Телескоп IXPE зафіксував рекордну поляризацію магнетара

Американське космічне агентство NASA за допомогою телескопа IXPE вперше в історії виміряло поляризацію рентгенівського випромінювання магнетара під час спалаху. Це відкриття може допомогти вченим розгадати таємниці найпотужніших магнітних полів у відомому Всесвіті.

Магнетари являють собою особливий тип молодих нейтронних зірок, які утворюються після колапсу масивних зірок наприкінці їхнього життєвого циклу. Коли велика зірка досягає кінця свого існування, вона руйнується всередину себе, залишаючи після себе надзвичайно щільне ядро з масою приблизно як у Сонця, але стиснуте до розмірів міста. Нейтронні зірки демонструють найекстремальніші фізичні умови у спостережуваному Всесвіті та надають унікальні можливості для вивчення явищ, які неможливо відтворити в земних лабораторіях.

Магнетар 1E 1841−045, розташований у залишках наднової зірки SNR Kes 73 на відстані майже 28 тисяч світлових років від Землі, був зафіксований у стані спалаху телескопами NASA Swift, Fermi та NICER 21 серпня 2024 року. Цей об'єкт привернув увагу вчених своєю незвичайною активністю.

Кілька разів на рік команда IXPE схвалює запити на переривання запланованих спостережень телескопа для фокусування на унікальних та несподіваних небесних подіях. Коли магнетар 1E 1841−045 увійшов у цей яскравіший, активний стан, науковці вирішили перенаправити IXPE для отримання перших у історії вимірювань поляризації магнетара під час спалаху.

Магнетари мають магнітні поля в кілька тисяч разів сильніші за більшість нейтронних зірок і володіють найпотужнішими магнітними полями серед усіх відомих об'єктів у Всесвіті. Порушення їхніх екстремальних магнітних полів може призвести до того, що магнетар випромінює до тисячі разів більше рентгенівської енергії, ніж зазвичай, протягом кількох тижнів. Цей посилений стан називається спалахом, але механізми, що стоять за ними, досі не до кінця зрозумілі науковцям.

Завдяки вимірюванням рентгенівської поляризації IXPE вчені можуть наблизитися до розкриття таємниць цих явищ. Поляризація несе інформацію про орієнтацію та вирівнювання випромінюваних рентгенівських світлових хвиль. Чим вищий ступінь поляризації, тим більше рентгенівські хвилі рухаються синхронно, подібно до ретельно хореографованого танцювального виступу. Дослідження характеристик поляризації магнетарів розкриває підказки про енергетичні процеси, що виробляють спостережувані фотони, а також про напрямок та геометрію магнітних полів магнетара.

Результати IXPE, підкріплені спостереженнями телескопів NASA NuSTAR та NICER, показують, що рентгенівське випромінювання від 1E 1841−045 стає більш поляризованим на вищих енергетичних рівнях, зберігаючи при цьому той самий напрямок поширення. Значний внесок у цей високий ступінь поляризації надходить від жорсткого рентгенівського хвоста 1E 1841−045, енергетичного магнітосферного компонента, що домінує на найвищих енергіях фотонів, спостережуваних IXPE.

Жорсткі рентгенівські промені мають коротші довжини хвиль та вищі енергії порівняно з м'якими рентгенівськими променями. Хоча вони поширені серед магнетарів, механіка, що керує виробництвом цих високоенергетичних рентгенівських фотонів, залишається значною мірою невідомою. Було запропоновано кілька теорій для пояснення цього випромінювання, але тепер висока поляризація, пов'язана з цими жорсткими рентгенівськими променями, надає додаткові підказки щодо їхнього походження.

Результати представлені у двох статтях, опублікованих у журналі The Astrophysical Journal Letters. Одну з них очолила Рейчел Стюарт, аспірантка Університету Джорджа Вашингтона, а іншу — Мікела Рігоселлі з Італійського національного інституту астрофізики.

«Це унікальне спостереження допоможе вдосконалити існуючі моделі, що мають на меті пояснити жорстке рентгенівське випромінювання магнетарів, вимагаючи від них врахування цього дуже високого рівня синхронізації, який ми бачимо серед цих жорстких рентгенівських фотонів», — заявила Стюарт. «Це дійсно демонструє силу вимірювань поляризації в обмеженні фізики в екстремальних середовищах магнетарів».

Рігоселлі, головний автор супутньої статті, додала: «Буде цікаво спостерігати за 1E 1841−045, коли він повернеться до свого спокійного, базового стану, щоб простежити еволюцію його поляриметричних властивостей».

IXPE являє собою космічну обсерваторію, створену для розкриття таємниць деяких з найекстремальніших об'єктів у Всесвіті. Запущена у грудні 2021 року з космічного центру Кеннеді NASA на ракеті Falcon 9, місія IXPE є частиною серії малих дослідників NASA.

IXPE, який продовжує надавати безпрецедентні дані, що дозволяють здійснювати проривні відкриття про небесні об'єкти по всьому Всесвіту, є спільною місією NASA та Італійського космічного агентства з партнерами та науковими співробітниками у 12 країнах. IXPE керується Центром космічних польотів імені Маршалла NASA у Хантсвіллі, штат Алабама. Компанія BAE Systems зі штаб-квартирою у Фоллс-Черч, штат Вірджинія, керує операціями космічного апарата разом з Лабораторією атмосферної та космічної фізики Університету Колорадо у Боулдері.

Це дослідження відкриває нові горизонти у розумінні найекстремальніших об'єктів Всесвіту та демонструє важливість міжнародного співробітництва у космічних дослідженнях. Отримані дані можуть суттєво вплинути на майбутні теоретичні моделі магнетарів та їхніх унікальних властивостей.