Содержание
Ученые нашли способ предсказать взрыв сверхновой звезды
Тренды
Телеканал
Pro
Инвестиции
Мероприятия
РБК+
Новая экономика
Тренды
Недвижимость
Спорт
Стиль
Национальные проекты
Город
Крипто
Дискуссионный клуб
Исследования
Кредитные рейтинги
Франшизы
Газета
Спецпроекты СПб
Конференции СПб
Спецпроекты
Проверка контрагентов
РБК Библиотека
Подкасты
ESG-индекс
Политика
Экономика
Бизнес
Технологии и медиа
Финансы
РБК КомпанииРБК Life
РБК
Тренды
Фото: Shutterstock
Международная группа астрофизиков научилась определять, как скоро взорвется сверхновая звезда. Рассказываем подробнее об их открытии
Что происходит
- Сверхновая звезда или вспышка сверхновой — это процесс гибели звезды, при котором она резко увеличивает яркость на несколько порядков, а потом медленно затухает, высвобождая большое количество энергии.
- Группа астрофизиков изучила каталоги с изображениями звезд типа II-P до взрыва — именно они остаются яркими дольше всего после вспышки — и выявила закономерность. Все звезды, окруженные плотной пеленой материи, в течение нескольких лет взрывались. С помощью компьютерного моделирования они определили, что материя формируется в течение нескольких лет (что очень быстро), нагревается и делает сверхновую более яркой.
- После взрыва ударная волна сталкивается с материей вокруг звезды и теряет энергию.
- Исследователи предположили два сценария возникновения оболочки. Согласно первому, высокоскоростные ветры сдували с поверхности звезды ее частицы, и они в течение десятилетий постепенно обволакивали сверхновую.
- Во втором случае звезда пережила до вспышки сверхновой еще один взрыв, который высвободил на орбиту газ массой до 1/10 Солнца — и произошло это в течение всего одного года.
Что это значит
Все химические элементы во Вселенной появились в результате взрыва сверхновых звезд. Ученые выделяют два типа взрывов: коллапс ядра и термоядерный взрыв. В результате коллапса ядра взрываются звезды с массой в несколько раз больше Солнца — к ним относятся сверхновые типа II-P. Их можно сравнить с луковицей: сверху оболочка из легких ядер водорода, далее следуют углерод и кислород, а в ядре — разогретый до миллиардов градусов и сжатый газ из ядер железа.
Когда у звезды «заканчивается» топливо оболочки, из-за сильной гравитации в центре ядра происходит его коллапс, сопровождающийся мощной ударной волной. Она несет с собой частицы вещества с верхних слоев — именно газ и дает световую вспышку, которую наблюдают ученые. На месте взрыва остается нейтронная звезда размером с Солнце — или черная дыра.
Вспышка сверхновой — довольно редкое явление, часто ее невозможно зафиксировать из-за плотных газопылевых облаков, поглощающих свет. Именно сверхновые позволили ученым открыть темную энергию и установить расширение Вселенной. А образование черных дыр позволяет изучить гравитацию.
Одна из самых известных претенденток на статус сверхновой — звезда в созвездии Ориона Бетельгейзе. Она в 1 тыс. раз больше Солнца и по размеру сравнима с Солнечной системой. Бетельгейзе уже более 10 млн лет, она находится на последней стадии эволюции и, по расчетам ученых, взорвется как сверхновая совсем скоро — через 1,5 млн лет.
Обновлено 19.09.2022
Текст
Анна Арбузова
Главное в тренде
Материалы по теме
ОСТАТКИ ВСПЫШЕК СВЕРХНОВЫХ • Большая российская энциклопедия
Авторы: Д. Ю. Цветков
ОСТА́ТКИ ВСПЫ́ШЕК СВЕРХНО́ВЫХ, туманности, возникающие после взрывов сверхновых звёзд. О. в. с. состоят из выброшенного взрывом вещества звезды и поглощённого («сгребённого») ударной волной межзвёздного вещества.
