Открытие нового типа сверхновой проливает свет на средневековую тайну

Обнаружены первые убедительные доказательства нового типа звездного взрыва — сверхновой с электронным захватом. Хотя в теории они существуют уже 40 лет, до сих пор не было реальных примеров. Считается, что эти сверхновые возникают в результате взрывов массивных звезд супер-асимптотического ответвления гигантов (SAGB), о чем также было немного доказательств.

Открытие, опубликованное в журнале Nature Astronomy, также проливает новый свет на тысячелетнюю тайну сверхновой с 1054 года, которая была заметна во всем мире в дневное время, прежде чем в конце-концов стала Крабовидной туманностю.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB).

Как возникают сверхновые?

Исторически, сверхновые делятся на два основных типа: с термоядерным коллапсом и коллапсом железного ядра.

Термоядерная сверхновая — это взрыв звезды-белого карлика после того, как она наберет вещества в бинарной звездной системе. Белые карлики — это плотные ядра, которые остаются после того, как звезда с небольшой массой (масса которой примерно в 8 раз превышает массу Солнца) достигнет конца своей жизни.

Сверхновая с коллапсом железного ядра возникает, когда у массивной звезды — масса которой примерно в 10 раз превышает массу Солнца — заканчивается ядерное топливо и ее железное ядро коллапсирует, образуя черную дыру или нейтронную звезду.

Между этими двумя основными типами сверхновых есть сверхновые с электронным захватом. Эти звезды останавливают синтез, когда их ядра состоят из кислорода, неона и магния; они недостаточно мощные для образования железа.

Хотя гравитация всегда пытается раздавить звезду, большинство звезд удерживает от коллапса или продолжающийся термоядерный синтез или у тех ядрах, где синтез остановился — тот факт, что атомы уже не могут быть упакованы плотнее.

В сверхновой с электронным захватом часть электронов в кислородно-неоново-магниевой сердцевине звезды врезаются (поглощаются) в свои атомные ядра в процессе, который называется электронным захватом. Это удаление электронов приводит к тому, что сердцевина звезды прогибается под собственным весом и коллапсирует, в результате чего возникает сверхновая с электронным захватом.

Если бы звезда была немного тяжелее, основные элементы могли бы слиться, создавая тяжелые элементы, продолжая ее жизнь. Итак, это своего рода обратная ситуация со Златовлаской (имеется в виду английская сказка, которая у нас называется «Маша и три медведя»): звезда недостаточно легкая, чтобы избежать коллапса своего ядра, а также недостаточно тяжелая, чтобы продлить свою жизнь и позже умереть другим способом.

Именно такая теория была сформулирована в начале 1980 года Кэнити Номото из Токийского университета и другими.

За десятилетия теоретики сформулировали предсказания того, на что следует обратить внимание в сверхновых с электронным захватом и у их предшественников — звезд SAGB. Звезды должны иметь большую массу, терять значительную ее часть до взрыва, и эта масса возле умерающей звезды должна иметь необычный химический состав. Затем, сверхновая с электронным захватом должна быть обедненной, иметь мало радиоактивных осадков и иметь богатые на нейтроны элементы в своей сердцевине.

Представление художника о звезде над-асимптотического ответвления гигантов и ее ядре, состоящего из кислорода, неона и магния. Это конечное состояние звезд с массой около 8-10 масс Солнца, ядро которых находится под давлением, поддерживаемых электронами. Когда ядро становится достаточно плотным, неон и магний начинают пожирать электроны, уменьшая давление в ядре и вызывая взрыв сверхновой в коллапсе ядра. S. Wilkinson; Las Cumbres Observatory

Необычная сверхновая

Новым исследованием руководит Дайчи Хирамацу, аспирант Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и обсерватории Лас-Кумбрес (LCO). Хирамацу является основным членом Глобального проекта сверхновых — всемирной команды ученых, которые используют десятки телескопов по всему земному шару и над ним. Команда обнаружила, что сверхновая SN 2018zd имела множество необычных характеристик, некоторые из которых впервые были замечены у сверхновой.

