Точные измерения дают ключ к разгадке космического происхождения магнетара

Магнетар Свифт J1818.0-1617. Автор: NSF, AUI, NSF NRAO, S. Dagnello.

Международная группа астрономов использовала мощный массив радиотелескопов, чтобы получить новую информацию о магнетаре, которому всего несколько сотен лет. Благодаря точным измерениям положения и скорости магнетара появляются новые подсказки относительно пути его развития.

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

Когда этот луч направлен так, что его видно с Земли, звезду также называют пульсаром. А когда образуется нейтронная звезда с быстрым вращением, подобным пульсару, и магнитным полем, в тысячи раз более сильным, чем у типичной нейтронной звезды, ей дают обозначение магнетар. Эти звезды упаковывают примерно вдвое большую массу нашего Солнца и имеют физический размер в масштабе десятков километров — размер города.

Несмотря на то, что между нейтронными звездами, пульсарами и магнетарами существует много общего, астрономы до сих пор озадачены тем, какие условия заставляют эти экстремальные звезды эволюционировать по столь разным траекториям.

Теперь группа астрономов во главе с Хао Дином из РСДБ-обсерватории Мизусава Национальной астрономической обсерватории Японии использовала решетку со сверхдлинной базой (VLBA) Национального научного фонда США (NSF) Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) для определения ключевых характеристик. недавно открытого магнетара с беспрецедентной точностью.

В настоящее время существует 30 подтвержденных магнетаров, но только восемь из них достаточно похожи, чтобы иметь отношение к этому исследованию. Дин 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 является самый молодой из обнаруженных на данный момент, и это самый быстро вращающийся магнетар, вращающийся с периодом вращения 1,36 секунды.

Swift J1818.0-1607 расположен в созвездии Стрельца. Расположенная на другой стороне центральной галактической выпуклости — внутри галактики Млечный Путь — всего в 22 000 световых годах от Земли, она расположена относительно близко к Земле. Фактически, достаточно близко, чтобы использовать метод параллакса для точного определения его трехмерного местоположения внутри галактики. (Метод параллакса вычисляет расстояние, используя видимое изменение положения объекта относительно известных удаленных фоновых объектов.)

Продолжительность жизни магнетара в настоящее время неизвестна, но, по оценкам астрономов, Swift J1818.0-1607 составляет всего несколько сотен лет. Яркое рентгеновское излучение магнетара требует механизма чрезвычайно высокого оттока энергии; только быстрое затухание его интенсивного магнитного поля может объяснить силу этих спектральных сигнатур. Но это тоже экстремальный процесс.

Что касается обычных звезд главной последовательности, то ярко-голубые звезды живут очень недолго, потому что они сгорают свое топливо гораздо быстрее, чем их желтые братья и сестры. Физика магнетаров иная, но они, вероятно, тоже имеют более короткую продолжительность жизни, чем их родственники-пульсары. «Магнетары очень молоды, потому что они не могут продолжать выделять энергию с такой скоростью очень долго», — объясняет Дин.

Кроме того, магнетары также могут демонстрировать излучение в нижней части электромагнитного спектра — в радиоволнах. Для них источником энергии, вероятно, является синхротронное излучение быстрого вращения магнетара.

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

«VLBA предоставил нам превосходное угловое разрешение для измерения этого крохотного параллакса», — говорит Дин. «Пространственное разрешение не имеет себе равных».

Результаты, опубликованные в августе 2024 года в The Astrophysical Journal Letters, подробно описывают параллакс Swift J1818.0-1607 как один из самых маленьких среди нейтронных звезд, а его так называемую поперечную скорость как наименьшую (новый нижний предел) среди магнетаров.

Скорость в астрономии легче всего описать как имеющую два компонента или направления. Ее лучевая скорость описывает, насколько быстро она движется по лучу зрения, что в данном случае означает по радиусу галактики. Для такого магнетара, как Swift J1818.0-1607, расположенного по другую сторону центрального балджа, слишком много другого материала не позволяет точно определить лучевую скорость. Поперечная скорость, иногда называемая пекулярной скоростью, описывает движение, перпендикулярное плоскости галактики, и ее легче различить.

Пытаясь понять процессы формирования, которые являются общими (и разными) между «обычными» нейтронными звездами, пульсарами и магнетарами, они надеются использовать точные измерения поперечной скорости, чтобы помочь проанализировать условия, которые заставляют звезду развиваться. по одному из этих трех путей.

Дин говорит, что это исследование добавляет веса теории о том, что магнетары вряд ли образуются в тех же условиях, что и молодые пульсары, тем самым предполагая, что магнетары возникают в результате более экзотических процессов формирования.

«Нам нужно знать, как быстро двигался магнетар, когда он только родился», — говорит Дин. Механизм образования магнетаров до сих пор остается загадкой, которую мы хотели бы понять».

Больше информации: Hao Ding et al, VLBA Astrometry of the Fastest-spinning Magnetar Swift J1818.0−1607: A Large Trigonometric Distance and a Small Transverse Velocity, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad5550

Источник: National Radio Astronomy Observatory