Новий тип наднової показав внутрішні шари зорі, що вмерла при вибуху

Міжнародна група вчених виявила раніше небачений тип наднової, яка багата на кремній, сірку та аргон, що розкриває внутрішню шарувату будову вмерлої зорі.

Про це розповідають у Північно-Західному університеті, передають OstanniPodii.com.

Коли масивні зорі вибухають, астрофізики зазвичай виявляють сильні сліди легких елементів, таких як водень і гелій. Але нещодавно відкрита наднова, названа SN2021yfj, продемонструвала дивовижно інший хімічний склад.

Астрономи давно висунули теорію, що масивні зорі мають шарувату структуру, схожу на цибулю. Зовнішні шари переважно складаються з найлегших елементів. У міру просування до центру елементи стають все важчими, аж до досягнення внутрішнього залізного ядра.

Спостереження за SN2021yfj свідчать про те, що масивна зоря якимось чином втратила свої зовнішні шари водню, гелію та вуглецю, оголивши внутрішні шари, багаті на кремній і сірку, перед тим, як вибухнути. Це відкриття є прямим доказом давно висунутої теорії про внутрішню шарувату структуру гігантських зірок і дає безпрецедентну можливість зазирнути в глибини масивної зорі — за мить до її вибухової загибелі.

Результати дослідження були опубліковані 20 серпня в журналі Nature.

«Це перший випадок, коли ми бачимо зорю, яка була практично повністю оголена», — сказав Стів Шульце з Північно-Західного університету, який очолював дослідження. «Це показує нам, як побудовані зорі, і доводить, що зорі можуть втрачати багато матеріалу перед вибухом. Вони можуть не тільки втрачати свої зовнішні шари, але й бути повністю оголеними, і все одно виробляти яскравий вибух, який ми можемо спостерігати з дуже-дуже далеких відстаней».

«Ця подія буквально не схожа на те, що хтось бачив раніше», — додав Адам Міллер з Північно-Західного університету, старший автор дослідження. «Це було настільки дивно, що ми подумали, що, можливо, спостерігали не той об′єкт. Ця зоря говорить нам, що наші уявлення й теорії про еволюцію зірок занадто вузькі. Не те, щоб наші підручники були неправильними, але вони явно не охоплюють усього, що відбувається в природі. Мабуть, існують більш екзотичні шляхи закінчення життя масивної зорі, які ми не брали до уваги».

Шульце, експерт з найекстремальніших швидкоплинних об′єктів в астрономії, є науковим співробітником Центру міждисциплінарних досліджень і досліджень в астрофізиці (CIERA) Північно-Західного університету. Міллер є доцентом фізики та астрономії в Коледжі мистецтв і наук Вайнберга Північно-Західного університету й провідним членом CIERA та Інституту штучного інтелекту для дослідження неба NSF-Simons.

Гаряча, палка цибулина

Масивні зорі, вага яких у 10–100 разів перевищує вагу нашого Сонця, підживлюються ядерним синтезом. У цьому процесі інтенсивний тиск і екстремальна температура в ядрі зорі змушують легші елементи зливатися, утворюючи важчі елементи. Коли температура та щільність в ядрі зростають, синтез починається також у зовнішніх шарах. У міру еволюції зорі, з часом в ядрі вигорають все важчі елементи, а легші елементи вигорають в серії оболонок, що оточують ядро. Цей процес триває, зрештою приводячи до утворення залізного ядра. Коли залізне ядро колапсує, це викликає вибух наднової або утворює чорну діру.

Хоча масивні зорі зазвичай скидають шари перед вибухом, SN2021yfj викинула набагато більше матеріалу, ніж вчені коли-небудь раніше виявляли. Інші спостереження «роздягнених зірок» виявили шари гелію або вуглецю та кисню, що оголилися після втрати зовнішньої водневої оболонки. Але астрофізики ніколи не бачили нічого глибшого за це, що натякає на те, що тут має відбуватися щось надзвичайно бурхливе та надзвичайне.

