
Сверхновые являются впечатляющим конечным результатом коллапса звезд, масса которых более чем в 8-10 раз превышает массу Солнца. Они являются основными источниками химических элементов (таких как углерод, кислород, кремний и железо), которые делают возможной жизнь. Коллапс ядра этих взорвавшихся звезд может привести к образованию гораздо меньших по размеру нейтронных звезд, состоящих из самой плотной материи в известной вселенной, или черных дыр.
Сверхновая 1987A, расположенная в Большом Магеллановом облаке, соседней карликовой галактике, была ближайшей и ярчайшей сверхновой, виденной в ночном небе за 400 лет.
Нейтрино, невообразимо малые субатомные частицы, были произведены сверхновой и обнаружены 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 схлопнулась в черную дыру, поскольку звезда была затемнена пылью, образовавшейся после взрыва.
В новом исследовании исследователи использовали два прибора космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), MIRI и NIRSpec, для наблюдения сверхновой в инфракрасном диапазоне длин волн и обнаружили признаки наличия тяжелых атомов аргона и серы, у которых были оторваны внешние электроны (т. е. атомы были ионизированы) вблизи места взрыва 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, ускоряемых быстро вращающейся нейтронной звездой и взаимодействующих с окружающим материалом сверхновой (туманностью пульсарного ветра).
Если верен первый сценарий, поверхность нейтронной звезды должна быть около миллиона градусов, остыв со 100 миллиардов градусов или около того в момент образования в центре коллапса более 30 лет назад.
Соавтор профессор Майк Барлоу (UCL Physics & Astronomy) сказал: "Наше обнаружение с помощью спектрометров MIRI и NIRSpec Джеймса Уэбба линий излучения сильно ионизированного аргона и серы из самого центра туманности, окружающей Сверхновую 1987A, является прямым доказательством присутствия центрального источника ионизирующего излучения. Наши данные могут быть сопоставлены только с нейтронной звездой в качестве источника энергии этого ионизирующего излучения.
"Это излучение может исходить от поверхности горячей нейтронной звезды с температурой в миллион градусов, а также от туманности пульсарного ветра, которая могла возникнуть, если нейтронная звезда быстро вращается и увлекает за собой заряженные частицы.
"Загадка о том, скрывается ли нейтронная звезда в пыли, существует уже более 30 лет, и это захватывающе, что мы ее разгадали.
"Сверхновые являются основными источниками химических элементов, которые делают возможной жизнь, поэтому мы хотим, чтобы наши модели были правильными. Нет другого объекта, подобного нейтронной звезде из Сверхновой 1987A, который был бы так близок к нам и сформировался так недавно. Поскольку материал, окружающий ее, расширяется, со временем мы увидим его больше."
Профессор Клаас Франссон (Стокгольмский университет, Швеция), ведущий автор исследования, сказал: "Благодаря превосходному пространственному разрешению и отличным инструментам на JWST мы впервые смогли исследовать центр сверхновой и то, что там образовалось.
"Теперь мы знаем, что существует компактный источник ионизирующего излучения, скорее всего, нейтронной звезды. Мы искали это с момента взрыва, но нам пришлось подождать, пока JWST сможет подтвердить предсказания. "
Доктор Патрик Кавана (Университет Мейнута, Ирландия), другой автор исследования, сказал: "Было так захватывающе впервые взглянуть на наблюдения SN 1987A, сделанные JWST. Когда мы проверяли данные MIRI и NIRSpec, вспыхнуло 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 Джозефин Ларссон (Королевский технологический институт (KTH), Швеция), соавтор исследования, сказал: "Эта сверхновая продолжает преподносить нам сюрпризы. Никто не предсказывал, что компактный объект будет обнаружен по сверхсильной линии излучения аргона, поэтому забавно, что именно так 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.
В то время как большая часть массы взорвавшейся звезды в настоящее время расширяется со скоростью до 10 000 км / с и распределена по большому объему, ионизированные атомы аргона и серы наблюдались вблизи центра, где произошел взрыв.
