Космічний телескоп Джеймса Вебба знайшов найкращі докази випромінювання нейтронної зірки на місці нещодавно спостережуваної наднової.

SN 1987A

Наднова, відома як SN 1987A, виникла на відстані 160 тисяч світлових років від Землі у Великій Магеллановій Хмарі. SN 1987A була надновою II типу, яку спостерігали на Землі в 1987 році, першою надновою, яку можна було побачити неозброєним оком з 1604 року – до появи телескопів. Таким чином, вона надала астрономічній спільноті рідкісну можливість вивчити еволюцію наднової і те, що залишилося після неї, від самого початку.

SN 1987A була надновою з колапсом ядра, а це означає, що ущільнені залишки в її ядрі, як очікується, утворили або нейтронну зорю, або чорну діру. Докази існування такого компактного об’єкта шукали давно, і хоча непрямі докази присутності нейтронної зорі були знайдені раніше, це перший випадок, коли було виявлено ефекти високоенергетичного випромінювання від молодої нейтронної зорі.

Вибух у реальному часі

Астрономія зазвичай вивчає процеси, які відбуваються протягом щонайменше десятків тисяч років: набагато довше, ніж вся історія людства. Наднові – вибухові передсмертні муки деяких масивних зірок – спалахують протягом декількох годин, а яскравість вибуху досягає піку протягом декількох місяців.

Залишки зорі, що вибухнула, продовжуватимуть еволюціонувати зі швидкою швидкістю протягом наступних десятиліть. Таким чином, наднові надають астрономам дуже рідкісну можливість вивчати ключовий астрономічний процес у реальному часі.

Наднову SN 1987A вперше спостерігали на Землі в лютому 1987 року, а пік її яскравості припав на травень того ж року (хоча відстань від Землі означає, що подія спалаху наднової відбулася приблизно за 160 тисяч років до цього). Це була перша наднова, яку можна було побачити неозброєним оком з часу спостереження Наднової Кеплера в 1604 році.

Спостереження за вибухом

Приблизно за дві години до видимого спостереження SN 1987A три обсерваторії по всьому світу спостерігали сплеск нейтрино тривалістю лише кілька секунд. Невдовзі після цього спостерігали видиме світло від SN 1987A. Ці два різні спостереження були пов’язані з однією і тією ж подією наднової і надали важливі докази для теорії про те, як відбувається колапс ядра наднової.

Ця теорія включала припущення, що такий тип наднових утворює нейтронну зорю або чорну діру. Відтоді астрономи шукали докази існування одного з цих компактних об’єктів в центрі залишкового матеріалу, що розширюється.

Непрямі докази наявності нейтронної зорі в центрі залишку були знайдені за останні кілька років, а спостереження набагато старіших залишків наднових – таких як Крабовидна туманність – підтверджують, що нейтронні зорі містяться в багатьох залишках наднових. Однак, до цього часу не було виявлено жодних прямих доказів існування нейтронної зорі у залишках SN 1987A (або будь-якого іншого подібного недавнього вибуху наднової).

Докази від Вебба

“З теоретичних моделей SN 1987A, 10-секундний сплеск нейтрино, який спостерігався безпосередньо перед вибухом наднової, припускав, що в результаті вибуху утворилася нейтронна зоря або чорна діра. Але ми не спостерігали жодної переконливої ознаки такого новонародженого об’єкта від жодного вибуху наднової”, – каже Клаес Франссон зі Стокгольмського університету, провідний автор цього дослідження.

За його словами, за допомогою Вебба вчені знайшли прямі докази випромінювання, спричиненого новонародженим компактним об’єктом, найімовірніше, нейтронною зіркою.

Вебб розпочав наукові спостереження в липні 2022 року, а спостереження, що лежать в основі цієї роботи, були зроблені 16 липня, що робить залишок SN 1987A одним з перших об’єктів, спостережуваних Веббом.

Вебб знайшов нейтронну зорю у залишку вибуху наднової
Ліворуч: Зображення SN 1987A з камери Вебба 2023 NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону), на якому видно центральну структуру об’єкта, що розширюється зі швидкістю кілька тисяч кілометрів на секунду. Синя область – це найщільніша частина грудкуватої екти, що містить важкі елементи, такі як вуглець, кисень, магній і залізо, а також пил. Яскраве “перлове кільце” є результатом зіткнення екти з кільцем газу, викинутого приблизно за 20 000 років до вибуху. 
Праворуч: На верхньому зображенні представлені дані, отримані в режимі MRS (спектрограф середньої роздільної здатності) інструмента MIRI (середній інфрачервоний інструмент) Вебба. На нижньому зображенні показано дані, отримані в режимі NIRSpec (ближній інфрачервоний спектрограф) приладу Вебба на коротших довжинах хвиль. Спектральний аналіз результатів MIRI показав сильний сигнал, зумовлений іонізованим аргоном з центру викинутого матеріалу, який оточує початкове місце SN 1987A. Дані NIRSpec виявили ще більш інтенсивно іонізовані хімічні види, зокрема п’ятикратно іонізований аргон (тобто атоми аргону, які втратили п’ять з 18 електронів). Слабкі лінії іонізованої сірки також були виявлені за допомогою MIRI. 
Авторство: NASA, ESA, CSA, STScI, а також К. Франссон (Стокгольмський університет), М. Мацуура (Кардіффський університет), М. Барлоу (Університетський коледж Лондона), П. Кавана (Мейнутський університет), Я. Ларссон (Королівський технологічний інститут KTH)

Спектральний аналіз

Команда використовувала режим спектрографа середньої роздільної здатності (MRS) інструменту MIRI, який допомогли розробити члени тієї ж команди. MRS – це тип інструменту, відомий як Інтегральна польова одиниця (IFU).

IFU – це дивовижні інструменти, які здатні одночасно отримувати зображення об’єкта і знімати його спектр. IFU формує спектр у кожному пікселі, дозволяючи спостерігачам бачити спектроскопічні відмінності в об’єкті. Аналіз допплерівського зсуву кожного спектра також дозволяє оцінити швидкість у кожній позиції.

Спектральний аналіз результатів показав сильний сигнал, зумовлений іонізованим аргоном з центру викинутого матеріалу, який оточує початкове місце SN 1987A.

Високоенергетичне випромінювання

Подальші спостереження за допомогою іншого IFU, NIRSpec (Ближній інфрачервоний спектрограф) на коротших довжинах хвиль, дозволили команді виявити ще більш сильно іонізовані хімічні види, зокрема, п’ятикратно іонізований аргон (тобто атоми аргону, які втратили п’ять з 18 електронів). Для утворення таких іонів потрібні високоенергетичні фотони, і ці фотони повинні звідкись взятися.

“Для створення цих іонів, які ми спостерігали в викиді, було ясно, що в центрі залишку SN 1987A має бути джерело високоенергетичного випромінювання”, – зазначає Франссон.

У статті вчені аналізують різні можливості і приходять до висновку, що ймовірними є лише кілька сценаріїв, і всі вони включають новонароджену нейтронну зорю.

Подальні дослідження

Цього року заплановано більше спостережень за допомогою телескопів Вебба і наземних телескопів. Дослідницька група сподівається, що подальші дослідження забезпечать більшу ясність щодо того, що саме відбувається в самому серці залишку SN 1987A.

Вчені сподіваються, що ці спостереження стимулюватимуть розробку детальніших моделей, що, зрештою, дасть змогу астрономам краще зрозуміти не лише SN 1987A, а й усі наднові з колапсом ядра.