Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), астрономы завершили почти десятилетнюю игру в небесные прятки после того, как обнаружили нейтронную звезду среди обломков звёздного взрыва.
Сверхновая 1987А представляет собой остатки взорвавшейся звезды, масса которой когда-то была примерно в 8-10 раз больше массы нашего солнца. Она расположена на расстоянии около 170 тысяч световых лет от Земли в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике, соседствующей с Млечным Путём. Сверхновая 1987А была впервые замечена астрономами 37 лет назад, в 1987 году, отсюда и цифровой аспект её названия. Взорвавшись, сверхновая 1987А сначала осыпала Землю призрачными частицами, называемыми нейтрино, а затем стала видимой в ярком свете. Это сделало её ближайшей и самой яркой сверхновой, наблюдавшейся в ночном небе над Землёй за последние 400 лет.
Взрывы сверхновых, подобные этому, ответственны за заселение космоса такими элементами, как углерод, кислород, кремний и железо. Эти элементы в конечном итоге становятся строительными блоками звёзд и планет следующего поколения и даже могут образовывать молекулы, которые однажды могут стать неотъемлемой частью жизни в том виде, в каком мы её знаем. В результате этих взрывов также образуются компактные остатки звёзд либо в форме нейтронных звёзд, либо чёрных дыр; в течение 37 лет астрономы не знали, какая из них может скрываться в сердце сверхновой 1987A.
«В течение долгого времени мы искали доказательства существования нейтронной звезды в газе и пыли сверхновой 1987А, — рассказал Space.com Майк Барлоу (Mike Barlow), заслуженный профессор физики и астрономии и член команды, стоящей за этим открытием. — Наконец-то у нас есть доказательства, которые мы искали.»
Как нейтронная звезда могла скрываться в течение 4 десятилетий?
Нейтронные звёзды рождаются, когда массивные звёзды исчерпывают свои запасы топлива, необходимые для ядерного синтеза, происходящего в их ядрах. Это отсекает внешнюю энергию, исходящую из ядер этих звёзд, и защищает их от коллапса под действием собственной гравитации.
Когда звёздное ядро коллапсирует, мощные взрывы сверхновых прорываются сквозь внешние слои звезды, просто их уничтожая. В результате остаётся «мёртвая» звезда шириной со среднестатистический город на Земле, но с массой, примерно в один или два раза превышающей солнечную; в конечном итоге звезда состоит из жидкости нейтронных частиц, которая является самой плотной из известных материй во Вселенной.
Однако нейтронные звёзды удерживаются от полного коллапса благодаря квантовым эффектам, возникающим между нейтронами в их недрах. Эти эффекты не позволяют нейтронам слипаться друг с другом. Это так называемое «давление нейтронного вырождения» можно преодолеть, если ядро звезды имеет достаточную массу — или если нейтронная звезда после своего создания накапливает большую массу. Это в состоянии приводить к рождению чёрной дыры (хотя, если минимум массы не будет достигнут, этого не произойдёт).
Учёные были совершенно уверены, что объект в виде сверхновой 1987A является нейтронной звездой, но они не могли исключить возможность того, что эта недавно умершая звезда, по крайней мере, такой, какой мы её видим 170 тыс. или около того лет назад, не набрала достаточной массы, чтобы превратиться в чёрную дыру.
«Ещё одна возможность заключалась в том, что падающее вещество могло аккрецироваться на нейтронную звезду и вызвать её коллапс в чёрную дыру. Таким образом, чёрная дыра была возможным альтернативным сценарием, — сказал Барлоу. — Однако спектр, который создаёт падающий материал, не является подходящим типом спектра для объяснения излучения, которое мы видим.»
Становится теплее…
Недавно идентифицированная нейтронная звезда избегала обнаружения в течение 37 лет из-за того, что, будучи новорожденной, она всё ещё была окружена толстой пеленой газа и пыли, образовавшейся во время взрыва сверхновой, которая сигнализировала о смертельных агониях её звезды-прародительницы.
«Обнаружение было затруднено тем фактом, что сверхновая конденсировала около половины солнечной массы пыли в последующие годы после взрыва, — сказал Барлоу. — Эта пыль действовала как экран, скрывающий излучение из центра сверхновой 1987A.»
Пыль гораздо менее эффективно блокирует инфракрасный свет, чем видимый свет. Поэтому, чтобы заглянуть сквозь эту смертельную пелену в самое сердце сверхновой 1987А, Барлоу и его коллеги обратились к высокочувствительному инфракрасному глазу JWST, в частности к прибору среднего инфракрасного диапазона и спектрографу ближнего инфракрасного диапазона.
Неопровержимые доказательства существования этой скрытой нейтронной звезды были связаны с выбросами элементов аргона и серы, исходящими из центра Сверхновой 1987А. Эти элементы ионизированы, то есть у них оторваны электроны от их атомов. Барлоу сказал, что эта ионизация могла произойти только из-за излучения, испускаемого нейтронной звездой.
Выбросы позволили команде установить ограничение на яркость некогда скрытой нейтронной звезды. Они определили, что она составляет примерно десятую часть яркости Солнца.
Команда, возможно, определила, что нейтронная звезда была рождена Сверхновой 1987A, но ещё не все тайны этой нейтронной звезды разгаданы.
Это потому, что ионизация аргона и серы, которая послужила убедительным доказательством, могла быть вызвана нейтронной звездой одним из двух способов. Ветры заряженных частиц, захваченные и ускоренные почти до скорости света быстро вращающейся нейтронной звездой, могли взаимодействовать с окружающим сверхновым материалом, вызывая ионизацию. Или ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, испускаемое поверхностью горячей нейтронной звезды, нагретой в миллион градусов, могло оторвать электроны от атомов в центре этих звёздных обломков.
Если верен первый сценарий, то нейтронная звезда в центре Сверхновой 1987А на самом деле представляет собой пульсар, окружённый туманностью пульсарного ветра. Пульсары — это, по сути, вращающиеся нейтронные звёзды. Однако, если правильным рецептом для этих выбросов является последний сценарий, то эта близкая сверхновая породила «голую» нейтронную звезду, поверхность которой была бы открыта непосредственно космосу.
Барлоу предположил, что исследователи смогут отличить голую нейтронную звезду от звезды, окутанной туманностью пульсарного ветра, проведя дальнейшие инфракрасные наблюдения сердца «верхновой 1987А с помощью инструмента NIRSpec JWST.
«У нас есть программа, которая сейчас собирает данные, и которая будет получать данные с разрешением в 3 или 4 раза выше в ближнем инфракрасном диапазоне, — заключил он. — Таким образом, получив эти новые данные, мы, возможно, сможем различить две модели, которые были предложены для объяснения излучения, вызванного нейтронной звездой.»
Исследование команды было опубликовано в четверг (22 февраля) в журнале Science.