Возможны два сценария вспышек сверхновых звёзд. 1. Белый карлик, накапливая падающее на него вещество звезды-спутника, достигает критич. массы, после чего начинается его стремительное сжатие и происходит термоядерный взрыв, полностью разрушающий звезду (т. н. термоядерные сверхновые). 2. Массивная звезда, исчерпав термоядерное топливо, коллапсирует под действием сил собств. гравитации; при этом ядро сжимается и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру, а внешние слои сбрасываются (т. н. коллапсирующие сверхновые).
В обоих случаях взрыв выбрасывает в окружающую среду всё вещество звезды или бóльшую его часть со скоростью, достигающей 10% от скорости света. Ср. скорость расширения оболочек у термоядерных сверхновых составляет 8–12 тыс. км/с, у коллапсирующих – 3–8 тыс. км/с. При столкновении выброшенного вещества с околозвёздным или межзвёздным газом возникает ударная волна, нагревающая газ до темп-ры порядка 10 млн. К.
Туманность SNR 0509-67.5 в Большом Магеллановом Облаке, типичный оболочечный остаток вспышки сверхновой. Рентгеновское изображение обсерватории «Чандра» (показано зелёным и голубым цветом) наложено на…
Эволюция О. в. с. определяется взаимодействием выброшенного при взрыве сверхновой вещества с окружающей межзвёздной средой. О. в. с. в процессе своего развития проходят через следующие стадии. 1. Свободное расширение выброшенного вещества продолжается до тех пор, пока масса выметенного ударной волной межзвёздного вещества не превысит массу выброшенного звёздного вещества. Продолжительность этой стадии составляет от нескольких десятков до нескольких сотен лет, в зависимости от плотности окружающей газовой среды. 2. Ударная волна существенно замедляется, возникает возвратная ударная волна, движущаяся к центру адиабатически остывающего О. в. с. Столкновения ударных волн горячего газа сопровождаются мощным рентгеновским излучением. 3. Внешняя оболочка О. в. с. охлаждается и формируется тонкая (толщиной менее 1 пк) и плотная (с концентрацией 1–100 млн. атомов в 1 м3) оболочка вокруг очень горячей (с темп-рой неск. млн. К) внутр. полости. Наступает фаза радиативного охлаждения. Оболочка О. в. с. становится доступной для наблюдения в видимом диапазоне спектра благодаря рекомбинации ионизованных атомов водорода и кислорода. 4. Внутр. полость О. в. с. охлаждается; плотная оболочка продолжает расширяться под влиянием собств. инерции. На этой стадии О. в. с. лучше всего наблюдать в радиолиниях атомов нейтрального водорода. 5. Примерно через неск. сотен тысяч лет скорость расширения оболочки замедляется до среднестатистич. скоростей газовых облаков в окружающем пространстве (ок. 10 км/с). Размер О. в. с. при этом может достичь нескольких десятков парсек.
О. в. с. подразделяются на 3 осн. типа: оболочечные, плерионы и комбинированные. Оболочечные О. в. с. характеризуются плотной горячей оболочкой, которая наблюдается как кольцеобразная структура с резкой внешней границей (рис.). Плерионы (от греч. πλήρης – заполненный) имеют аморфную структуру, излучение концентрируется к центру О. в. с. Комбинированные О. в. с. могут выглядеть как оболочечные или как плерионы в зависимости от диапазона излучения, в котором проводятся наблюдения. Различают термальные комбинированные О. в. с., они выглядят как оболочечные в радиодиапазоне и как плерионы в рентгеновских лучах, и плерионные комбинированные О. в. с., которые наблюдаются как плерионы и в радио-, и в рентгеновском диапазонах, однако также имеют оболочку.
О. в. с. можно наблюдать в нашей Галактике и соседних галактиках Местной группы. В Галактике известно ок. 300 О. в. с., в Магеллановых Облаках – ок. 60. Многочисл. популяции О. в. с. обнаружены в галактиках M31, M33, M81, M101, NGC 6946 и др.
