Neobična supernova prvi put otkrila nastanak magnetara

Najsjajnije supernove u svemiru dugo su bile problem bez čvrstog odgovora. Astronomi su znali da neke od tih eksplozija nadmašuju obične supernove deset i više puta, ali nisu mogli pouzdano pokazati što ih tako dugo održava sjajnima. Sada se to promijenilo. U promatranjima supernove SN 2024afav istraživači su prvi put dobili uvjerljiv dokaz da se u takvoj eksploziji formirao magnetar, iznimno magnetizirana neutronska zvijezda koja se vrti golemom brzinom. Time je potvrđena ideja da upravo takvi objekti pogone barem dio najsjajnijih zvjezdanih eksplozija u svemiru.

Rezultat je važan iz dva razloga. Potvrđuje teoriju koju je prije 16 godina iznio fizičar Dan Kasen s Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu, a istodobno upućuje na novu pojavu u fizici supernova: neobičan uzorak u promjeni sjaja koji autori opisuju kao signal nalik cvrkutu i povezuju ga s učinkom opće teorije relativnosti.

Iznimno sjajne supernove tipa I, poznate kao SLSNe-I, zbunjuju astronome još od početka 2000-ih. Smatralo se da nastaju pri eksploziji vrlo masivnih zvijezda, možda i 25 puta masivnijih od Sunca. No njihova je svjetlost trajala znatno dulje nego što bi se očekivalo nakon urušavanja željezne jezgre i izbacivanja vanjskih slojeva zvijezde.

Kasen je još 2010. predložio da izvor tog dugotrajnog sjaja nije sama eksplozija, nego magnetar u njezinu središtu. Taj je model razvio s Larsom Bildstenom, a do sličnog je zaključka neovisno došao i Stan Woosley s Kalifornijskog sveučilišta u Santa Cruzu. Prema toj slici, masivna zvijezda na kraju života urušava se i velik dio svoje mase sažme u iznimno gustu neutronsku zvijezdu, dakle u objekt koji je tek korak udaljen od crne rupe.

Ako je zvijezda i prije kolapsa imala snažno magnetsko polje, ono se pri nastanku magnetara može dodatno pojačati do razine 100 do 1000 puta veće od one kod običnih rotirajućih neutronskih zvijezda, pulsara. Pulsari i magnetari široki su tek oko 16 kilometara, ali u mladosti se mogu okretati više od 1000 puta u sekundi. Takav objekt zatim ubrzava nabijene čestice koje udaraju u šireće ostatke supernove i dodatno pojačavaju njezin sjaj. Magnetari se već dulje smatraju i jednim od mogućih izvora brzih radijskih bljeskova.

Neobičan ritam slabljenja

Vezu između magnetara i iznimno sjajnih supernova tipa I sada je potvrdio Joseph Farah s Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari i Opservatorija Las Cumbres. Nakon što je SN 2024afav otkrivena u prosincu 2024., mreža od 27 teleskopa Opservatorija Las Cumbres pratila je njezin sjaj više od 200 dana. Eksplodirana zvijezda nalazi se oko milijardu svjetlosnih godina od Zemlje.

Farah je, radeći s astronomom Andyjem Howellom, primijetio da se supernova nakon vrhunca nije ponašala kao tipične supernove. Oko 50 dana nakon eksplozije dosegnula je najveći sjaj, ali potom nije slijedilo glatko slabljenje. Sjaj je padao uz niz oscilacija, a razmak između njih postupno se skraćivao. Na kraju su se izdvojile četiri jasne izbočine u svjetlosnoj krivulji.

Takvi “valovi” nisu potpuno nepoznati. I kod nekih ranije opaženih iznimno sjajnih supernova viđena je pokoja izbočina, pa su ih neki istraživači tumačili sudarom udarnog vala s plinom nagomilanim oko zvijezde. No u ovom slučaju bilo ih je čak četiri, i to u obrascu koji se postupno ubrzavao. Upravo je to navelo autore da potraže drukčije objašnjenje.

