Обнаружен магнетар, вероятно, сформировавшийся совсем недавно из двух нейтронных звезд

Магнетары представляют собой одни из самых загадочных астрономических объектов. Одна чайная ложка вещества магнетара весит примерно один миллиард тонн, а магнитные поля магнетаров в сотни миллионов раз превышают по интенсивности любое магнитное поле, которое можно создать на Земле. Но нам мало известно о формировании магнетаров. В новой работе полученные данные указывают на один возможный источник – столкновения между нейтронными звездами. Перед тем как две нейтронные звезды объединяются, они сначала движутся одна относительно другой в гравитационном танце на протяжении сотен миллионов лет, прежде чем произойдет взрыв, на месте которого затем останется черная дыра или магнетар. Однако в новом исследовании астрономам невероятно повезло – они наблюдали магнетар, который образовался всего лишь за несколько недель до начала наблюдений. Если говорить более строго, это событие произошло примерно 228 миллионов лет назад – именно столько требуется свету, чтобы достичь нашей планеты из той галактики, в которой произошла вспышка. Однако после долгого космического путешествия этот свет достиг сенсоров телескопа Pan-STARRs всего лишь за несколько недель до того, как авторы работы начали наблюдения соответствующего участка неба. Этот магнетар выделяется среди других объектов его рода высокой скоростью вращения.

Обычно нейтронные звезды, подклассом которых являются магнетары, вращаются с частотой порядка тысяч оборотов в секунду, то есть имеют периоды вращения порядка миллисекунд. В то же время типичные магнетары вращаются значительно медленнее, совершая один оборот вокруг своей оси в течение 2-10 секунд. Но этот новый магнетар, получивший обозначение GRB130310A, имеет период вращения около 80 миллисекунд, то есть больше похож с этой точки зрения на обычные нейтронные звезды, чем на магнетары.

Вероятно, такая аномально высокая скорость вращения данного магнетара связана с тем, что он лишь относительно недавно сформировался, считают авторы. С течением времени скорость вращения магнетаров снижается, и в конечном счете они перестают излучать энергию на уровне, который способны зафиксировать наши радиотелескопы, пояснили они.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arxiv.org; главный автор Чжан Бинбин (Zhang Binbin).

Астрономы определили источник загадочного радиосигнала из космоса

Астрономы впервые проследили связь между магнетарами и быстрыми радиовсплесками, природа происхождения которых достоверно не установлена. Об этом говорится в статье на сайте Европейского космического агентства (ESA). Открытие было совершено благодаря космической обсерватории Integral, предназначенной для изучения объектов в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне. В конце апреля этого года сканеры обсерватории наблюдали за магнетаром SGR 1935+2154, обнаруженным шесть лет назад. Зафиксировав активность магнетара, ученые выяснили, что он испускал не только обычное рентгеновское излучение, но и радиоволны. Система оповещения, установленная на Integral, мгновенно известила об этом обсерватории всего мира, что позволило ученым детально изучить источник излучения. Так, канадский радиотелескоп CHIME зарегистрировал быстрый радиовсплеск высокой мощности, причем радиоволны исходили со стороны SGR 1935+2154. "Мы никогда раньше не наблюдали от магнетара излучение радиоволн, напоминающее быстрый радиовсплеск", — рассказал ведущий автор исследования Сандро Мерехетти из Национального института астрофизики в Милане. По его словам, это первая наблюдаемая связь между магнетарами и быстрыми радиовсплесками. "Это действительно важное открытие, которое поможет нам сфокусировать внимание на природе этих загадочных явлений", — отметил он.

Ранее астроном Шринивас Кулкарни из Калифорнийского технологического института рассказал порталу Science Alert, что астрономы впервые зафиксировали в галактике Млечный Путь всплеск радиоволн, сопровождавшийся вспышкой рентгеновского излучения. Тогда исследователи предположили, что источником радиовсплеска стал магнетар SGR 1935+2154.

Магнетары — особый класс нейтронных звезд, с которыми связаны самые мощные и яркие взрывы во Вселенной. Они обладают сильнейшими магнитными полями.

