Відкриття нового типу наднової проливає світло на середньовічну таємницю

Виявлено перші переконливі докази нового типу зоряного вибуху — наднової з електронним захопленням. Хоча в теорії вони існують вже 40 років, досі не було реальних прикладів. Вважається, що ці наднові виникають внаслідок вибухів масивних зірок над-асимптотичного відгалуження гігантів (SAGB), про що також було небагато доказів.

Відкриття, опубліковане у журналі Nature Astronomy, також проливає нове світло на тисячолітню таємницю наднової з 1054 року, яка була помітна у всьому світі у денний час, перш ніж врешті стала Крабоподібною туманністю.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі (UCSB).

Як виникають наднові?

Історично, наднові поділяються на два основних типи: з термоядерним колапсом та колапсом залізного ядра.

Термоядерна наднова — це вибух зорі-білого карлика після того, як вона набере речовини у бінарній зоряній системі. Білі карлики — це щільні ядра, які залишаються після того, як зоря з невеликою масою (маса якої приблизно у 8 разів перевищує масу Сонця) досягне кінця свого життя.

Наднова із колапсом залізного ядра виникає, коли у масивної зорі — маса якої приблизно у 10 разів перевищує масу Сонця — закінчується ядерне паливо та її залізне ядро колапсує, утворюючи чорну діру або нейтронну зорю.

Між цими двома основними типами наднових є наднові із електронним захопленням. Ці зірки зупиняють синтез, коли їх ядра складаються з кисню, неону та магнію; вони недостатньо масивні для утворення заліза.

Хоча гравітація завжди намагається розчавити зорю, більшість зірок утримує від колапсу або термоядерний синтез, що триває, або в тих ядра, де синтез зупинився — той факт, що атоми вже не можуть бути упаковані щільніше.

У надновій з електронним захопленням частина електронів у киснево-неоново-магнієвому осерді зорі вчавлюються (поглинаються) у свої атомні ядра в процесі, який називається електронним захопленням. Це видалення електронів призводить до того, що осердя зорі прогинається під власною вагою і колапсує, в результаті чого виникає наднова з електронним захопленням.

Якби зоря була трохи важчою, основні елементи могли б злитися, створюючи важчі елементи, продовжуючи її життя. Отже, це свого роду зворотна ситуація із Золотоволоскою (мається на увазі англійська казка, яка у нас називається “Маша та три ведмеді”): зоря недостатньо легка, щоб уникнути колапсу свого ядра, а також недостатньо важка, щоб продовжити своє життя і пізніше померти іншим способом.

Саме така теорія була сформульована на початку 1980 року Кеніті Номото з Токійського університету та іншими.

За десятиліття теоретики сформулювали передбачення того, на що слід звернути увагу у наднових з електронним захопленням та їхніх попередників — зірок SAGB. Зорі повинні мати велику масу, втрачати значну її частину до вибуху, і ця маса біля присмертної зорі повинна мати незвичайний хімічний склад. Потім, наднова з електронним захопленням повинна бути збідненою, мати мало радіоактивних осадів й мати багаті на нейтрони елементи у своєму осерді.

Уявлення художника про зірку над-асимптотичного відгалуження гігантів та її ядра, що складається з кисню, неону та магнію. Це кінцевий стан зірок з масою близько 8-10 мас Сонця, ядро яких знаходиться під тиском, що підтримується електронами. Коли ядро стає досить щільним, неон і магній починають пожирати електрони, зменшуючи тиск в ядрі й викликаючи вибух наднової в колапсі ядра. S. Wilkinson; Las Cumbres Observatory

Незвична наднова

Новим дослідженням керує Дайчі Хірамацу, аспірант Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та обсерваторії Лас-Кумбрес (LCO). Хірамацу є основним членом Глобального проєкту наднових — всесвітньої команди вчених, які використовують десятки телескопів по всьому земному шару і над ним. Команда виявила, що наднова SN 2018zd мала безліч незвичних характеристик, деякі з яких вперше були помічені у надновій.

