Gorąca „kropelka” wskazuje na gwiazdę neutronową czającą się w Supernowej 1987A

Astronomowie od dawna podejrzewali, że w pyłowej otoczce SN 1987A kryje się gwiazda neutronowa wielkości miasta. A teraz są bliżej niż kiedykolwiek udowodnienia swojej teorii.

24 lutego 1987 roku nieoczekiwana kosmiczna eksplozja wstrząsnęła społecznością astronomiczną. Supernową 1987A (SN 1987A), zjawisko — wywołane przez implozję masywnej gwiazdy — było najbliższą obserwowaną supernową na Ziemi od czasu wynalezienia teleskopu. NIe doszło do tego jednak w naszej galaktyce. SN 1987A wybuchła w Wielkim Obłoku Magellana, który jest galaktyką satelitarną Drogi Mlecznej, która znajduje się około 170 000 lat świetlnych od Ziemi. Niemniej jednak SN 1987A była wciąż tak jasna, że ​​obserwatorzy gołym okiem mogli ją widzieć przez kilka tygodni.

Ale niezwykły widok pobliskiej supernowej na nocnym niebie Ziemi nie jest jedyną rzeczą, jaką obdarzył nas SN 1987A. Dało to również astronomom bezprecedensową okazję do zbadania, co wyzwala supernowe, a także jak tak potężne wybuchy rozchodzą się po ich otoczeniu. W rzeczywistości możemy zobaczyć falę uderzeniową z SN 1987A wciąż pędzącą na zewnątrz, wchodząc w interakcje z chmurami pyłu, które otaczają pierwotne miejsce kosmicznej eksplozji.

Pozostaje jednak trwała tajemnica: co pozostawiła po sobie SN 1987A? Według nowych badań odpowiedzią jest prawdopodobnie gwiazda neutronowa.

Szczątki SN 1987A

Od dłuższego czasu astronomowie zakładali, że SN 1987A początkowo pozostawiła po sobie gwiazdę neutronową. Dzieje się tak, ponieważ kilka godzin przed dotarciem do nas światła supernowej wykryli napływ cząstek neutrin omywających Ziemię, jak można by się spodziewać, gdyby w pobliżu wybuchła supernowa. Te prawie niepowstrzymane cząsteczki przedzierają się prosto przez gęsty materiał obecny podczas pączkującej supernowej — w przeciwieństwie do światła, które przez chwilę zostaje zatrzymane. W rzeczywistości SN 1987A był pierwszym, kiedy naukowcy wykryli neutrina spoza naszego Układu Słonecznego. Ale chociaż te neutrina prawie na pewno pochodzą z narodzin gwiazdy neutronowej w SN 1987A, astronomowie nie są pewni, czy ta gwiazda neutronowa żyje dalej, czy raczej szybko zapadła się w czarną dziurę. I pomimo dziesięcioleci monitorowania miejsca, obserwatorzy nie znaleźli jeszcze przekonujących oznak zwartego obiektu czającego się w pobliżu centrum SN 1987A. Przynajmniej do tej pory.

W nowym artykule opublikowanym 30 lipca w The Astrophysical Journal astronomowie donoszą, że znaleźli przekonujące dowody na to, że SN 1987a wciąż kryje w sobie gwiazdę neutronową, co czyniłoby ją najmłodszym tak znanym ciałem gwiezdnym. (Poprzedni rekordzista, Cassiopeia A, szacowany jest na około 330 lat). Astronomowie przeprowadzili badania przy użyciu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) — radioteleskopu w Chile, który jest w stanie zajrzeć przez przesłaniający pył . Te nowe obrazy o niezwykle wysokiej rozdzielczości ujawniły gorącą „kroplę” czającą się w jądrze SN 1987A.

Jednak sama plamka nie jest gwiazdą neutronową. Ponieważ gwiazdy neutronowe kompresują około 1,4 masy Słońca w sferę o szerokości około 25 kilometrów, nie można ich zobaczyć bezpośrednio. Zamiast tego, nowo odkryta plama wydaje się być gigantycznym obłokiem gazu, który dramatycznie przyćmiewa swoje otoczenie i znajduje się dokładnie tam, gdzie według astronomów powinna znajdować się gwiazda neutronowa SN 1987A.

