Η γέννηση ενός magnetar – Αστρονόμοι εντοπίζουν την «μηχανή» πίσω από τις πιο λαμπρές εκρήξεις άστρων supernova

Για πρώτη φορά αστρονόμοι κατέγραψαν τη γέννηση ενός magnetar, ενός εξαιρετικά μαγνητισμένου και ταχύτατα περιστρεφόμενου αστέρα νετρονίων, επιβεβαιώνοντας ότι αποτελεί την πηγή ενέργειας πίσω από μερικές από τις πιο λαμπρές εκρήξεις άστρων στο σύμπαν.

Η ανακάλυψη των αστρονόμων επιβεβαιώνει μια θεωρία που είχε προταθεί πριν από 16 χρόνια από τον θεωρητικό φυσικό του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, Νταν Κέισεν, και εισάγει ένα νέο φαινόμενο στις εκρήξεις άστρων: υπερκαινοφανείς εκρήξεις με ένα χαρακτηριστικό «κελάηδισμα» στην καμπύλη φωτεινότητας τους, το οποίο οφείλεται στις επιδράσεις της γενικής σχετικότητας.

Οι λεγόμενες υπερφωτεινές υπερκαινοφανείς εκρήξεις (superluminous supernovae) μπορεί να είναι έως και δέκα φορές πιο φωτεινές από τις συνηθισμένες supernovae. Από την ανακάλυψή τους στις αρχές της δεκαετίας του 2000, αποτελούν ένα από τα μεγάλα αινίγματα της αστροφυσικής.

Αρχικά θεωρήθηκε ότι προέρχονται από την έκρηξη εξαιρετικά μαζικών άστρων — ίσως 25 φορές μεγαλύτερων από τον Ήλιο. Ωστόσο η φωτεινότητά τους διαρκεί πολύ περισσότερο από ό,τι θα περίμενε κανείς όταν ο σιδηρούχος πυρήνας ενός άστρου καταρρέει και τα εξωτερικά του στρώματα εκτινάσσονται.

Το 2010 ο Κέισεν, μαζί με τον Λαρς Μπίλντσεν, πρότειναν ότι η μακρόχρονη αυτή λάμψη τροφοδοτείται από ένα magnetar. Παρόμοια ιδέα είχε διατυπώσει ανεξάρτητα και ο Σταν Γούσλεϊ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ.

Όταν ένα τεράστιο άστρο φτάνει στο τέλος της ζωής του και καταρρέει, ένα μεγάλο μέρος της μάζας του συμπιέζεται σε έναν εξαιρετικά πυκνό αστέρα νετρονίων — ένα στάδιο λίγο πριν τη δημιουργία μαύρης τρύπας.

Αν το αρχικό άστρο διέθετε πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αυτό ενισχύεται δραματικά κατά τη δημιουργία του magnetar, φτάνοντας να είναι 100 έως 1.000 φορές ισχυρότερο από εκείνο των συνηθισμένων περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων, των λεγόμενων pulsars.

Οι pulsars και τα magnetars έχουν διάμετρο περίπου 16 χιλιομέτρων, όμως στα πρώτα στάδια της ζωής τους μπορούν να περιστρέφονται πάνω από 1.000 φορές το δευτερόλεπτο.

Καθώς περιστρέφεται το magnetar, το ισχυρό μαγνητικό του πεδίο επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια, τα οποία συγκρούονται με τα συντρίμμια της έκρηξης της supernova και ενισχύουν τη φωτεινότητά της. Τα magnetars θεωρείται επίσης ότι αποτελούν πιθανή πηγή των μυστηριωδών γρήγορων ραδιοεκρήξεων (fast radio bursts).

Το «κελάηδισμα» μιας supernova – Το αστρονομικό στοιχείο που πρόδωσε την παρουσία magnetar

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Τζόζεφ Φάρα από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και το Παρατηρητήριο Las Cumbres ανέλυσε δεδομένα από μια supernova του 2024, γνωστή ως SN 2024afav, επιβεβαιώνοντας τη σύνδεση μεταξύ magnetars και των υπερφωτεινών supernovae τύπου I.