Допомогло те, що наднова була відносно неподалік — лише за 31 мільйон світлових років — у галактиці NGC 2146. Це дозволило групі вивчити архівні знімки, зроблені космічним телескопом Хаббла до вибуху, та виявити ймовірну зорю-попередника до того, як вона вибухнула. Спостереження узгоджувались з іншою нещодавно ідентифікованою зіркою SAGB у Чумацькому Шляху, але не узгоджувались із моделями червоних надгігантів — попередників звичайних наднових з колапсом залізного ядра.

Автори проаналізували всі опубліковані дані про наднові й виявили, що, хоча у деяких було кілька прогнозованих показників для наднових із електронним захопленням, лише SN 2018zd мала усі шість: очевидним попередником була SAGB, сильна втрата маси до наднової, незвична зоряний хімічний склад, слабкий вибух, низька радіоактивність і багате нейтронами ядро.

"Ми почали з запитання "що це за дивак?", - сказав Хірамацу. "Потім ми вивчили кожен аспект SN 2018zd і зрозуміли, що всі вони можуть бути пояснені в сценарії електронного захоплення".

Середньовічна таємниця

Нові відкриття також висвітлюють деякі таємниці найвідомішої наднової в минулому. У 1054 році н. е. в галактиці Чумацький Шлях сталася наднова, яка, згідно з китайськими та японськими записами, була настільки яскравою, що її можна було бачити вдень протягом 23 днів, а вночі майже два роки. Отриманий після неї залишок, Крабоподібна туманність, була вивчена досить детально.

Це композитне зображення Крабоподібної туманності зібрано шляхом об'єднання даних п’яти телескопів, що охоплюють майже всю ширину електромагнітного спектра. NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF and G. Dubner (University of Buenos Aires)

Раніше Крабоподібна туманність була найкращим кандидатом для наднової з електронним захопленням, але її статус був невизначеним, частково тому, що вибух стався майже тисячу років тому. Новий результат збільшує впевненість у тому, що історична SN 1054 була надновою з електронним захопленням. Це також пояснює, чому ця наднова була відносно яскравою у порівнянні з моделями: її світимість, ймовірно, штучно підсилювалася зіткненням викиду наднової з матеріалом, скинутим зорею-попередницею, як це спостерігалося у SN 2018zd.

Кен Номото з Інституту Кавлі Токійського університету виразив хвилювання з приводу того, що його теорія підтвердилася. "Мені дуже приємно, що нарешті була виявлена наднова з електронним захопленням, існування якої та зв’язок із Крабоподібною туманністю ми з колегами передбачали 40 років тому", - каже він. "Я дуже ціную великі зусилля, вкладені на отримання цих спостережень. Це чудовий випадок поєднання спостережень і теорії".

Хірамацу додав: "Це був такий “момент Еврики” для всіх нас, що ми можемо сприяти закриттю 40-річної теоретичної петлі, і особисто для мене, тому що моя кар'єра в астрономії розпочалася, коли я подивився приголомшливі фотографії Всесвіту у бібліотеці середньої школи, однією з яких була знакова Крабоподібна туманність, знята космічним телескопом Хаббл".

"Термін Розетський камінь використовується занадто часто як аналогія, коли ми знаходимо новий астрофізичний об'єкт", - сказав Ендрю Хауелл, співробітник обсерваторії Лас-Кумбер і ад'юнкт-викладач UCSB, "але в цьому випадку я вважаю, що це доречно. Це наднова буквально допомагає нам розшифровувати тисячолітні записи з культур у всьому світі. І вона допомагає нам пов’язати одну річ, яку ми не до кінця розуміємо, – Крабоподібну туманність — з іншою, про яку ми маємо неймовірні сучасні записи, цю наднову. У процесі це навчає нас фундаментальній фізиці: як утворюються деякі нейтронні зорі, як живуть і вмирають екстремальні зорі, а також про те, як елементи, з яких ми складаємося, створюються і розсіюються по Всесвіту". Хауелл також є лідером Глобального проєкту наднових та радником провідного автора роботи Хірамацу по докторській дисертації.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.