы, испускаемые новорожденным магнетаром, движутся наружу и взаимодействуют с расширяющимися остатками сверхновой.

Ученые предполагают, что только что образовавшийся магнетар будет вращаться со скоростью несколько сотен оборотов в секунду. Из-за быстрого вращения происходит интенсивный отток электронов и позитронов, их антивещественных аналогов, что приводит к образованию огромного облака из заряженных частиц.

В этом облаке, называемом туманностью магнетарного ветра, различные взаимодействия приводят к образованию и поглощению гамма-лучей — самой высокоэнергетической формы света. Например, электрон и позитрон могут аннигилировать, превращаясь в пару гамма-фотонов, или два гамма-луча могут столкнуться и образовать частицы. Таким и другими способами гамма-лучи взаимодействуют с остатками сверхновой. Не имея возможности выйти напрямую, они преобразуются в видимый свет с более низкой энергией, что обеспечивает сверхновой дополнительный прирост яркости.

«Примерно через три месяца после коллапса, когда остатки сверхновой расширяются и остывают, гамма-лучи начинают просачиваться наружу, — говорит Асеро. — Эта модель магнетара лучше всего воспроизводит яркость сверхновой и время прихода гамма-излучения в первые месяцы, но мы видим, что в более поздние периоды, когда видимый свет угасает довольно неравномерно, можно добиться большего».

«Гамма-лучи позволяют нам напрямую исследовать центральный источник энергии, питающий эти взрывы», — говорит Манос Хацопулос, доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Луизиана, который помогал оценивать конкурирующие теоретические модели этого события, в том числе сценарии, связанные с магнетарами и околозвёздным взаимодействием. «Согласно моделям, высокоэнергетическое излучение может появиться, когда расширяющиеся выбросы станут достаточно прозрачными. Однако до сих пор у нас не было ни достаточно близкого события, ни достаточного количества длительных наблюдений в гамма-диапазоне, чтобы однозначно идентифицировать такой сигнал». Это открытие может стать одним из самых убедительных доказательств того, что мы непосредственно наблюдаем эти процессы в действии."

Асеро и его коллеги предполагают, что в длительном затухании SN 2017egm, вероятно, сыграли свою роль и другие процессы. К ним относятся падение обломков на магнетар и взаимодействие взрывной волны с веществом, выброшенным звездой за столетия до ее гибели.

Команда также изучила, насколько хорошо новый наземный гамма-телескоп «Обсерватория с антенной решеткой из черенковских телескопов» сможет обнаруживать такие события, как SN 2017egm. По их словам, при 50 часах наблюдений можно обнаружить аналогичную сверхновую на расстоянии около 500 миллионов световых лет. Наше понимание таких явлений, как SN 2017egm, улучшится благодаря сотрудничеству между такими объектами и сетью космических обсерваторий NASA, которые отслеживают стремительные изменения во Вселенной.

«Телескоп “Ферми” продолжает удивлять нас даже спустя почти два десятилетия наблюдений, — говорит Микела Негро, доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Луизиана и член коллаборации Большого телескопа “Ферми”, которая участвовала в анализе гамма-излучения и помогала координировать совместную работу наблюдателей и теоретиков, участвовавших в исследовании. — Это открытие открывает новые возможности для изучения физики сверхярких сверхновых и подчеркивает важность будущих высокочувствительных гамма-обсерваторий».

«Механизм центрального двигателя магнетара, описанный в этой статье, основан на многочисленных наблюдениях и теоретических разработках в области магнетаров за последние 20 лет», — сказала Джуди Ракузин, заместитель руководителя проекта миссии «Ферми» в Центре космических полётов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. «Наблюдение за гамма-излучением сверхновых даст нам новый способ изучения их внутреннего устройства».

На изображении:

Сверхяркая сверхновая SN 2017egm была обнаружена миссией «Гайя» Европейского космического агентства 23 мая 2017 года. Она взорвалась в массивной спиральной галактике с перемычкой, известной как NGC 3191, которая показана слева до взрыва. На снимке справа, сделанном 1 июля 2017 года, видно, как сверхновая затмевает всю свою галактику.

Изображение на правой панели получено с помощью оптического телескопа «Нордик» и прибора ALFOSC, адаптировано из работы Bose et al. (2020).