Наиболее известные и хорошо изученные О. в. с. в Галактике – Крабовидная туманность, Кассиопея A, О. в. с. Тихо Браге и Кеплера. В Большом Магеллановом Облаке можно наблюдать раннюю стадию формирования О. в. с. после вспышки сверхновой SN 1987A. Крабовидная туманность – остаток взрыва коллапсирующей сверхновой, яркую вспышку которой наблюдали в 1054. Это плерион, в центре которого находится пульсар – нейтронная звезда, остаток сколлапсировавшего ядра звезды. Энергия, выделяющаяся при замедлении вращения пульсара, обеспечивает свечение туманности. Кассиопея A – самый яркий радиоисточник на земном небе, однако в оптич. диапазоне туманность очень тусклая. Это оболочечный О. в. с., остаток взрыва коллапсирующей сверхновой, который, вероятно, произошёл ок. 1680, однако на Земле вспышка не наблюдалась. О. в. с. Тихо Браге и Кеплера – оболочечные, образовавшиеся после вспышек термоядерных сверхновых, наблюдавшихся соответственно в 1572 и 1604.
О. в. с. играют важную роль в эволюции межзвёздной среды: они нагревают её, перемешивают и обогащают тяжёлыми химич. элементами. На фронте ударной волны происходит ускорение заряженных частиц – возникают космич. лучи сверхвысоких энергий. Столкновение расширяющихся О. в. с. с плотными газово-пылевыми облаками может инициировать процесс звездообразования.
Ученые впервые наблюдали взрыв звезды в реальном времени
Художественное изображение красной звезды-сверхгиганта, превращающейся в сверхновую типа II, испускающей сильное извержение радиации и газа на последнем издыхании, прежде чем разрушиться и взорваться.
(Изображение предоставлено: Обсерватория В. М. Кека/Адам Макаренко)
Астрономы впервые наблюдали, как гигантская звезда взорвалась огненной сверхновой, и зрелище оказалось еще более взрывоопасным, чем предполагали исследователи.
Ученые начали наблюдать за обреченной звездой — красным сверхгигантом по имени SN 2020tlf, расположенным примерно в 120 миллионах световых лет от Земли — более чем за 100 дней до ее окончательного, сильного коллапса, согласно новому исследованию, опубликованному 6 января. в Астрофизическом журнале (открывается в новой вкладке). Во время этой подготовки исследователи увидели, как звезда вспыхнула яркими вспышками света, когда большие шары газа вырвались с поверхности звезды.
Эта пиротехника перед сверхновой стала большим сюрпризом, поскольку предыдущие наблюдения красных сверхгигантов, которые вот-вот взорвутся, не показали никаких следов сильного излучения, заявили исследователи.
«Это прорыв в нашем понимании того, что массивные звезды делают за мгновение до своей смерти», — сказал ведущий автор исследования Винн Джейкобсон-Галан, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, в заявлении (opens in new tab ). «Впервые мы наблюдали взрыв красной звезды-сверхгиганта!»
Красные сверхгиганты — самые большие звезды во Вселенной по объему, в сотни, а иногда и в тысячи раз превышающие радиус Солнца. (Сколько бы они ни были громоздкими, красные сверхгиганты не являются ни самыми яркими, ни самыми массивными звездами.)
Подобно нашему солнцу, эти массивные звезды генерируют энергию за счет ядерного слияния элементов в своих ядрах. Но поскольку они такие большие, красные сверхгиганты могут создавать гораздо более тяжелые элементы, чем водород и гелий , которые сжигает наше солнце. По мере того как сверхгиганты сжигают все более массивные элементы, их ядра становятся все более горячими и сжатыми. В конце концов, к тому времени, когда они начнут сплавлять железа и никеля , у этих звезд заканчивается энергия, их ядра коллапсируют, и они выбрасывают свои газовые внешние атмосферы в космос в результате мощного взрыва сверхновой II типа.
Связанный: Когда взорвется солнце?
Ученые наблюдали за красными сверхгигантами до того, как они стали сверхновыми, и изучали последствия этих космических взрывов, однако до сих пор они никогда не наблюдали весь процесс в реальном времени.
Авторы нового исследования начали наблюдать за SN 2020tlf летом 2020 года, когда звезда мерцала яркими вспышками излучения, которые команда позже интерпретировала как выброс газа с поверхности звезды. Используя два телескопа на Гавайях — телескоп Института астрономии Гавайского университета Pan-STARRS1 и обсерваторию В. М. Кека на Мауна-Кеа — исследователи наблюдали за капризной звездой в течение 130 дней. Наконец, в конце этого периода, звезда взорвалась.
