Kosmiczny wybuch miał ukryty silnik. Szukali go przez 20 lat

Kosmos skrywa przerażające tajemnice. Astrofizycy z NASA namierzyli właśnie ukryty silnik odpowiedzialny za najpotężniejsze eksplozje we Wszechświecie.

Teleskop Fermiego znalazł ślad, którego astronomowie szukali od niemal 20 lat. Promieniowanie gamma z superjasnej supernowej SN 2017egm wskazuje na coś, co wcześniej było głównie przedmiotem symulacji. Okazuje się, iż jej niewyobrażalną moc mógł napędzać ukryty silnik. To magnetar – gwiazda neutronowa o polu magnetycznym tak ekstremalnym, iż ziemskie laboratoria nie są w stanie go odtworzyć. To właśnie ten wirujący, magnetyczny potwór, schowany w samym centrum eksplozji, miał pompować energię w rozbłysk i sprawić, iż supernowa świeciła znacznie jaśniej, niż powinna.

Fermi znalazł sygnał tam, gdzie wcześniej były tylko poszlaki

Przez lata astronomowie przeczesywali dane z Kosmicznego Teleskopu Fermiego niczym detektywi grzebiący w starych aktach – przeglądali tysiące supernowych, szukając choćby śladu promieniowania gamma, który mógłby zdradzić obecność magnetara. Pojawiały się interesujące tropy, pojedyncze sygnały, które na chwilę podnosiły ciśnienie w zespołach badawczych. Jednak za każdym razem okazywały się zbyt słabe i zbyt niepewne, żeby ogłosić prawdziwe odkrycie. Ot, obiecujące szumy, które nie przechodziły najważniejszego testu. Nie dało się ich odróżnić od tła.

Tym razem zespół przeanalizował dane z Large Area Telescope, głównego instrumentu Fermiego do obserwacji wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Badacze sprawdzili 6 najbliższych superjasnych supernowych zaobserwowanych w pierwszych 16 latach misji. Tylko SN 2017egm pokazała dowody na emisję gamma.

Promieniowanie gamma jest najbardziej energetyczną formą światła. jeżeli pojawia się przy supernowej, może nieść informację o procesach ukrytych głęboko pod świecącą otoczką wyrzuconej materii. W przypadku SN 2017egm sygnał gamma był widoczny w okresie od 43 do 155 dni po odkryciu supernowej, czyli wtedy, gdy jej rozprzestrzeniające się szczątki zaczynały stawać się bardziej przezroczyste dla najbardziej energetycznego promieniowania.

Magnetar to gwiezdny wirnik z polem nie do wyobrażenia

Najlepszym wyjaśnieniem tych danych okazał się model z magnetarem w centrum eksplozji. Magnetar to szczególny typ gwiazdy neutronowej. Ma rozmiar miasta, masę większą niż Słońce i pole magnetyczne należące do najsilniejszych znanych we Wszechświecie. Może być choćby 1000 razy silniejsze, niż pole zwykłej gwiazdy neutronowej i ok. 10 bln razy silniejsze od magnesu na lodówce.

Nowo narodzony magnetar może obracać się setki razy na sekundę. Taki ekstremalny obrót działa jak kosmiczny generator. Obiekt wypuszcza potężny strumień elektronów i pozytonów, czyli antycząstek elektronów. Wokół niego powstaje mgławica wiatru magnetarowego, czyli obłok wysokoenergetycznych cząstek i promieniowania.

To właśnie ten obłok miałby być ukrytym silnikiem supernowej. Magnetar nie tyle świeci spokojnie w środku, ile pompuje energię w wyrzucone przez wybuch szczątki gwiazdy. Dzięki temu eksplozja świeci znacznie mocniej i dłużej, niż wynikałoby to z klasycznego rozpadu radioaktywnych pierwiastków powstałych w supernowej.

Promienie gamma nie uciekały od razu

Najciekawsze w nowym modelu jest to, iż promieniowanie gamma początkowo nie mogło swobodnie wydostać się na zewnątrz. Młoda supernowa była otoczona gęstym, gorącym obłokiem wyrzuconej materii. Gamma produkowana w pobliżu magnetara zderzała się z cząstkami i innymi fotonami, była pochłaniana, przetwarzana i przesuwana do niższych energii.

Promieniowanie gamma było początkowo uwięzione w gęstej otoczce materii wyrzuconej podczas eksplozji i ulegało konwersji na emisję optyczną, co tłumaczyło wyjątkowo wysoką jasność SN 2017egm w zakresie widzialnym. Emisja gamma stała się obserwowalna dopiero po około trzech miesiącach, gdy ekspandująca materia uległa dostatecznemu rozrzedzeniu, umożliwiając części fotonów ucieczkę na zewnątrz.

Jeśli gamma pojawia się za wcześnie lub za późno, to model magnetara tu po prostu nie pasuje. W przypadku SN 2017egm czas nadejścia promieniowania gamma oraz jej jasność w pierwszych miesiącach najlepiej zgadzają się z obrazem centralnego magnetara.

Ukryty silnik wyjaśnia początek. Końcówka wciąż jest zagadką

Naukowcy podkreślają, iż model magnetara nie wyjaśnia idealnie całej historii wybuchu. Model magnetara pasuje jak ulał do pierwszej części historii, ale w późniejszych fazach zaczyna się trochę rozjeżdżać. Gdy światło widzialne supernowej zaczęło gasnąć, to sam magnetar przestał wystarczać do wyjaśnienia tego, co działo się dalej. Być może potrzeba dodatkowych procesów, które nałożyły się na pracę ukrytego silnika.

Jednym z nich jest opadanie części materii z powrotem na magnetara. Innym zderzanie się fali uderzeniowej z materią, którą gwiazda mogła wyrzucać jeszcze setki lat przed ostatecznym kolapsem. Takie wcześniejsze zrzucanie materii przez masywną gwiazdę mogłoby stworzyć wokół niej środowisko, które później dodatkowo zasila albo moduluje blask supernowej.

Dotąd magnetary były jednym z głównych kandydatów na silniki superjasnych supernowych, ale brakowało mocnego, bezpośredniego śladu w promieniach gamma. Światło widzialne można wyjaśniać różnymi mechanizmami: radioaktywnym niklem, oddziaływaniem fali uderzeniowej z otoczeniem albo właśnie centralnym silnikiem. Gamma daje nowy sposób sprawdzenia, co naprawdę dzieje się wewnątrz eksplozji.