Międzynarodowy zespół analizujący dane z kosmicznego teleskopu gamma Fermi należącego do NASA ustalił, że urządzenie zaobserwowało rzadką, niezwykle jasną supernową. Naukowcy twierdzą, że jej źródłem energii była prawdopodobnie supersilnie namagnesowana gwiazda neutronowa, powstała po zapadnięciu się gwiazdy, które wywołało eksplozję. W pracach uczestniczyła astrofizyczka z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

– Astronomowie przeszukiwali dane z teleskopu Fermi w poszukiwaniu sygnałów pochodzących z tysięcy supernowych i choć odnotowano kilka intrygujących śladów, do tej pory żaden z nich nie był jednoznaczny – powiedział kierujący badaniami Fabio Acero z Uniwersytetu Paris-Saclay we Francji. Artykuł opisujący wyniki badań ukazał się właśnie w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”.

Supernowe kolapsu jądra powstają, gdy w centrum gwiazdy o masie wielokrotnie przewyższającej masę Słońca wyczerpuje się paliwo, a gwiazda zapada się pod własnym ciężarem i eksploduje. Podczas tego procesu może powstać gwiazda neutronowa wielkości dużego miasta lub niewielka czarna dziura. Fala uderzeniowa wyrzuca resztki gwiazdy, które gwałtownie rozszerzają się, tworząc gorącą, gęstą chmurę zjonizowanego gazu.

Przez ostatnie kilkadziesiąt lat zidentyfikowano prawie 400 wyjątkowych supernowych kolapsu jądra. Każde z tych zjawisk, nazywanych supernowymi superjasnymi, emitowało co najmniej dziesięciokrotnie więcej światła widzialnego niż zazwyczaj.

W 2024 roku w badaniu prowadzonym przez Li Shanga z Uniwersytetu Anhui w Hefei w Chinach stwierdzono, że teleskop Fermi Large Area Telescope mógł zarejestrować promieniowanie gamma pochodzące z superjasnej supernowej, która wybuchła wiele lat wcześniej.

Nazwany SN 2017egm, ten niezwykle gwałtowny wybuch miał miejsce w galaktyce NGC 3191, położonej około 440 milionów lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy. Nawet przy takiej odległości wybuch ten pozostaje jednym z najbliższych tego typu zjawisk.

– Poszukiwaliśmy promieniowania gamma pochodzącego z sześciu najbliższych superjasnych supernowych zaobserwowanych w ciągu pierwszych 16 lat misji teleskopu Fermi – wyjaśnia Guillem Martí-Devesa, pracownik Instytutu Nauk Kosmicznych w Barcelonie w Hiszpanii. – Jedynie SN 2017egm wykazuje ślady promieniowania gamma, co potwierdza wcześniejsze przypuszczenia, że niektóre supernowe mogą być równie jasne w zakresie promieniowania gamma, jak w świetle widzialnym. Otwiera to nowe możliwości badania tych fascynujących zjawisk – dodaje.

Teoretycy rozważali możliwe źródła energii, które nadają tym eksplozjom dodatkową siłę. Jednym z głównych kandydatów było powstanie magnetaru, czyli rodzaju gwiazdy neutronowej o najsilniejszych znanych polach magnetycznych – nawet 1000 razy silniejszych od typowych gwiazdach neutronowych. To 10 bilionów razy więcej niż w magnesie na lodówkę.

Zespół przeprowadził dogłębną analizę zaobserwowanych cech optycznych i gamma supernowej. Kluczową rolę w tej części projektu odegrała dr Priscila Pessi z Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), specjalizująca się w astronomii obserwacyjnej z wykorzystaniem danych optycznych. Ponieważ obserwacje optyczne są powszechnie dostępne i historycznie stanowiły główny sposób odkrywania i badania supernowych, szczegółowa analiza optyczna pozostaje niezbędna do zrozumienia tych niezwykłych kosmicznych eksplozji. „Moim zadaniem była analiza obserwacji optycznych próbki pobliskich superjasnych supernowych, ujawnienie ewolucji ich krzywych jasności i porównanie tych zdarzeń pod kątem ogromnych energii, które uwalniają – wyjaśnia Priscila Pessi.

Badania pozwoliły porównać, na ile różne modele teoretyczne odzwierciedlają te zjawiska. Model opracowany przez współautorów – Indreka Vurma z Uniwersytetu w Tartu w Estonii oraz Briana Metzgera z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku – śledził, w jaki sposób światło i cząstki wytworzone przez nowo powstały magnetar przemieszczają się na zewnątrz i oddziałują z rozszerzającymi się szczątkami supernowej.

Naukowcy przewidują, że świeżo powstały magnetar będzie wirował w tempie ponad 100 obrotów na sekundę. Ta szybka rotacja wytwarza silny strumień elektronów i pozytonów – ich odpowiedników z antymaterii – tworząc ogromną chmurę cząstek o wysokiej energii.

W obrębie tej chmury — zwanej mgławicą wiatru magnetaru — liczne oddziaływania napędzają powstawanie i pochłanianie promieniowania gamma, najbardziej energetycznej postaci światła. Przykładowo, elektron i pozyton mogą ulec anihilacji, tworząc parę fotonów promieniowania gamma, lub dwa promienie gamma mogą zderzyć się i wytworzyć cząstki. W ten i inne sposoby promienie gamma oddziałują z pozostałościami po supernowej. Nie mogąc uciec bezpośrednio, ulegają one przekształceniu, zmieniając się w światło widzialne o niższej energii, które zapewnia supernowej dodatkowy wzrost jasności.

– Około 3 miesiące po zapadnięciu się gwiazdy, gdy szczątki supernowej rozszerzają się i ochładzają, promienie gamma mogą zacząć się wydostawać – tłumaczy Acero. – Ten model magnetaru najlepiej odzwierciedla jasność supernowej i czas dotarcia jej promieni gamma w pierwszych miesiącach, ale widzimy potencjał do ulepszeń w późniejszych etapach, kiedy światło widzialne zanika dość nieregularnie.

Acero i jego współpracownicy uważają, że w trakcie długotrwałego wygasania SN 2017egm, także inne procesy miały swój wkład. Należą do nich opadające na magnetar odłamki oraz oddziaływania między falą uderzeniową a materią wyrzuconą przez gwiazdę na przestrzeni stuleci poprzedzających jej wygaśnięcie.

Zespół zbadał również, na ile nowa naziemna instalacja do wykrywania promieniowania gamma, Cerenkov Telescope Array Observatory, może wykrywać zdarzenia podobne do SN 2017egm. Twierdzą oni, że przy około 50 godzinach obserwacji podobną supernową można by wykryć w odległości do około 500 milionów lat świetlnych.

– Mechanizm działania magnetaru opisany w tej publikacji opiera się na wielu obserwacyjnych i teoretycznych postępach w badaniach magnetarów z ostatnich 20 lat – powiedziała Judy Racusin, zastępca kierownika projektu misji Fermi w Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA w Greenbelt, Maryland. – Wykrycie promieniowania gamma z supernowej daje nam teraz nowy sposób na zgłębianie ich wewnętrznego działania.

Informacja prasowa na stronie NASA:
https://science.nasa.gov/missions/fermi/nasas-fermi-glimpses-power-source-of-supercharged-supernovae/