Команда увидела признаки плотного облака газа, окружавшего звезду во время ее взрыва — вероятно, того же газа, который звезда выбрасывала в предыдущие месяцы, говорят исследователи. Это говорит о том, что звезда начала испытывать сильные взрывы задолго до того, как ее ядро разрушилось осенью 2020 года. , затем разрушаются и сгорают до сих пор», — говорится в заявлении соавтора исследования Раффаэллы Маргутти, астрофизика из Калифорнийского университета в Беркли.
Эти наблюдения показывают, что красные сверхгиганты претерпевают значительные изменения в своей внутренней структуре, что приводит к хаотическим взрывам газа в последние месяцы их жизни перед коллапсом, заключила команда.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Брэндон — редактор по космонавтике и физике в Live Science. Его статьи публиковались в The Washington Post, Reader’s Digest, CBS.com, на веб-сайте Фонда Ричарда Докинза и в других изданиях. Он имеет степень бакалавра творческого письма в Университете Аризоны, а также несовершеннолетние в области журналистики и медиа-искусства. Больше всего ему нравится писать о космосе, науках о Земле и тайнах Вселенной.
Астрономы наблюдают, как звезда умирает, а затем взрывается как сверхновая — впервые
Художественное изображение красной сверхгигантской звезды, превращающейся в сверхновую типа II, испускающей яростный выброс радиации и газа на последнем издыхании, прежде чем коллапсировать и взрывающийся. Предоставлено: Обсерватория В. М. Кека/Адам Макаренко
Это еще одно новшество в астрономии.
Группа астрономов впервые в режиме реального времени засняла, как красная звезда-сверхгигант достигает конца своей жизни. Они наблюдали, как звезда корчилась в предсмертной агонии, прежде чем, наконец, взорвалась как сверхновая.
И их наблюдения противоречат предыдущим представлениям о том, как ведут себя красные сверхгиганты перед тем, как взорваться.
Художественное представление красного сверхгиганта в последний год своей жизни, испускающего бурное облако газа. Это говорит о том, что по крайней мере некоторые из этих звезд претерпевают значительные внутренние изменения, прежде чем стать сверхновой. Кредит: В.М. Обсерватория Кека/Адам Макаренко
Команда астрономов наблюдала за разворачивающейся драмой глазами двух обсерваторий на Гавайях: Pan-STARRS в Халеакала, Мауи, и обсерватории W. M. Keck на Маунакеа, остров Гавайи. Их наблюдения были частью переходного обзора Эксперимента с молодой сверхновой (YSE). Они наблюдали за взрывом сверхновой, получившей название SN 2020tlf, в течение последних 130 дней до ее взрыва.
«Впервые мы наблюдали взрыв красной звезды-сверхгиганта!»
— Винн Джейкобсон-Галан, Калифорнийский университет в Беркли
Название статьи, в которой представлено открытие, — «Последние моменты. I. Предшествующая эмиссия, расширение оболочки и повышенная потеря массы, предшествующие светящейся сверхновой II типа 2020tlf». Статья опубликована в The Astrophysical Journal, а ее ведущим автором является Винн Джейкобсон-Галан, научный сотрудник NSF в Калифорнийском университете в Беркли.
«Это прорыв в нашем понимании того, что массивные звезды делают за мгновения до своей смерти», — сказал Джейкобсон-Галан в пресс-релизе. «Прямое обнаружение предсверхновой активности в красной сверхгигантской звезде никогда ранее не наблюдалось в обычной сверхновой типа II. Мы впервые наблюдали взрыв красной звезды-сверхгиганта!»
«Это как смотреть на бомбу замедленного действия».
— Раффаэлла Маргутти, Калифорнийский университет в Беркли
Открытие датируется летом 2020 года. В то время звезда-прародитель испытала резкое увеличение светимости. Pan-STARRS обнаружил это усиление, и когда наступил Падение, звезда взорвалась как SN 2020tlf. Сверхновая — это сверхновая типа II, когда массивная звезда испытывает быстрый коллапс, а затем взрывается.
