Взрыв года

Астрофизики впервые наблюдали разрушение звезды

Астрофизикам из Европы и Северной Америки впервые удалось проследить за эволюцией бывшего красного сверхгиганта спустя всего три часа после его взрыва как сверхновой звезды II типа. Вспышка в соседней с Млечным Путем галактике NGC 7610, произошедшая более трех лет назад, привлекла внимание множества ученых. 

Сегодня ученые относительно неплохо понимают процессы, предшествующие разрушению тяжелых звезд (исчерпание термоядерного топлива или гравитационный коллапс), и их дальнейшую судьбу. Светила, которые в несколько раз тяжелее Солнца и в десятки тысяч раз его ярче, превращаются в красных сверхгигантов, по мере такой эволюции теряющих около десяти процентов своей массы. Взрыв делает такие объекты чрезвычайно яркими, так что их можно наблюдать даже в самых далеких галактиках.

Между тем наблюдение в режиме реального времени взрывов сверхновых из-за своей статистической редкости до сих пор оставалось недоступным астрономам. Например, имеющиеся оценки указывают, что сверхновая в Млечном Пути взрывается в среднем реже одного раза в год. В новом исследовании ученым удалось проследить за объектом в галактике NGC 7610, спектральные характеристики которого, полученные в последние годы, указывали на его чрезвычайную нестабильность (быструю потерю массы) и, как следствие, высокую вероятность его взрыва как сверхновой.

Спиральная галактика с перемычкой NGC 7610 расположена в созвездии Пегаса на расстоянии 50,95 мегапарсека от Земли. Взорвавшийся в ней объект iPTF 13dqy (иначе — SN 2013fs) является обычной сверхновой II типа (в ее спектре присутствуют линии водорода). Впервые ее наблюдали в режиме реального времени 6 октября 2013 года при помощи автоматизированной системы iPTF (Intermediate Palomar Transient Factory), повторно — через 50 минут. Третий раз SN 2013fs наблюдали через сутки при помощи научного инструмента WiFeS (WideField Spectrograph) телескопа Австралийского национального университета.

После этого внимание к объекту iPTF 13dqy ученых резко возросло. За SN 2013fs стали наблюдать практически во всем электромагнитном диапазоне длин волн — рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном. Специалисты получили следующие данные, прекрасно укладывающиеся в имеющиеся представления об эволюции красного сверхгиганта — уничтоженной в ходе взрыва сверхновой звезды.

Разрушение ядра красного сверхгиганта инициирует формирование сверхзвуковой ударной волны. Когда она достигает поверхности звезды, объект начинает ярко светиться в видимой части излучения — происходит то, что привыкли называть вспышкой сверхновой. Одновременно с этим перерождение светила сопровождается интенсивным ультрафиолетовым излучением. Продолжительность и сила вспышки зависят от структуры оболочки звезды-прародителя и скорости потери ею массы.

Ультрафиолетовая радиация провоцирует фотоионизацию атомов в окружающем сверхновую газовом облаке. Когда газ становится достаточно плотным, происходит быстрая рекомбинация (процесс, обратный ионизации — захват ионами электронов), и возникшие атомы порождают характерные эмиссионные линии. Временные рамки этого процесса позволили ученым определить границы, до которых распространилась материя после взрыва сверхновой iPTF 13dqy, — примерно 20 световых часов.

Между тем процессы, которые происходили в атмосфере красного сверхгиганта до его взрыва, ученым достаточно точно описать не удается. Определяющим при этом является темп потери звездой материи, фактически, скорость ее отрыва от светила. Если последняя составляет 50 километров в секунду, интенсивно терять свою массу звезда начала примерно десять лет назад. Если эта величина в десять раз меньше — около пяти километров в секунду, то раздувание светила продолжалось сотни лет. Кроме того, по примеру красного сверхгиганта Бетельгейзе, готовящегося, вероятно, к взрыву в качестве сверхновой, газовая оболочка перерождающегося светила вообще может находиться в стационарном режиме.

Цель, к которой теперь стремятся ученые, — наблюдать звезду в момент ее перерождения, а не только спустя несколько часов после ее вспышки как сверхновой. Приблизиться к этому помогает проведенное наблюдение — по крайней мере, оно позволяет отобрать самые популярные сценарии взрыва звезды. Может показаться, что на самом деле ученые не в первый раз наблюдают взрыв сверхновой. С какой-то точки зрения это так, но не совсем.

Впервые вспышку сверхновой спустя несколько часов наблюдали в 2008 году. Тогда в галактике NGC 2770 зарегистрировали интенсивную вспышку ультрафиолетового излучения, длящуюся несколько часов. Скорее всего, она была связана, как и у iPTF 13dqy, с формированием ударной волны звездой-прародителем. Впоследствии событие SNLS-04D2dc наблюдали в оптическом диапазоне. Между тем систематический спектральный анализ данного события проведен не был. Причины этого заключаются в самой природе открытия: оно было случайным, и ученые к нему не подготовились.

События iPTF 13dqy и SNLS-04D2dc — то есть взрывы сверхновых II типа — произошли с одиночными светилами. Другой сценарий — взрыв белого карлика. Он происходит как вспышка сверхновой I типа, а причина его — наличие второго спутника-светила. Материя с последнего попадает на белый карлик, что приводит к превышению его массой предела Чандрасекара, то есть гравитационному коллапсу. Такое событие произошло в 2009 году, когда удалось напрямую наблюдать взрыв сверхновой и подтвердить теорию, описывающую массообмен между компаньонами в двойной системе V1213 Cen.

Сброс оболочки белым карликом начался спустя шесть суток после последнего падения его светимости. Ученые полагают, что через сотни лет взрыв, сопровождающийся кратковременным увеличением на три порядка яркости светила, повторится. Свойства двойной системы в этом случае зависят от скорости массообмена — как быстро материя с небольшого компаньона попадает на белый карлик. Имеющиеся данные указывают на низкую скорость массообмена между звездами в двойной системе V1213 Cen. За объектами следили достаточно долго — с 2003 года, в рамках проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), фиксировали периодические изменения светимости звезды V1213 Cen, которые завершились взрывом сверхновой лишь спустя шесть лет.

«Почему и каким образом массивные звезды взрываются как сверхновые — один из открытых вопросов астрофизики, — отмечают авторы в публикации. — Массивные звезды превращают легкие элементы в более тяжелые. В последние годы своего существования (короткий промежуток времени, длящийся для некоторых светил от одного до десяти миллионов лет) эти звезды сжигают тяжелое топливо, продукты слияния водорода и гелия до тех пор, пока не разрастается и не разрушается железное ядро». Несмотря на то что астрономам ясны основные механизмы, приводящие к взрывам сверхновой, детальные элементы картины все еще неясны.