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, которое, как считается, ионизировало атомы, было предсказано в 1992 году как уникальный признак недавно созданной нейтронной звезды.
Эти ионизированные атомы были обнаружены приборами MIRI Джеймса Уэбба и NIRSpec 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 Калифорнийского университета в Калифорнийском университете в Лаборатории космических наук Малларда спроектировала и изготовила калибровочный источник NIRSpec, который позволяет прибору проводить 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.
SN 1987A - наиболее изученная и лучше всего наблюдаемая сверхновая из всех.
Взорвавшаяся 23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом облаке на юге неба на расстоянии 160 000 световых лет, она была ближайшей сверхновой со времен последней сверхновой, наблюдаемой невооруженным глазом Иоганном Кеплером в 1604 году. За несколько месяцев до ее исчезновения SN 1987A можно было увидеть невооруженным глазом даже на таком расстоянии.
Что еще более важно, это единственная сверхновая, которая была обнаружена по ее нейтрино. Это очень важно, поскольку было предсказано, что 99,9% огромной энергии, излученной при этом событии, будет потеряно в виде этих чрезвычайно слабо взаимодействующих частиц.
Оставшиеся 0,1% проявляются в энергии расширения остатка и в виде света. Из огромного количества (около 10 в степени 58) испущенных нейтрино, около 20 были обнаружены тремя разными детекторами по всей Земле, начиная с коллапса в ядре звезды 23 февраля в 7:35:35 по восточному времени.
SN 1987A также была первой сверхновой, взорвавшуюся звезду которой 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 всего лишь центральное ядро схлопнувшейся звезды, масса которого в 1,5 раза превышает массу Солнца. Оставшаяся часть выбрасывается со скоростью до 10% от скорости света, образуя расширяющийся остаток, который мы непосредственно наблюдаем сегодня.
"Большая" 10-секундная длительность нейтринного всплеска указывала на образование нейтронной звезды, но, несмотря на несколько интересных данных радио- и рентгеновских наблюдений, до сих пор не было найдено убедительных доказательств существования компактного объекта, и это было основной нерешенной проблемой для SN 1987A.
Важной причиной этого может быть большая масса пылевых частиц, которые, как мы знаем, образовались в течение многих лет после взрыва. Эта пыль могла блокировать большую часть видимого света из центра и, следовательно, скрывать компактный объект на видимых длинах волн.
В своем исследовании авторы обсуждают две основные возможности: либо излучение от горячей, в миллионы градусов, новорожденной нейтронной звезды, либо, альтернативно, излучение от энергичных частиц, ускоренных в сильном магнитном поле 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 приводят к схожим прогнозам для спектра, которые хорошо согласуются с наблюдениями, но их трудно отличить. Дальнейшие наблюдения с помощью JWST и наземных телескопов в видимом свете, а также 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.
Подводя итог, эти новые наблюдения JWST, вместе с предыдущими наблюдениями прародителя и нейтрино, дают полную картину этого уникального объекта.
Источник: Science, Университетский колледж Лондона
На изображении:
Комбинация изображения SN 1987A, полученного космическим телескопом Хаббл, и компактного источника аргона. Слабый синий источник в центре - это излучение компактного источника, обнаруженное прибором JWST / NIRSpec. Снаружи это звездные обломки, содержащие большую часть массы, расширяющиеся со скоростью тысячи км в секунду. Внутренняя яркая "нитка жемчуга" - это газ из внешних слоев звезды, который был выброшен примерно за 20 000 лет до последнего взрыва. Быстрые обломки сейчас сталкиваются с кольцом, что объясняет появление ярких пятен. За пределами внутреннего кольца находятся два внешних кольца, предположительно образованных в результате того же процесса, что и внутреннее кольцо. Яркие звезды слева и справа от внутреннего кольца не имеют отношения к сверхновой.
Фото: Космический телескоп Хаббла WFPC-3 / Космический телескоп Джеймса Уэбба NIRSpec / Дж. Ларссон