Это видео представляет собой художественное изображение красного сверхгиганта, превращающегося в сверхновую типа II, испускающего мощный выброс радиации и газа на последнем издыхании, прежде чем коллапсировать и взорваться. Предоставлено: Обсерватория В. М. Кека/Адам Макаренко
Команда использовала спектрометр с изображением низкого разрешения (LRIS) обсерватории Кека, чтобы зафиксировать первый спектр сверхновой. Данные LRIS показали околозвездный материал вокруг звезды, когда она взорвалась. Этот материал, вероятно, является тем, что Pan-STARRS видел выбросом звезды летом, прежде чем она взорвалась.
«Кек сыграл важную роль в предоставлении прямых доказательств превращения массивной звезды во взрыв сверхновой», — сказала старший автор Раффаэлла Маргутти, доцент астрономии Калифорнийского университета в Беркли. «Это как смотреть на бомбу замедленного действия. Мы никогда не подтверждали такую бурную активность в умирающей красной сверхгигантской звезде, когда мы видим, что она производит такое яркое излучение, а затем коллапсирует и сгорает, до сих пор».
Этот рисунок из исследования показывает сверхновую до и после взрыва. На верхней панели зеленым цветом показано общее количество всего электромагнитного излучения, испускаемого событием на всех длинах волн. На средней панели температуры черного тела показаны красным цветом, а на нижней панели — радиусы синим цветом. Фото: Jacobson-Galán et al, 2022
После взрыва команда обратилась к другим инструментам Кека, чтобы продолжить наблюдения. Данные DEEP Imaging and Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) и Echellette Spectrograph в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRES) показали, что звезда-прародитель была в 10 раз массивнее Солнца. Звезда находится в галактике NGC 5731 на расстоянии около 120 миллионов световых лет.
Наблюдения группы привели к новому пониманию сверхновых типа II и их звезд-прародителей. До этих наблюдений никто не видел, чтобы красный сверхгигант демонстрировал такой всплеск светимости и подвергался таким мощным извержениям перед взрывом. В свои последние дни они были гораздо спокойнее, как будто смирились со своей судьбой.
Красные звезды-сверхгиганты выбрасывают вещество до коллапса ядра. Но этот выброс материала происходит в гораздо более длительные сроки, чем SN 2020tlf. Эта сверхновая излучала околозвездный материал (CSM) за 130 дней до коллапса, и это делает ее загадкой. Яркая вспышка перед взрывом звезды каким-то образом связана с выброшенным CSM, но команда исследователей не уверена, как все они взаимодействовали.
Представление художника о взрыве сверхновой типа II, связанном с разрушением массивной сверхгигантской звезды. Фото: ESO
Значительная изменчивость звезды, приведшая к коллапсу, вызывает недоумение. Мощная вспышка света, исходящая от звезды перед взрывом, предполагает, что что-то неизвестное происходит в ее внутренней структуре. Какими бы ни были эти изменения, они приводят к гигантскому выбросу газа до того, как звезда разрушится и взорвется.
В своей статье авторы обсуждают, что могло вызвать выброс газа. Одной из возможностей является потеря массы, вызванная волнами, которая происходит на поздних стадиях звездной эволюции. Это происходит, когда «…возбуждение гравитационных волн
Гравитационные волны — это искажения или рябь в ткани пространства и времени. Впервые они были обнаружены в 2015 году детекторами Advanced LIGO и возникают в результате катастрофических событий, таких как столкновение черных дыр, сверхновых или слияние нейтронных звезд.
В заключении своей статьи авторы кратко подводят итоги. «Учитывая диапазон масс прародителей, полученный из небулярных спектров, вполне вероятно, что повышенная потеря массы и эмиссия предшественников являются результатом нестабильности, глубоко укоренившейся в недрах звезды и, скорее всего, связанной с последними стадиями ядерного горения. Энергия, выделяемая либо гравитационными волнами, генерируемыми на стадиях горения неона/кислорода, либо кремниевой вспышкой в последние ?130 дней существования прародителя, могла выбросить звездный материал, который затем был обнаружен как в потоке до взрыва, так и в спектре ранней сверхновой».