Magnetary są dziwacznymi, supergęstymi pozostałościami po wybuchu supernowej. Są najsilniejszymi znanymi magnesami we Wszechświecie – miliony razy mocniejszymi niż najsilniejsze magnesy na Ziemi. Zespół europejskich astronomów, który użył należącego do ESO teleskopu VLT, uważa, że po raz pierwszy odkrył gwiazdowego towarzysza magnetara. Odkrycie pomaga w wyjaśnieniu w jaki sposób powstają magnetary – co jest zagadką od 35 lat – oraz dlaczego ta konkretna gwiazda nie zapadła się w czarną dziurę, jakby to przewidywali astronomowie.

Gdy podczas wybuchu supernowej masywna gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, powstaje albo gwiazda neutronowa, albo czarna dziura. Magnetary są nietypową i bardzo egzotyczną formą gwiazd neutronowych. Podobnie jak inne dziwne obiekty są małe i niesamowicie gęste – łyżeczka materii z gwiazdy neutronowej miałaby masę około miliarda ton – oraz mają bardzo potężne pola magnetyczne. Powierzchnie magnetarów uwalniają olbrzymie ilości promieniowania gamma, gdy zachodzi nagła rekonfiguracja znana jako trzęsienie gwiazdy, w wyniku olbrzymich naprężeń w ich skorupie.

Gromada gwiazd Westerlund 1 [1], położona 16 000 lat świetlnych od nas w kierunku południowej konstelacji Ołtarza, zawiera jeden z około dwudziestu magnetarów znanych w Drodze Mlecznej. Obiekt nosi oznaczenie CXOU J164710.2-455216 i stanowi wielką zagadkę dla astronomów.

„W naszej wcześniejszej pracy (eso1034) pokazaliśmy, że magnetar w gromadzie Westerlund 1 (eso0510) musiał narodzić się podczas wybuchowej śmierci gwiazdy około 40 razy masywniejszej od Słońca. Ale zrodziło to kolejny problem, ponieważ gwiazda tak masywna powinna zapaść się do czarnej dziury, a nie do gwiazdy neutronowej. Nie rozumieliśmy w jaki sposób mogła stać się magnetarem” – tłumaczy Simon Clark, główny autor publikacji opisującej wyniki badań.

Astronomowie zaproponowali rozwiązanie dla tej zagadki. Sugerowali, że magnetar powstał w wyniku interakcji dwóch bardzo masywnych gwiazd okrążających się nawzajem w układzie podwójnym tak ciasnym, że zmieściłby się wewnątrz orbity Ziemi. Ale do tej pory nie wykryto towarzysza gwiazdowego w miejscu położenia magnetara w Westerlund 1. Naukowcy użyli więc teleskopu VLT do poszukiwań w innych częściach gromady. Poszukiwali uciekających gwiazd – obiektów opuszczających z wielkimi prędkościami gromadę – które mogły zostać wyrzucone ze swoich orbit w wyniku wybuchu supernowej, która uformowała magnetara. Jedna z gwiazd, znana jako Westerlund 1-5 [2], okazuje się przechodzić dokładnie ten proces.

„Nie tylko gwiazda ta ma dużą prędkość, czyli cechę spodziewaną jeśli oddala się po wybuchu supernowej, ale także połączenie jej małej masy, dużej jasności i bogatego w węgiel składu chemicznego wydają się niemożliwe do uzyskania przez pojedynczą gwiazdę – to tak jak dymiąca lufa pistoletu będąca dowodem, że obiekt oryginalnie powstał w układzie podwójnym” dodaje Ben Ritchie (Open University), współautor publikacji.

ESO

Zdjęcie gromady Westerlund 1 wykonane w należącym do ESO obserwatorium La Silla w Chile.