У пошуках космічного дивацтва

Шульце та його команда відкрили SN2021yfj у вересні 2021 року, використовуючи доступ Північно-Західного університету до Установки транзієнтів Цвіккі (ZTF). Розташований на схід від Сан-Дієго, ZTF використовує ширококутну камеру для сканування всього видимого нічного неба. З моменту запуску ZTF став головним рушієм відкриттів астрономічних транзієнтів — швидкоплинних явищ, таких як наднові, які раптово спалахують, а потім швидко згасають.

Переглянувши дані ZTF, Шульце виявив надзвичайно яскравий об′єкт у зоні утворення зірок, розташованій за 2,2 мільярда світлових років від Землі.

Щоб отримати більше інформації про таємничий об′єкт, команда хотіла отримати його спектр, який розкладає розсіяне світло на складові кольори. Кожен колір представляє різний елемент. Отже, аналізуючи спектр наднової, вчені можуть виявити, які елементи присутні у вибуху.

Хоча Шульце відразу ж взявся до дії, їх пошук спектра зайшов у глухий кут. Телескопи по всьому світу були або недоступні, або не могли бачити крізь хмари, щоб отримати чітке зображення. На щастя, команда отримала несподіваний подарунок від колеги-астронома, який зібрав спектр за допомогою інструментів в обсерваторії В.М. Кека на Гаваях.

«Ми думали, що повністю втратили можливість отримати ці спостереження», — розповідає Міллер. «Тому ми пішли спати розчаровані. Але наступного ранку колега з Каліфорнійського університету в Берклі несподівано надав спектр. Без цього спектра ми, можливо, ніколи б не зрозуміли, що це був дивний і незвичайний вибух».

«Ми побачили цікавий вибух, але не мали уявлення, що це було», — каже Шульце про SN2021yfj. «Майже миттєво ми зрозуміли, що це було щось, чого ми ніколи раніше не бачили, тому нам потрібно було вивчити це за допомогою всіх доступних ресурсів».

«Мабуть, сталося щось дуже насильницьке»

Замість типового гелію, вуглецю, азоту та кисню, які містяться в інших роздягнутих наднових, у спектрі переважали сильні сигнали кремнію, сірки та аргону. Ядерний синтез виробляє ці важчі елементи в глибинах масивної зорі на останніх етапах її життя.

«Ця зоря втратила більшу частину матеріалу, який вона виробила протягом свого життя», — каже Шульце. «Тому ми могли бачити лише матеріал, що утворився протягом місяців безпосередньо перед вибухом. Щоб це сталося, мала статися якась дуже насильницька подія».

Хоча точна причина цього явища залишається відкритим питанням, Шульце й Міллер припускають, що відбувся рідкісний і потужний процес. Вони досліджують кілька сценаріїв, включаючи взаємодію з потенційною супутньою зорею, масивний вибух перед надновою або навіть надзвичайно сильні зоряні вітри.

Але, найімовірніше, як припускає команда, ця загадкова наднова є результатом того, що масивна зоря буквально розірвала себе на шматки. Коли ядро зорі стискається під дією власної гравітації, воно стає ще гарячішим і щільнішим. Екстремальна температура й щільність потім знову запалюють ядерний синтез з такою неймовірною інтенсивністю, що це викликає потужний вибух енергії, який відштовхує зовнішні шари зорі. Кожного разу, коли зоря переживає новий епізод нестабільності народження електрон-позитронних пар, відповідний імпульс викидає більше матеріалу.

«Одне з останніх викидів оболонки зіткнулося з наявною оболонкою, що спричинило яскраве випромінювання, яке ми бачили як SN2021yfj», — сказав Шульце.

«Хоча ми маємо теорію про те, як природа створила цей конкретний вибух, я б не став ставити на карту своє життя, стверджуючи, що вона правильна, тому що ми все ще маємо лише один виявлений приклад. Ця зоря дійсно підкреслює необхідність відкриття більшої кількості таких рідкісних наднових, щоб краще зрозуміти їхню природу та те, як вони утворюються», - додав Міллер.