Precyzyjne pomiary dają wskazówki na temat kosmicznego pochodzenia magnetara
Międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał zestaw radioteleskopów, aby odkryć nowe informacje na temat magnetara, który ma zaledwie kilkaset lat.
 |
| Wizja artystyczna magnetara Swift J1818.0-1617. Źródło: NSF, AUI, NSF NRAO, S. Dagnello |
Gdy gwiazda o stosunkowo dużej masie zapada się pod koniec swojego życia i eksploduje jako supernowa, może pozostawić po sobie supergęstą gwiazdę zwaną gwiazdą neutronową. Ekstremalne siły powstające podczas jej formowania często powodują, że gwiazdy neutronowe wirują bardzo szybko, emitując wiązki światła niczym latarnia morska. Gdy wiązka ta jest ustawiona w taki sposób, że jest widoczna z Ziemi, gwiazda jest również nazywana pulsarem. A gdy powstaje gwiazda neutronowa z szybką rotacją podobną do pulsara i polem magnetycznym tysiące razy silniejszym niż typowa gwiazda neutronowa, otrzymuje ona miano magnetara. Gwiazdy te mają około dwukrotnie większą masę niż nasze Słońce, a ich rozmiar fizyczny wynosi kilkadziesiąt kilometrów.
Chociaż istnieje wiele podobieństw między gwiazdami neutronowymi, pulsarami i magnetarami, astronomowie wciąż zastanawiają się, jakie warunki powodują, że te ekstremalne gwiazdy ewoluują na tak różnych ścieżkach.
Zespół astronomów pod kierownictwem Hao Dinga z Mizusawa VLBI Observatory, Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii, wykorzystał Very Long Baseline Array (VLBA) do określenia kluczowych cech nowo odkrytego magnetara z niespotykaną dotąd precyzją.
Obecnie istnieje 30 potwierdzonych magnetarów, ale tylko 8 z nich jest wystarczająco podobnych, aby były istotne do tego badania. Ding i jego zespół korzystał z VLBA przez okres 3 lat, aby zebrać dane dotyczące położenia i prędkości magnetara Swift J1818.0-1617, który został odkryty na początku 2020 roku. Uważa się, że Swift J1818.0-1617 jest najmłodszym odkrytym do tej pory magnetarem, który wiruje z prędkością 1,36 sekundy.
Swift J1818.0-1617 znajduje się w kierunku konstelacji Strzelca. Położony po drugiej stronie centralnego zgrubienia galaktycznego – w obrębie Drogi Mlecznej – i oddalony jest o zaledwie 22 000 lat świetlnych, czyli stosunkowo blisko Ziemi. Wystarczająco blisko, aby wykorzystać metodę paralaksy do dokładnego określenia jego trójwymiarowego położenia w Galaktyce.
Długość życia magnetara nie jest obecnie znana, ale astronomowie szacują, że Swift J1818.0-1617 ma zaledwie kilkaset lat. Jasne emisje rentgenowskie magnetara wymagają mechanizmu wypływu ekstremalnie wysokiej energii; tylko szybki zanik jego intensywnego pola magnetycznego może wyjaśnić moc kryjącą się za tymi widmowymi sygnaturami. Ale to również jest proces ekstremalny. W przypadku zwykłych gwiazd ciągu głównego, jasne niebieskie gwiazdy żyją bardzo krótko, ponieważ wypalają swoje paliwo znacznie szybciej niż ich żółte rodzeństwo. Fizyka jest inna w przypadku magnetarów, ale one również prawdopodobnie mają krótsze życie niż ich krewni pulsary. Magnetary są bardzo młode, ponieważ nie mogą wydzielać energii w takim tempie przez bardzo długi czas – wyjaśnił Ding.
Ponadto magnetary mogą również wykazywać emisję na niskim końcu widma elektromagnetycznego – w długościach fal radiowych. W tym przypadku źródłem energii jest prawdopodobnie promieniowanie synchrotronowe pochodzące z szybkiego wirowania magnetara. W promieniowaniu synchrotronowym plazma otaczająca samą gwiazdę neutronową jest tak ciasno owinięta wokół powierzchni gwiazdy, że obraca się z prędkością bliską prędkości światła, generując emisje na falach radiowych. Te emisje radiowe zostały następnie wykryte przez VLBA w ciągu trzech lat obserwacji.
VLBA zapewniła nam doskonałą rozdzielczość kątową do pomiaru tej maleńkiej paralaksy – powiedział Ding. Rozdzielczość przestrzenna jest niezrównana.
Wyniki, opublikowane w sierpniu 2024 roku, określają paralaksę Swift J1818.0-1617 jako jedną z najmniejszych dla gwiazd neutronowych, a jej tak zwaną prędkość poprzeczną jako najmniejszą – nowy dolny limit – wśród magnetarów.
Prędkość w astronomii najłatwiej jest opisać jako posiadającą dwa składniki – kierunki. Prędkość radialna opisuje prędkość poruszania się wzdłuż linii widzenia, co w tym przypadku oznacza wzdłuż promienia Galaktyki. W przypadku magnetara takiego jak Swift J1818.0-1617, znajdującego się po drugiej stronie centralnego zgrubienia, na drodze znajduje się zbyt wiele innego materiału, aby precyzyjnie określić prędkość radialną. Prędkość poprzeczna opisuje ruch prostopadły do płaszczyzny Galaktyki i jest łatwiejsza do określenia.
Astronomowie starają się zrozumieć procesy formowania, te wspólne – i te, które są różne – ze „zwykłymi” gwiazdami neutronowymi, pulsarami i magnetarami. Mają nadzieję, że precyzyjne pomiary prędkości poprzecznej pomogą określić warunki, które powodują, że gwiazda ewoluuje jedną z tych trzech ścieżek.
Ding twierdzi, że badanie to dodaje wagi teorii, że magnetary raczej nie powstają w takich samych warunkach jak młode pulsary, sugerując tym samym, że magnetary powstają w wyniku bardziej egzotycznych procesów.
Musimy wiedzieć, jak szybko poruszał się magnetar, gdy się narodził – powiedział Ding. Mechanizm powstawania magnetarów jest wciąż tajemnicą, którą chcielibyśmy zrozumieć.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
