Вспышка AT2018cow произвела черную дыру или нейтронную звезду

Сигнал, процедурно обозначенный как AT2018cow, с тех пор был назван просто «Корова», и астрономы занесли его в каталог как быстрый синий оптический переходный процесс, или FBOT - яркое короткоживущее событие неизвестного происхождения.

Теперь команда под руководством Массачусетского технологического института нашла убедительные доказательства источника сигнала. Помимо яркой оптической вспышки, ученые обнаружили стробоскопический импульс высокоэнергетического рентгеновского излучения. Они проследили сотни миллионов таких рентгеновских импульсов до Коровы и обнаружили, что импульсы возникают как часы, каждые 4,4 миллисекунды в течение 60 дней.

Основываясь на частоте импульсов, команда подсчитала, что рентгеновские лучи должны исходить от объекта шириной не более 1000 километров и массой менее 800 солнц. По астрофизическим стандартам такой объект можно было бы считать компактным, как небольшую черную дыру или нейтронную звезду.

Их результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, убедительно свидетельствуют о том, что AT2018cow была продуктом умирающей звезды, которая в результате коллапса породила компактный объект в виде черной дыры или нейтронной звезды. Новорожденный объект продолжал пожирать окружающий материал, поедая звезду изнутри - процесс, который высвободил колоссальный прилив энергии.

«Мы обнаружили рождение компактного объекта в сверхновой», - говорит ведущий автор Дирадж «DJ» Пашам, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Это происходит с обычными сверхновыми, но мы не видели этого раньше, потому что это такой запутанный процесс. Мы думаем, что это новое свидетельство открывает возможности для обнаружения маленьких черных дыр или молодых нейтронных звезд».

AT2018cow - один из многих «астрономических транзиентов», обнаруженных в 2018 году. «Корова» в его названии является случайным совпадением астрономического процесса наименования (например, «ааа» относится к самому первому астрономическому транзиенту, обнаруженному в 2018 году). Сигнал входит в число нескольких десятков известных FBOT, и это один из немногих сигналов, которые наблюдались в режиме реального времени. Его мощная вспышка - до 100 раз ярче типичной сверхновой - была обнаружена в ходе исследования на Гавайях, которое немедленно отправило оповещения в обсерватории по всему миру.

«Это было захватывающе, потому что начало накапливаться огромное количество данных», - говорит Пашам. «Количество энергии было на несколько порядков больше, чем у типичной сверхновой звезды с коллапсом ядра. И вопрос был в том, что могло произвести дополнительный источник энергии?»

Астрономы предложили различные сценарии для объяснения сверхъяркого сигнала. Например, это могло быть продуктом черной дыры, рожденной сверхновой. Или это могло быть результатом черной дыры среднего веса, сдирающей материал с проходящей звезды. Но данные, собранные оптическими телескопами, не смогли однозначно определить источник сигнала. Пашам заинтересовался, можно ли найти ответ в рентгеновских данных.

«Этот сигнал был близким и ярким в рентгеновских лучах, что привлекло мое внимание», - говорит Пашам. "Первое, что приходит в голову, это что происходит какое-то действительно энергетическое явление, генерирующее рентгеновские лучи. Я хотел проверить идею о том, что в ядре Коровы есть черная дыра или компактный объект».

Команда изучила рентгеновские данные, собранные НАСА Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) - телескопом для мониторинга рентгеновских лучей на борту Международной космической станции. NICER начал наблюдение за Коровой примерно через пять дней после первоначального обнаружения оптическими телескопами, отслеживая сигнал в течение следующих 60 дней. Эти данные были занесены в общедоступный архив, который Пашам и его коллеги анализировали.

Команда просмотрела данные, чтобы определить рентгеновские сигналы, исходящие от AT2018cow, и подтвердила, что это излучение не было от других источников. Они сфокусировались на рентгеновских лучах и обнаружили, что Корова испускала импульсы с частотой 225 герц, то есть каждые 4,4 миллисекунды.

Пашам ухватился за этот пульс, понимая, что его частоту можно использовать для прямого вычисления размера всего, что пульсирует. В этом случае размер пульсирующего объекта не может превышать расстояние, которое скорость света может преодолеть за 4,4 миллисекунды. Исходя из этого, он подсчитал, что размер объекта не должен быть больше 1,3х10⁸ сантиметров, или примерно 1000 километров в ширину.

«Единственное, что может быть настолько маленьким, - это компактный объект - нейтронная звезда или черная дыра», - говорит Пашам.

Команда также подсчитала, что, исходя из энергии, излучаемой AT2018cow, она должна составлять не более 800 солнечных масс.

«Это исключает идею того, что сигнал исходит от промежуточной черной дыры», - говорит Пашам.

Помимо определения источника этого сигнала, исследование демонстрирует, что рентгеновский анализ FBOT и других сверхъярких явлений может стать новым инструментом для изучения молодых черных дыр.

«Всякий раз, когда возникает новое явление, появляется волнение от того, что оно может рассказать новое о Вселенной», - говорит Пашам. «Что касается FBOT, мы показали, что можем изучать их пульсации в деталях, что невозможно в оптике. Так что это новый способ понимания новорожденных компактных объектов».