Быстрые радиовсплески — регистрируемые радиотелескопами мощные периодические радиосигналы миллисекундной длительности, идущие из глубин Вселенной. Впервые они были обнаружены в 2007 году, их природа остается неизвестной.

Westerlund 1 - Скопление в Жертвеннике

Westerlund 1 (Скопление в Жертвеннике, Ara Cluster, Wd1) — компактное молодое звёздное сверхскопление в галактике Млечный Путь, расположенное на расстоянии 3,5-5 кпк от Солнца. Является одним из наиболее массивных рассеянных скоплений в Галактике. Было открыто Бенгтом Вестерлундом в 1961 году, но долгие годы оставалось неисследованным из-за высокой межзвёздной экстинкции в данном направлении. Возможно, в будущем Westerlund 1 станет шаровым звёздным скоплением. Скопление содержит большое количество редких массивных звёзд на поздних стадиях эволюции, включая 6 жёлтых гипергигантов, 4 красных сверхгиганта (включая Westerlund 1-26, одну из крупнейших известных звёзд), 24 звезды Вольфа-Райе, яркую голубую переменную, много OB-гигантов и необычный сверхгигант sgB[e], предположительно являющийся результатом столкновения звёзд. Наблюдения в рентгеновском диапазоне спектра показали наличие аномального рентгеновского пульсара CXOU J164710.2-455216, медленно вращающейся нейтронной звезды, вероятно, образовавшейся из массивной звезды-предшественницы. Считается, что скопление Westerlund 1 образовалось в результате одной вспышки звездообразования, что предполагает близкий возраст и химический состав у всех звёзд скопления.

Магнетар CXOU J164710.2-455216 в представлении художника (ESO/L. Calçada)

Наблюдения

Наиболее яркие O7-8V звёзды главной последовательности имеют видимые звёздные величины в полосе V около 20.5, следовательно, в видимой области спектра в основном излучение наблюдается от ярких ушедших с главной последовательности звёзд (видимые звёздные величины в полосе V 14.5-18, абсолютные от −7 до −10) и менее ярких звёзд классов светимости Ib и II (звёздные величины в полосе V 18-20). Вследствие экстремально высокого межзвёздного покраснения наблюдения в полосах U и B затруднены и большая часть наблюдений проводится в полосах R и I в красной и инфракрасной частях спектра. Звёзды скопления обычно называются в соответствии с классификацией, введённой Вестерлундом, хотя для звёзд Вольфа-Райе используется другая система наименований.

В рентгеновском диапазоне выявлено диффузное излучение от межзвёздного газа и излучение от точечных источников больших и малых масс. Находящийся в скоплении магнетар является наиболее ярким рентгеновским точечным источником в скоплении наряду с мощными источниками W9 (sgB[e]), W30a, WR A и WR B. Около 50 других точечных рентгеновских источников были ассоциированы с яркими объектами оптического диапазона. В радиодиапазоне sgB[e]-звезда W9 и красные сверхгиганты W20 и W26 являются сильными радиоисточниками; большинство холодных гипергигантов, несколько OB-сверхгигантов и звёзд Вольфа-Райе также наблюдаются.

Возраст и эволюционный статус

Возраст Westerlund 1 оценивается в 4-5 млн лет при сравнении свойств популяции проэволюционировавших звёзд с моделями звёздной эволюции. Наличие в скоплении значительного количества как звёзд Вольфа-Райе, так и красных и жёлтых сверхгигантов представляет строгое ограничение возраста скопления: теоретические исследования предсказывают, что красные сверхгиганты не могут образоваться раньше 4 млн лет, пока наиболее массивные звёзды не перейдут на стадию красного сверхгиганта, а численность звёзд Вольфа-Райе резко уменьшается после возраста 5 млн лет. Полученный интервал возрастов в целом согласуется с наблюдениями в инфракрасном диапазоне, выявившими наличие поздних O-звёзд главной последовательности, хотя наблюдения звёзд малых масс дало оценку возраста 3.5 млн лет.