Помогло то, что сверхновая была относительно недалеко — всего за 31 миллион световых лет — в галактике NGC 2146. Это позволило группе изучить архивные снимки, сделанные космическим телескопом Хаббла до взрыва, и выявить возможную звезду-предшественницу до того, как она взорвалась. Наблюдение согласовывались с другой недавно идентифицированной звездой SAGB в Млечном Пути, но не согласовывались с моделями красных сверхгигантов — предшественников обычных сверхновых с коллапсом железного ядра.

Авторы проанализировали все опубликованные данные о сверхновых и обнаружили, что, хотя в некоторых было несколько прогнозируемых показателей для сверхновых с электронным захватом, только SN 2018zd имела все шесть: очевидным предшественником была SAGB, сильная потеря массы до сверхновой, необычный звездный химический состав, слабый взрыв, низкая радиоактивность и богатое нейтронами ядро.

"Мы начали с вопроса "что это за чудак?", - сказал Хирамацу. "Потом мы изучили каждый аспект SN 2018zd и поняли, что все они могут быть объяснены в сценарии захвата электронов".

Средневековая тайна

Новые открытия также освещают некоторые тайны известной сверхновой в прошлом. В 1054 году н. е. в галактике Млечный Путь произошла сверхновая, которая, согласно китайским и японским записями, была настолько яркой, что ее можно было видеть днем в течение 23 дней, а ночью почти два года. Полученный после нее остаток, Крабовидная туманность, была изучена достаточно подробно.

Это композитное изображение Крабовидной туманности собрано путем объединения данных пяти телескопов, охватывающих почти всю ширину электромагнитного спектра. NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF and G. Dubner (University of Buenos Aires)

Ранее Крабовидная туманность была лучшим кандидатом для сверхновой с электронным захватом, но ее статус был неопределенным, отчасти потому, что взрыв произошел почти тысячу лет назад. Новый результат увеличивает уверенность в том, что историческая SN 1054 была сверхновой с электронным захватом. Это также объясняет, почему эта сверхновая была относительно яркой по сравнению с моделями: ее светимость, вероятно, искусственно усиливалась столкновением выброса сверхновой с материалом, сброшенным звездой-предшественницей, как это наблюдалось у SN 2018zd.

Кен Номото из Института Кавли Токийского университета выразил волнение по поводу того, что его теория подтвердилась. "Мне очень приятно, что наконец была обнаружена сверхновая с электронным захватом, существование которой и связь с Крабовидной туманностью мы с коллегами предусматривали 40 лет назад", - говорит он. "Я очень ценю большие усилия, вложенные на получение этих наблюдений. Это прекрасный случай сочетания наблюдений и теории".

Хирамацу добавил: "Это был своеродный "момент Эврики" для всех нас, что мы можем способствовать закрытию 40-летней теоретической петли, и лично для меня, потому что моя карьера в астрономии началась, когда я посмотрел потрясающие фотографии Вселенной в библиотеке средней школы, одной из которых была знаковая Крабовидная туманность, снятая космическим телескопом Хаббл".

"Термин Розеттский камень используется слишком часто как аналогия, когда мы находим новый астрофизический объект", - сказал Эндрю Хауэлл, сотрудник обсерватории Лас-Кумбер и адъюнкт-преподаватель UCSB, "но в этом случае я считаю, что это уместно. Это сверхновая буквально помогает нам расшифровывать тысячелетние записи из культур во всем мире. И она помогает нам связать одну вещь, которую мы не до конца понимаем, - Крабовидная туманность — с другой вещью, о которой мы имеем невероятные современные записи, эту сверхновую. В процессе это учит нас фундаментальной физике: как образуются некоторые нейтронные звезды, как живут и умирают экстремальные звезды, а также о том, как элементы, из которых мы состоим, создаются и рассеиваются по Вселенной ". Хауэлл также является лидером Глобального проекта сверхновых и советником ведущего автора работы Хирамацу по докторской диссертации.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.