Μετά την ανακάλυψη της έκρηξης τον Δεκέμβριο του 2024, το παγκόσμιο δίκτυο 27 τηλεσκοπίων του Las Cumbres Observatory παρακολούθησε το φαινόμενο για περισσότερες από 200 ημέρες. Το άστρο που εξερράγη βρίσκεται περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός από τη Γη.

Η φωτεινότητα της supernova κορυφώθηκε περίπου 50 ημέρες μετά την έκρηξη. Στη συνέχεια όμως δεν μειώθηκε ομαλά, όπως συμβαίνει συνήθως. Αντίθετα, παρουσίασε διαδοχικές ταλαντώσεις φωτεινότητας που γίνονταν όλο και πιο συχνές.

Οι ερευνητές εντόπισαν τέσσερις διαδοχικές «εξάρσεις» φωτεινότητας, ένα μοτίβο που μοιάζει με ήχο που αυξάνει σταδιακά τη συχνότητά του — σαν το κελάηδισμα ενός πουλιού. Για τον λόγο αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε “chirp”.

Στο παρελθόν είχαν παρατηρηθεί μία ή δύο τέτοιες εξάρσεις σε άλλες υπερφωτεινές supernovae. Ορισμένοι επιστήμονες τις είχαν αποδώσει στη σύγκρουση του ωστικού κύματος της έκρηξης με στρώματα αερίου γύρω από το άστρο. Ωστόσο ποτέ δεν είχαν καταγραφεί τέσσερις διαδοχικές ταλαντώσεις.

Η γενική σχετικότητα σε δράση και πώς ένας «ταλαντευόμενος» δίσκος εξηγεί το φαινόμενο

Σύμφωνα με το μοντέλο που πρότεινε ο Φάρα, μέρος της ύλης που εκτινάχθηκε από την έκρηξη επέστρεψε προς το magnetar σχηματίζοντας έναν δίσκο προσαύξησης.

Επειδή η κατανομή της ύλης γύρω από το magnetar δεν είναι απολύτως συμμετρική, ο δίσκος αυτός δεν ευθυγραμμίζεται πλήρως με τον άξονα περιστροφής του αστέρα νετρονίων.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι μια περιστρεφόμενη μάζα «παρασύρει» τον χωροχρόνο γύρω της — ένα φαινόμενο γνωστό ως προέλιξη Lense–Thirring.

Η επίδραση αυτή κάνει τον δίσκο να ταλαντεύεται. Καθώς ταλαντώνεται, περιοδικά μπλοκάρει ή ανακλά το φως που προέρχεται από το magnetar, μετατρέποντας ολόκληρο το σύστημα σε έναν κοσμικό «φάρο» που αναβοσβήνει.

Όσο ο δίσκος πλησιάζει προς το magnetar, η ταλάντωσή του γίνεται ταχύτερη, με αποτέλεσμα οι μεταβολές στη φωτεινότητα να εμφανίζονται όλο και πιο συχνά — δημιουργώντας το παρατηρούμενο «κελάηδισμα».

Οι υπολογισμοί των ερευνητών έδειξαν ότι ο αστέρας νετρονίων περιστρέφεται κάθε 4,2 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ενώ το μαγνητικό του πεδίο είναι περίπου 300 τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από της Γης — χαρακτηριστικά που ταυτοποιούν ένα magnetar.

Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι με την έναρξη λειτουργίας του νέου Παρατηρητηρίου Vera C. Rubin, το οποίο θα πραγματοποιεί τη μεγαλύτερη έως σήμερα χαρτογράφηση του νυχτερινού ουρανού, αναμένεται να εντοπιστούν δεκάδες ακόμη τέτοιες «κελαηδιστές» supernovae.

Όπως δήλωσε ο Φάρα:
«Είναι το πιο συναρπαστικό πράγμα στο οποίο είχα ποτέ την τύχη να συμμετάσχω. Είναι το σύμπαν που μας λέει κατάμουτρα ότι ακόμη δεν το κατανοούμε πλήρως — και μας προκαλεί να το εξηγήσουμε».

Πηγή: Nature