Prema njihovu modelu, dio materijala izbačenog pri eksploziji nije zauvijek odletio u svemir, nego je pao natrag prema novonastaloj neutronskoj zvijezdi i oko nje oblikovao akrecijski disk, disk tvari koji kruži oko središnjeg objekta. Taj disk pritom vjerojatno nije bio poravnat s osi vrtnje magnetara.

Einsteinov trag u supernovi

Tu na scenu stupa opća teorija relativnosti. Rotirajuća masa, prema Einsteinovoj teoriji, povlači prostorvrijeme sa sobom. Zbog toga bi vrtnja magnetara morala izazvati Lense-Thirringovu precesiju, odnosno njihanje neporavnatog diska. Takav disk mogao bi povremeno zaklanjati i odbijati dio svjetlosti iz sustava, pa bi cijela supernova iz naše perspektive dobila ritmičan, treperav signal.

Kako se disk pritom postupno spušta prema magnetaru, njegova se unutarnja struktura mijenja, a njihanje postaje sve brže. Zato i oscilacije u sjaju postaju sve zbijenije dok ukupna svjetlost slabi. Upravo taj obrazac, kažu autori, odgovara signalu koji su teleskopi zabilježili.

“Testirali smo više mogućih objašnjenja, uključujući čisto Newtonove učinke i precesiju koju bi mogla stvarati magnetska polja magnetara, ali jedino je Lense-Thirringova precesija savršeno odgovarala vremenskom rasporedu”, rekao je Farah. Dodao je da je to prvi put da je opća teorija relativnosti bila nužna za opis mehanike jedne supernove.

Promatrački podaci dali su i dodatne tragove. Istraživači su procijenili da se novonastala neutronska zvijezda okreće s periodom od 4,2 milisekunde i da ima magnetsko polje oko 300 bilijuna puta jače od Zemljina. Oba podatka snažno upućuju na to da je riječ o magnetaru.

Dokaz koji je nedostajao

Alex Filippenko, astronom s Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu i suautor rada, rekao je da je to upravo onaj dokaz koji je nedostajao još od Kasenova modela. Po njegovim riječima, temelj te ideje bio je jednostavan: ako u dubini supernove postoji magnetar i ako se dobar dio njegove energije apsorbira u izbačenom materijalu, time se može objasniti iznimna sjajnost eksplozije. Ono što dosad nije bilo pokazano jest da se magnetar doista formirao u samom središtu takve supernove.

Kasen kaže da je zamisao o magnetaru godinama djelovala gotovo kao teorijski trik, kao skriveni izvor energije koji dobro objašnjava opažanja, ali ga se ne može izravno prepoznati. Po njemu, upravo je signal zabilježen kod SN 2024afav prvi put otvorio jasan pogled prema tom središnjem mehanizmu.

Howell smatra da je Farah pronašao ključni dokaz koji izbočine u svjetlosnoj krivulji izravno povezuje s nastankom magnetara. Filippenko je istaknuo da je osobito važno to što je učinak opće teorije relativnosti sada prvi put jasno prepoznat u supernovi.

Autori ipak upozoravaju da time nije riješena svaka iznimno sjajna supernova. Filippenko naglašava da to ne znači da sve SLSNe-I pokreću magnetari. I dalje postoji mogućnost da kod nekih sjaj pojačava sudar udarnog vala s materijalom koji okružuje zvijezdu. Kasen je također predložio da bi i crna rupa, nastala nakon urušavanja jezgre, mogla napajati osobito sjajnu supernovu. Ako bi i ona imala neporavnat akrecijski disk, i takav bi sustav mogao ostaviti slične tragove u svjetlosnoj krivulji.

“Točan udio supernova tipa I koje pokreće okolni zvjezdani materijal još ne znamo, ali sada je jasno da je taj udio vjerojatno manji nego što smo prije mislili, jer ovo otkriće očito objašnjava barem dio njih”, rekao je Filippenko.

Farah očekuje da će astronomi u godinama pred nama pronaći još desetke ovakvih supernova sa signalom nalik cvrkutu, osobito uz podatke koje već počinje prikupljati Opservatorij Vera C. Rubin. Njegov glavni desetogodišnji pregled južnog neba trebao bi početi kasnije ove godine.