Космічний телескоп Fermi майже два десятиліття збирав дані про надновi, сподіваючись побачити гамма-випромінювання від цих вибухів. Астрономи перевіряли тисячі подій — і лише зрідка знаходили натяки, які не витримували ретельної перевірки.

Тепер міжнародна команда під керівництвом Фабіо Асеро з французького Національного центру наукових досліджень (CNRS) та Університету Париж-Сакле повідомляє про перший переконливий випадок. Йдеться про наднову SN 2017egm — рідкісний вибух, що світив у десятки разів яскравіше за звичайні наднові. Результати опубліковано в журналі Astronomy & Astrophysics.

Найближчий вибух надяскравої наднової

SN 2017egm виявила космічна обсерваторія Gaia Європейського космічного агентства 23 травня 2017 року. Вибух стався в галактиці NGC 3191 — масивній спіральній галактиці з перемичкою в сузір'ї Великої Ведмедиці, приблизно за 440 мільйонів світлових років від Землі.

На знімку, зробленому вже за кілька тижнів після спалаху, наднова світила яскравіше за всю галактику-господаря разом узяту. Це один з характерних наслідків категорії подій, які астрономи називають надяскравими наднoвими: вони випромінюють у 10 і більше разів більше видимого світла, ніж звичайні вибухи масивних зірок наприкінці життя.

За останні двадцять років таких подій знайшли близько 400. SN 2017egm залишається однією з найближчих до нас, що й дозволило детально вивчити її гамма-випромінювання. Ще у 2024 році команда під керівництвом Лі Шана з Аньхойського університету в Хефеї помітила перші натяки на гамма-сигнал від цієї наднової в даних телескопа Fermi.

Нова робота пішла далі: дослідники перевірили дані про шість найближчих надяскравих наднових, зафіксованих за перші 16 років роботи місії Fermi. Гамма-сигнал з достатньою статистичною достовірністю виявився тільки в SN 2017egm.

«Це підтверджує ранні натяки на те, що деякі наднові можуть бути настільки ж яскравими в гамма-діапазоні, як і у видимому світлі. Це відкриває нове вікно для вивчення цих явищ», — зазначив Гільєм Марті-Девеса, дослідник з Інституту космічних наук у Барселоні, який раніше працював в Університеті Трієста.

Пошук магнетара під шаром уламків

Головна загадка надяскравих наднових — звідки береться додаткова енергія. Найпопулярніша гіпотеза передбачає народження магнетара: нейтронної зірки з надзвичайно потужним магнітним полем.

Магнетари мають поля, які приблизно в 1000 разів сильніші за поля типових нейтронних зірок, і в 10 трильйонів разів сильніші за магніт на дверцятах холодильника. Новонароджений магнетар обертається сотні разів на секунду, і це швидке обертання жене потужний потік електронів і позитронів — античастинок електрона.

Ці частинки формують навколо зірки хмару, яку називають вітровою туманністю магнетара. Схожа структура існує в Крабоподібній туманності, де пульсар — нейтронна зірка, що утворилася після спалаху наднової 1054 року, — обертається близько 30 разів на секунду й підживлює потоки частинок, які видно на знімках телескопів Chandra і Webb.

Всередині такої туманності гамма-промені постійно взаємодіють із частинками та уламками наднової: електрон і позитрон можуть анігілювати в пару гамма-квантів, а два гамма-промені — зіткнутися і породити нову пару частинок. Через ці процеси випромінювання не може вирватися назовні одразу — воно перетворюється (переробляється) на видиме світло нижчої енергії, що й дає наднові додаткову яскравість.

Команда порівняла спостережувані оптичні та гамма-дані SN 2017egm із моделлю, розробленою Індреком Вурмом з Тартуського університету в Естонії та Браяном Мецгером з Колумбійського університету в Нью-Йорку. Модель простежує, як світло і частинки від новонародженого магнетара рухаються назовні крізь уламки, що розширюються.

«Приблизно через три місяці після колапсу, коли уламки наднової розширюються й охолоджуються, гамма-промені можуть почати просочуватися назовні», — пояснив Асеро. Саме такий сигнал зафіксував телескоп Fermi у період з 5 липня по 25 жовтня 2017 року — від 43 до 155 днів після відкриття наднової.

За словами дослідників, магнетарна модель добре відтворює яскравість наднової та час прибуття гамма-променів у перші місяці після вибуху, але гірше пояснює нерегулярне згасання видимого світла на пізніших етапах. Автори припускають, що додатковий внесок могли давати падіння уламків назад на магнетар та зіткнення ударної хвилі з речовиною, яку зірка викинула ще за століття до колапсу.

Що покаже Cherenkov Telescope Array

Дослідники також оцінили можливості нової наземної гамма-обсерваторії — Cherenkov Telescope Array Observatory. За приблизно 50 годин спостережень вона зможе виявляти подібні до SN 2017egm події на відстанях до 500 мільйонів світлових років.

Це означає, що майбутні спостереження зможуть охопити помітно більший обсяг простору, ніж наразі доступно для космічних гамма-телескопів, і суттєво розширити статистику таких рідкісних вибухів.

Механізм магнетара як центрального двигуна, описаний у цій роботі, спирається на численні спостережні й теоретичні досягнення у вивченні магнетарів за останні 20 років. Спостереження гамма-випромінювання від наднових дадуть нам новий спосіб дослідити їхню внутрішню будову.Джуді Ракусін, заступниця наукового керівника місії Fermi, NASA Goddard Space Flight Center

Поєднання даних наземних обсерваторій, таких як CTA, і космічного флоту NASA, що стежить за швидкозмінними явищами у Всесвіті, має дати астрономам детальнішу картину того, що насправді відбувається в надрах наднових одразу після народження нейтронної зірки.