Odkrycie pozwoliło astronomom na zrekonstruowanie historii gwiezdnego życia, które pozwoliło na uformowanie się magnetara w miejscu, w którym powinna być czarna dziura [3]. W pierwszym etapie tego procesu bardziej masywna gwiazda zaczęła wyczerpywać swoje paliwo, transferując warstwy do mniej masywnej towarzyszki – która docelowo stała się magnetarem – coraz bardziej przyspieszając jej obrót dookoła osi. Szybka rotacja wydaje się głównym czynnikiem w powstawaniu ultra silnego pola magnetycznego magnetara.

W drugim etapie w efekcie przepływu masy towarzysz sam stał się na tyle masywny, że zaczął tracić dużą część uprzednio zebranej materii. Większość tej materii została utracona, gdyż przeszła obok swojej pierwotnie macierzystej gwiazdy, widocznej do dzisiaj jako Westerlund 1-5.

„W procesie wymiany materii powstała unikalna sygnatura chemiczna gwiazdy Westerlund 1-5. Proces pozwolił także na zmniejszenie masy towarzysza do wystarczająco niskiego poziomu, aby zamiast czarnej dziury powstał magnetar” – podsumowuje Francisco Najarro (Centro de Astrobiologia, Hiszpania), członek zespołu badawczego.

Wydaje się, że obecność w układzie podwójnym gwiazd jest głównym składnikiem przepisu na powstanie magnetara. Szybki obrót dookoła swojej osi wywołany przepływem masy pomiędzy dwoma gwiazdami wydaje się konieczny do wytworzenia ultra silnego pola magnetycznego, a następnie drugiego przepływu masy, który pozwala przyszłemu magnetarowi na wystarczające schudnięcie, aby nie zapaść się do czarnej dziury w momencie swojej śmierci.

Uwagi

[1] Gromada otwarta Westerlund 1 została odkryta w 1961 roku w Australii przez szwedzkiego astronoma Bengta Westerlunda, który później przeniósł się stamtąd i został dyrektorem ESO w Chile (1970-74). Gromada znajduje się za olbrzymim międzygwiazdowym obłokiem gazu i pyłu, który blokuje większość jej światła widzialnego. Czynnik osłabiający przekracza 100 000 i dlatego tak długo prawdziwa natura tej szczególnej gromady pozostawała ukryta.

Westerlund 1 jest unikalnym naturalnym laboratorium do badania ekstremalnej fizyki gwiazd, pomagając astronomom w odpowiedzi na pytania w jaki sposób najbardziej masywne gwiazdy w Drodze Mlecznej żyły i umierały. Dzięki obserwacjom astronomowie wywnioskowali, że gromada najprawdopodobniej zawiera co najmniej 100 000 mas Słońca, a wszystkiej jej gwiazdy rozmieszczone są w obszarze o średnicy mniejszej niż 6 lat świetlnych. Westerlund 1 wydaje się być najbardziej masywną zwartą, młodą gromadą zidentyfikowaną do tej pory w Drodze Mlecznej.

Wszystkie gwiazdy w Westerlund 1 przeanalizowane do tej pory mają masy co najmniej 30-40 razy większe od słonecznej. Ponieważ takie gwiazdy mają raczej krótkie życie – w astronomicznym znaczeniu – Westerlund 1 musi być bardzo młoda. Astronomowie oszacowali wiek na pomiędzy 3,5, a 5 milionów lat. Westerlund 1 wyraźnie jest nowo narodzoną gromadą.

[2] Pełne oznaczenie gwiazdy to Cl* Westerlund 1 W 5.

[3] Gdy gwiazda starzeje się, jej reakcje termojądrowe zmieniają skład chemiczny – pierwiastki, które są paliwem dla reakcji wyczerpują się, a produkty reakcji gromadzą. Jej chemiczny odcisk palca najpierw jest bogaty w wodór i azot, ale ubogi w węgiel, dopiero pod koniec życia gwiazdy ilość węgla wzrasta, natomiast redukuje się ilość wodoru i azotu – wydaje się niemożliwe, aby pojedyncza gwiazd była jednocześnie bogata w wodór, azot i węgiel, tak jak jest to w przypadku Westerlund 1-5.