Если предположить, что Westerlund 1 формирует звёзды с обычной начальной функцией масс, то, вероятно, изначально скопление содержало значительное количество очень массивных звёзд, таких как наблюдаемые в настоящее время звёзды скопления Арки. Современные оценки возраста скопления Westerlund 1 превышают время жизни подобных звёзд. Модели звёздной эволюции показывают, что в скоплении должно содержаться 50-150 остатков вспышек сверхновых, причем темп вспышек сверхновых за последний миллион лет составил примерно одну вспышку за 10 тыс. лет. Однако на данный момент достоверно известен только один остаток вспышки сверхновой — магнетар. Вопрос о наличии других компактных объектов и массивных рентгеновских двойных остается открытым. Существует ряд предположений, включающих гипотезу о высоких скоростях при вспышках сверхновых, разрушающих двойные системы, предположение о формировании медленно аккрецирующих (и потому труднообнаружимых) вещество чёрных дырах звёздных масс.

Поскольку звёзды скопления имеют приблизительно одинаковый возраст, химический состав и расстояние до Солнца, то скопление может служить хорошей средой для изучения эволюции массивных звёзд.

Доля двойных звезд

Существует ряд свидетельств высокой доли массивных двойных звёзд в скоплении. Некоторые двойные звёзды высокой массы были обнаружены напрямую по фотометрическим наблюдениям и при изучении лучевых скоростей, другие двойные были открыты при исследовании таких характеристик, как светимость в рентгеновском диапазоне, нетепловой спектр радиоизлучения, избыток инфракрасного излучения, типичных для двойных с соуаряющимися ветрами и некоторых видов звёзд Вольфа-Райе. В целом доля двойных звезд для популяции звёзд Вольфа-Райе достигает 70%, для OB-сверхгигантов — более 40%.

Расстояние и местоположение

Westerlund 1 расположено слишком далеко для того, чтобы можно было измерить расстояние до него при помощи параллакса. Расстояние оценивается на основе ожидаемой абсолютной звёздной величины звёзд скопления и оценки поглощения света в направлении скопления. Данным методом расстояния были определены для популяций жёлтых гипергигантов и звёзд Вольфа-Райе; в обоих случаях расстояние получилось близким к 5 кпк, по звёздам главной последовательности расстояние получилось равным 3.6 кпк.

Молодой магнетар оказался самым медленным пульсаром, известным науке

Используя рентгеновскую космическую обсерваторию НАСА «Чандра» и другие рентгеновские обсерватории, астрономы обнаружили объект, который может оказаться одним из самых экстремальных пульсаров, или вращающихся нейтронных звезд, когда-либо обнаруженных учеными. Источник демонстрирует свойства нейтронной звезды с мощнейшим магнитным полем, или магнетара, и тем не менее наблюдаемый период вращения этого объекта вокруг собственной оси в тысячи раз превышает период собственного вращения любого другого известного пульсара.

В течение нескольких десятилетий астрономы знали, что в центре остатков сверхновой RCW 103, расположенных на расстоянии примерно 9000 световых лет от Земли, находится плотный, компактный источник под названием 1E 161348-5055 (1E 1613 для краткости). Сначала ученые пришли к согласию относительно природы этого источника, сойдясь на мнении, что он представляет собой нейтронную звезду, образовавшуюся в результате вспышки сверхновой. Однако регулярные изменения рентгеновской яркости объекта с периодом 6,5 часа не нашли логичного объяснения в рамках этой гипотезы. Ни одна из предложенных тогда моделей не могла до конца объяснить настолько большой период вращения объекта 1E 1613, однако в попытке объяснить этот факт были выдвинуты две основные гипотезы: либо этот объект представляет собой нейтронную звезду, скорость вращения которой по какой-то причине была снижена; либо же он представляет собой относительно быстро вращающуюся нейтронную звезду, вокруг которой обращается нормальная звезда в составе двойной звездной системы.

Теперь новые наблюдения, проведенные при помощи нескольких рентгеновских обсерваторий, показали исследователям, что объект 1E 1613 представляет собой действительно магнетар, так как демонстрирует ряд признаков, характерных для этого рода объектов (относительные количества рентгеновских лучей на определенных длинах волн и некоторые другие признаки). Объяснение, привлекающее представление о двойной системе, было отброшено, поскольку новые данные показали, что мощность периодических изменений рентгеновской светимости убывает с ростом как частоты излучения, так и времени. Именно такое поведение характерно для магнетаров, отмечают авторы работы.