Musi być w chmurze coś, co rozgrzało kurz i sprawi, że będzie świecić.wyjaśnił współautor Mikako Matsuura z Cardiff University w komunikacie prasowym.

W swojej najdłuższej postaci kropelka obejmuje około 4000 jednostek astronomicznych – gdzie jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemia-Słońce – i szacuje się, że ma temperaturę około 9 milionów stopni Fahrenheita (5 milionów stopni Celsjusza).

Dlatego sugerujemy, że w obłoku pyłu kryje się gwiazda neutronowa.dodał Matsuura.

Ta plama nie znajduje się jednak dokładnie w centrum SN 1987A; jest lekko przesunięta. Ale to nie jest błąd w teorii, to funkcja. Astronomowie od dawna podejrzewali, że SN 1987A eksplodował asymetrycznie, wyrzucając więcej materii w jednym kierunku niż w drugim. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona taki asymetryczny wybuch „odrzuciłby” gwiazdę neutronową w przeciwnym kierunku z prędkością setek kilometrów na sekundę. Tak więc, po prostu obliczając, jak daleko gwiazda neutronowa przebyła przestrzeń w ciągu ostatnich 30-stu lat, astronomowie mogą przewidzieć jej przesunięcie od środka SN 1987A. Jak się okazuje, właśnie tam znaleźli plamę na obrazach ALMA. Teraz, gdy astronomowie prawdopodobnie odkryli położenie gwiazdy neutronowej w SN 1987A – i nazwali ją „NS 1987A” – można rozpocząć prawdziwe poszukiwanie wyjaśnienia tego zjawiska.

Na początek naukowcy naprawdę chcą wiedzieć, czy NS 1987A jest pulsarem, czyli gwiazdą neutronową, która podczas rotacji emituje potężną wiązkę promieniowania radiowego. (Uwaga! wszystkie pulsary są gwiazdami neutronowymi. Ale nie wszystkie gwiazdy neutronowe są pulsarami). Chociaż astronomowie nie są do końca pewni, jaki mechanizm wytwarza strumień radiowy pulsara, sądzą, że ma to związek z takimi czynnikami, jak obrót gwiazdy i pole magnetyczne. Ale do tej pory astronomowie nie wykryli takich impulsów radiowych z kierunku SN 1987A. Co więcej, aktualna ilość energii w blobie nie wydaje się pozwalać na dodatkową energię pochodzącą z impulsów wewnątrz. Aby definitywnie ustalić, czy NS 1987A jest pulsarem, czy tylko zwykłą gwiazdą neutronową, astronomowie muszą kontynuować dopracowywanie szacowanej masy i temperatury plamki. Następnie, dokładnie wyszukując okresowe zmiany jasności plamki, mogą być w stanie powiązać wszelkie migotanie z jednostajnym rytmem pulsara w środku.

Do tego czasu jednak naukowcy są po prostu zadowoleni, że prawdopodobnie odkryta została licząca kilkadziesiąt lat tajemnica dotycząca tego, co czai się w rdzeniu SN 1987A. Ale mimo to można się założyć, że astronomowie nie przestaną śledzić następstw kosmicznej eksplozji w najbliższym czasie.

Fale grawitacyjne dadzą astronomom nowy sposób patrzenia do wnętrza gwiazd neutronowych

Trudno jest badać gwiazdy neutronowe. Znajdują się one w odległości lat świetlnych i mają tylko około 20 kilometrów średnicy. Są również wykonane z najgęstszego materiału we Wszechświecie. Tak gęste, że jądra atomowe łączą się, tworząc złożoną materię. Przez lata nasze rozumienie wnętrz opierało się na złożonych modelach fizycznych i na tym, jak niewiele danych udało nam się zebrać z teleskopów optycznych. Ale to zaczyna się zmieniać.

