Точные измерения дают ключ к разгадке космического происхождения магнетара

Международная группа астрономов использовала мощный набор радиотелескопов, чтобы получить новые сведения о магнетаре, возраст которого составляет всего несколько сотен лет. Благодаря точным измерениям положения и скорости магнетара появились новые сведения о его пути развития.

Когда звезда относительно большой массы разрушается в конце своей жизни и взрывается в виде сверхновой, она может оставить после себя сверхплотную звезду, называемую нейтронной звездой. Экстремальные силы во время ее формирования часто заставляют нейтронные звезды вращаться очень быстро, испуская лучи света, как маяк.

Когда этот луч выравнивается так, что его видно с Земли, звезду также называют пульсаром. А когда образуется нейтронная звезда с быстрым пульсароподобным вращением и магнитным полем в тысячи раз сильнее, чем у обычной нейтронной звезды, ей присваивают название магнетар. Эти звезды вмещают примерно вдвое большую массу, чем наше Солнце, в физический размер в десятки километров — размером с город.

Несмотря на то что между нейтронными звездами, пульсарами и магнетарами есть много общего, астрономы до сих пор ломают голову над тем, какие условия заставляют эти экстремальные звезды развиваться по столь разным путям.

Теперь группа астрономов под руководством Хао Динга из обсерватории Mizusawa VLBI (Национальная астрономическая обсерватория Японии) с помощью массива очень длинных базовых линий (VLBA) Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) Национального научного фонда США (NSF) определила ключевые характеристики недавно открытого магнетара с беспрецедентной точностью.

В настоящее время существует 30 подтвержденных магнетаров, но только восемь из них достаточно похожи друг на друга, чтобы иметь отношение к данному исследованию. Динг и его команда использовали NSF VLBA в течение трех лет для сбора данных о положении и скорости магнетара Swift J1818.0-1607, который был открыт в начале 2020 года. Считается, что Swift J1818.0-1607 — самый молодой из обнаруженных на данный момент магнетаров и самый быстро вращающийся, его период вращения составляет 1,36 секунды.

Swift J1818.0-1607 находится в созвездии Стрельца. Находясь по другую сторону центральной галактической выпуклости в галактике Млечный Путь на расстоянии всего 22 000 световых лет, он расположен относительно близко к Земле. Достаточно близко, чтобы использовать метод параллакса для точного определения его трехмерного положения в галактике. (Метод параллакса позволяет рассчитать расстояние, используя кажущееся изменение положения объекта по отношению к известным удаленным фоновым объектам).

Продолжительность жизни магнетара на данный момент неизвестна, но, по оценкам астрономов, возраст Swift J1818.0-1607 составляет всего несколько сотен лет. Яркое рентгеновское излучение магнетара требует наличия механизма оттока чрезвычайно высокой энергии; только быстрый распад его интенсивного магнитного поля может объяснить мощность этих спектральных сигнатур. Но это тоже экстремальный процесс.

Для обычных звезд главной последовательности ярко-голубые звезды живут очень недолго, потому что они сжигают свое топливо гораздо быстрее, чем их желтые собратья. Физика магнетаров иная, но и они, скорее всего, имеют более короткий срок жизни, чем их родственники-пульсары. «Магнетары очень молоды, потому что они не могут долго излучать энергию с такой скоростью», — объясняет Динг.

Кроме того, магнетары могут демонстрировать излучение в нижней части электромагнитного спектра — на радиоволнах. Для них источником энергии, скорее всего, является синхротронное излучение, вызванное быстрым вращением магнетара.

В синхротронном излучении плазма, окружающая саму нейтронную звезду, настолько плотно прилегает к ее поверхности, что вращается почти со скоростью света, генерируя излучение в радиодиапазоне волн. Эти радиоизлучения были обнаружены прибором NSF VLBA в течение трех лет наблюдений.

«VLBA обеспечила нам превосходное угловое разрешение для измерения этого крошечного параллакса», — говорит Динг. «Пространственное разрешение не имеет аналогов».

Результаты, опубликованные в августе 2024 года в журнале The Astrophysical Journal Letters, показывают, что параллакс Свифта J1818.0-1607 — один из самых маленьких для нейтронных звезд, а его так называемая поперечная скорость — самая маленькая (новый нижний предел) среди магнетаров.

Скорость в астрономии проще всего описать как имеющую две составляющие, или направления. Радиальная скорость описывает, насколько быстро она движется вдоль линии визирования, что в данном случае означает вдоль радиуса галактики. Для магнетара, такого как Swift J1818.0-1607, расположенного по другую сторону центральной выпуклости, на пути слишком много другого материала, чтобы точно определить радиальную скорость. Поперечная скорость, иногда называемая особой скоростью, описывает движение перпендикулярно плоскости галактики, и ее легче определить.

Астрономы пытаются понять общие и разные процессы формирования «обычных» нейтронных звезд, пульсаров и магнетаров и надеются с помощью точных измерений поперечной скорости определить условия, которые заставляют звезду развиваться по одному из этих трех путей.

Динг говорит, что это исследование добавляет весомости теории, согласно которой магнетары вряд ли формируются в тех же условиях, что и молодые пульсары, что позволяет предположить, что магнетары появляются в результате более экзотических процессов формирования.

«Нам нужно знать, с какой скоростью двигался магнетар, когда он только родился, — говорит Динг. Механизм образования магнетаров все еще остается загадкой, которую мы хотели бы понять».