Открыта первая туманность у магнитара

Астрономы впервые обнаружили огромное облако высокоэнергетических частиц под названием «ветровая туманность» (wind nebula) вокруг магнитара — редкой нейтронной звезды с чрезвычайно мощным магнитным полем. Находка открывает уникальное окно для изучения свойств, окружения и вспышек активности этих объектов, являющихся самыми сильными магнитами во Вселенной.

Рентгеновское изображение туманности вокруг магнитара Swift J1834.9-0846 построено на основании данных наблюдений обсерватории XMM-Newton, проведенных 16 марта и 16 октября 2014 г. Условными цветами обозначена энергия излучения: красный — от 2000 до 3000 электрон-вольт (эВ), зеленый — от 3000 до 5000 эВ, синий — от 5000 до 10000 эВ.

Нейтронная звезда представляет собой сколлапсировавшее ядро «обычной» массивной звезды, которая уже исчерпала водородно-гелиевое термоядерное топливо и сжалась под собственным весом, взорвавшись при этом как Сверхновая. Каждый из подобных звездных остатков содержит в себе массу, эквивалентную полумиллиону масс Земли, «втиснутую» в правильную сферу диаметром меньше 20 км. Наиболее часто такие объекты наблюдаются в виде пульсаров, генерирующих радиоимпульсы и синхронно с ними «подмигивающие» в видимом диапазоне, а также в рентгеновских и гамма-лучах.

Строго говоря, то, в каких именно областях электромагнитного спектра они себя проявляют, зависит от многих параметров, в том числе от положения и конфигурации их магнитных полей.

Типичные магнитные поля пульсаров в 100 млрд — 10 трлн раз мощнее, чем поле Земли. Однако у магнитаров эта величина может быть выше еще на 2-3 порядка, и ученые до сих пор не знают подробностей того, каким образом способна возникнуть подобная напряженность магнитного поля. Из примерно 2600 нейтронных звезд, известных на данный момент, лишь 29 объектов классифицированы как магнитары.

Новооткрытая туманность окружает магнитар, известный как Swift J1834.9-0846, (для краткости — J1834.9). Он был обнаружен во время короткой рентгеновской вспышки с помощью космической обсерватории Swift 7 августа 2011 г. Астрономы предполагают, что этот объект связан с остатком сверхновой W41, расположенным примерно в 13 тыс. световых лет от нас в созвездии Щита. Через месяц после открытия группа ученых во главе с Джорджем Юнсом из Университета Джорджа Вашингтона (George Younes, George Washington University, Washington, D.C.) осуществила съемку J1834.9 с использованием рентгеновской обсерватории XMM-Newton, выявившую необычный асимметричный ореол размером около 15 световых лет. Последующие наблюдения с помощью того же телескопа, проведенные в марте и октябре 2014 г., в сочетании с архивными данными подтвердили присутствие
этой туманности — первого подобного образования вокруг магнитара.

По словам Джорджа Юнса, пока ученые не могут сказать, как J1834.9 создал и продолжает поддерживать свою ветровую туманность. Раньше такие структуры наблюдали только вокруг молодых пульсаров. Если в данном случае она возникла в ходе аналогичных процессов, тогда получается, что на «подпитку» ее свечения уходит около 10% вращательной энергии магнитара, то есть в этой системе имеет место наибольшая эффективность преобразования энергии.

Другой интересный вопрос, стоящий перед астрофизиками — почему это единственный известный магнитар с туманностью? Когда ответ на него будет получен, станут понятнее причины различий между магнитарами и обычными пульсарами.

Самая знаменитая «ветровая туманность» существует менее тысячи лет. Она известна как Крабовидная туманность и наблюдается в созвездии Тельца. Молодой пульсар в ее центре вращается очень быстро, делая 30 оборотов в секунду. Такое быстрое вращение и сильное магнитное поле приводят к ускорению электронов и других заряженных частиц до очень высоких энергий. Они создают отток, служащий источником энергии для расширения вещества туманности — астрономы называют его пульсарным ветром.

Судя по интенсивности рентгеновского излучения туманности J1834.9, ее создание требует мощных потоков частиц, причем вдобавок необходимо каким-то образом сдерживать их отток в окружающее пространство. Ученые предполагают, что расширяющаяся оболочка остатка сверхновой служит своего рода «бутылочным горлышком», ограничивающим разлет вещества на протяжении первых нескольких тысяч лет после взрыва. По мере своего расширения эта оболочка становится слишком слабой и уже не может удерживать разлетающиеся частицы, которые впоследствии покидают остаток Сверхновой, и туманность рассеивается. Такое предположение объясняет, почему подобные туманности не обнаруживаются вокруг старых пульсаров, даже характеризовавшихся мощными оттоками.

Пульсар постоянно «перекачивает» энергию своего вращения в окружающую туманность. В противоположность этому, энергия вспышки магнитара содержится в его сверхмощном магнитном поле. Когда это поле по каким-то причинам «перенастраивается» в состояние с более низкой энергией, ее разница с предыдущим состоянием излучается в виде рентгеновских и гамма-лучей. Таким образом, в отличие от пульсаров, магнитары не генерируют постоянный устойчивый поток частиц, а производят их мощные выбросы в ходе нерегулярных вспышек.

По оценкам астрономов, туманность вокруг J1834.9 существует уже несколько тысяч лет, благодаря чему этот объект предоставляет уникальную возможность изучать историю жизни магнитара, открывая совершенно новое поле для исследований.