Wnętrzem gwiazdy neutronowej rządzi równanie stanu materii jądrowej, znane jako równanie Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV). Równania są tak złożone, że wymagają potężnych komputerów do obliczenia, a odpowiedzi, które daje TOV, zależą od pewnych założeń, jakie przyjmujemy na temat zachowania materii jądrowej w dużych ilościach. Tak więc w naszym rozumieniu gwiazd neutronowych jest dużo niejasności. Wiemy, że mają one zazwyczaj około 20 kilometrów średnicy, ale nie znamy dokładnego związku między masą a rozmiarem gwiazdy neutronowej. Obserwacyjnie wiemy, że górna granica masy dla gwiazdy neutronowej wynosi około dwóch mas Słońca, ale nie znamy absolutnej granicy, jak w przypadku białych karłów. Nie wiemy również, czy kwarki mogą zostać uwolnione we wnętrzu, aby stworzyć dziwny rodzaj – gwiazdę kwarkową.

Jednym z wyzwań związanych z odpowiedzią na te pytania jest ograniczenie danych optycznych, którymi dysponujemy. Nie możemy zobaczyć wnętrza gwiazdy neutronowej, więc ograniczamy się do obserwacji pośrednich. Z obserwacji pulsarów radiowych wiemy na przykład, że gwiazdy neutronowe podlegają tak silnym trzęsieniom gwiazdowym, że zmieniają one prędkość rotacji gwiazdy neutronowej. To mówi nam, że gwiazdy neutronowe prawdopodobnie mają sztywną skorupę, która od czasu do czasu pęka, gdy gwiazda neutronowa się ochładza. Mamy również pewne pojęcie o wnętrzu gwiazdy neutronowej, obserwując widma supernowych powstałych podczas zderzeń gwiazd neutronowych. Powstałe w wyniku eksplozji elementy dają nam pośrednie dane o kompozycji wnętrza. Ale nasze rozumienie nadal w dużej mierze opiera się na teorii. Byłoby miło mieć nowy rodzaj narzędzia do badania gwiazd neutronowych, innego niż teleskopy optyczne.

Na szczęście dla nas mamy jeden. Teleskopy fal grawitacyjnych nie tylko wykryły łączenie się czarnych dziur, ale także łączenie gwiazd neutronowych. Fale wytwarzane przez spiralę dwóch gwiazd neutronowych nie są tak silne jak te wytwarzane przez czarne dziury, ale coraz lepiej je wykrywamy. Kolejna generacja teleskopów fal grawitacyjnych będzie w stanie bardziej szczegółowo badać łączenia się gwiazd neutronowych. To było przedmiotem nowego badania opublikowanego w Physical Review Letters.

W badaniu przyjrzano się, jak na fale grawitacyjne inspirujących gwiazd neutronowych wpływa rozmiar i kształt gwiazd neutronowych. W przeciwieństwie do łączenia czarnych dziur, które są całkowicie regulowane przez ogólną teorię względności, łączenia gwiazd neutronowych zależą częściowo od tego, jak gwiazdy neutronowe zmieniają kształt pod wpływem naprężeń grawitacyjnych. Jeśli gwiazdy neutronowe są sztywniejsze, to w miarę zbliżania się do siebie pozostaną dość kuliste, ale jeśli będą bardziej płynne, ulegną wcześnie deformacji. Zespół wykorzystał zaawansowany model do połączenia wzorów fal grawitacyjnych z równaniem stanu gwiazdy neutronowej i odkrył, że przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych mogą zawęzić równanie stanu.

Wpływ na fale grawitacyjne jest niewielki, ale zespół stworzył model do kolejnego uruchomienia Advanced LIGO. Mają też gotowe modele dla następnej generacji instrumentów LIGO, znanych jako A+, które powinny mieć swoją pierwszą obserwację w 2025 roku. Nie powinno więc minąć dużo czasu, zanim otrzymamy falę danych, które mogą wreszcie ujawnić głębokie wnętrza gwiazd neutronowych.