Сотрудники МГУ и других исследовательских организаций ведут научное расследование, связанное с космосом. Объектом пристального внимания стала необычная звезда, расположенная в центре туманности и визуально напоминающая праздничный салют. По всей видимости, она возникла в результате крайне редкого космического события, и мы имеем уникальную возможность ее исследовать.
Звезда J005311, расположенная в созвездии Кассиопеи, представляет собой крайне редкий объект, вероятно, возникший в результате слияния двух белых карликов – звезд, прошедших стадию остывания и израсходовавших запасы энергии для термоядерных реакций. Новые данные подтверждают гипотезу о том, что столкновение произошло в 1181 году и было сопряжено со вспышкой сверхновой, зафиксированной в китайских исторических документах. Необычно то, что взрыв не привел к полному разрушению звезды. Скорее всего, это был чрезвычайно редкий вид космических явлений, которые ранее наблюдались только во внешних галактиках. И в этом случае астрономам посчастливилось, поскольку остатки необычной сверхновой находятся на относительно небольшом расстоянии от Земли – в 7500 световых годах.
Чтобы выяснить, в чем уникальность звезды J005311, необходимо рассмотреть, как живут и завершают свой жизненный цикл звезды.
Как перестать быть звездой
Энергия, вырабатываемая звездой, возникает в результате термоядерных реакций, в процессе которых одни химические элементы превращаются в другие. В течение большей части своего существования звезда преобразует водород в гелий. Так, Солнце ежесекундно расходует около 600 миллионов тонн водорода.
Когда водород исчерпывается? Если масса звезды превышает половину массы Солнца, то температура и давление в ее ядре становятся достаточными для начала термоядерной реакции гелия. (Следует отметить, что термоядерные процессы не являются химическими, и использование слова «горение» в данном контексте – это лишь удобный способ описания, используемый астрономами.) В результате образуются углерод и кислород, которые также способны к термоядерному синтезу, при условии, что масса звезды достаточно велика.
Но термоядерные процессы неизбежно прекратятся, вне зависимости от того, на каком химическом элементе они происходят. Что произойдет впоследствии, определяется исходной массой звезды. Звёздные светила с массой менее 8-10 солнечных масс завершают свое существование достаточно спокойно. Внешние оболочки звезды превращаются в туманность, которая постепенно рассеивается. Ядро светила становится белым карликом. Это компактный и чрезвычайно плотный объект, сопоставимый по массе с Солнцем, но по размерам напоминающий Землю. Первоначально он обладает очень высокой температурой: около 50 тысяч градусов на поверхности. Однако со временем небесное тело остывает, поскольку термоядерные реакции, как мы уже отметили, прекратились. Белый карлик излучает тепло, подобно раскаленной кочерге, отдавая накопленные запасы энергии. В телескоп он выглядит как небольшая звезда, однако его природу выдает химический состав, который можно определить по спектру. Обычная звезда преимущественно состоит из водорода и гелия, а в белом карлике эти элементы почти полностью исчерпаны.
Прощальное шоу
Для звезды, масса которой превышает 8-10 солнечных, завершение жизненного цикла происходит гораздо более эффектно. Тяжелое ядро обладает значительной гравитационной силой, притягивающей окружающие его слои. Пока в звезде протекают термоядерные процессы, давление излучения сдерживает это притяжение. Когда термоядерные реакции прекращаются, вещество звезды начинает обрушиваться на ядро и отскакивает от него, нагреваясь в результате столкновения. Эта встречная волна, подхватывая еще не упавшие слои, выбрасывает их обратно. В конечном итоге, от места гибели звезды с быстротой, достигающей тысяч километров в секунду, распространяется раскаленный расширяющийся фронт, напоминающий взрывную волну.
Этот светящийся шар излучает значительно больше энергии, чем изначальная звезда, главным образом из-за его огромных размеров. В связи с этим, сверхновая достигает пика яркости не в момент взрыва, а через несколько недель, когда ее оболочка существенно расширилась, но остается достаточно горячей (от 10 до 20 тысяч градусов). Наблюдателю в телескоп это представляется так, будто звезда внезапно увеличила свою светимость в миллиарды раз и стала сопоставима по блеску со всей галактикой. Такие явления принято называть вспышками сверхновых.
Существуют также сверхновые типа Ia, которые обладают совершенно иным происхождением. Причиной их появления являются белые карлики, уже известные нам.
Ожирение вредно для здоровья
Мы дали белому карлику возможность остыть и пережить воспоминания о периоде, когда он был полноценной звездой. Это связано с тем, что его массы не хватает для поддержания термоядерных реакций за счет внутреннего давления. Однако, что произойдет, если белый карлик увеличит свою массу? Это возможно, если он образует двойную систему со вторым светилом.
Звездные тела нередко формируют двойные системы, вращающиеся вокруг общего центра масс. Когда одна из компонент превращается в белый карлик, возникает пара, состоящая из него и обычной звезды. Если расстояние между этими звездами небольшое, гравитация карлика начинает притягивать вещество от его компаньона. Эта материя откладывается на «хищнике», увеличивая его массу. Что происходит в итоге? Существует несколько сценариев, определяемых интенсивностью этого процесса (или, в научном термине, аккреции). Для нашей истории ключевым является один из них: масса белого карлика превышает критический предел, после чего он разрушается в результате термоядерного взрыва.
Максимальная масса белого карлика составляет приблизительно 1-1,5 солнечных (ее конкретное значение определяется составом объекта). При превышении этого предела, известного как предел Чандрасекара, в небесном теле начинаются термоядерные реакции. Однако они протекают не в форме плавного горения, а в виде катастрофического взрыва. «Перекормленный» белый карлик буквально распадается на составляющие его части – поистине разрушительное насыщение! Волна раскаленных фрагментов формирует расширяющийся светящийся шар. Мы уже сталкивались с подобным зрелищем, не так ли? Механизм здесь принципиально отличается, но для наблюдателя оба процесса выглядят крайне схоже, поэтому неудивительно, что они оба именуются сверхновыми.
Вообще, астрономы начинают с описания и классификации наблюдаемых явлений видят, сначала люди замечают необычные явления, а затем пытаются понять их причину. По изменениям блеска, зафиксированным наблюдателями, сверхновые были разделены на I и II тип, а каждый из этих типов — на несколько подгрупп: Ia, Ib и так далее (для упрощения мы также будем называть эти подгруппы типами). Позже выяснилось, что вспышка типа Ia связана с термоядерным взрывом белого карлика, а все остальные случаи возникают из-за отскока оболочки от ядра массивной звезды.
Слияния и поглощения
Если предположить, что обе звезды в системе достигли стадии белого карлика, то образуется двойная система белых карликов. Процесс аккреции вещества от одного белого карлика к другому наблюдается нечасто, поскольку эти объекты обладают высокой плотностью и устойчивостью, что затрудняет перетекание вещества. Однако существует альтернативный механизм, приводящий к взрыву сверхновой типа Ia.
В процессе парного танца партнеры будут сближаться. Это происходит из-за того, что они испускают гравитационные волны, что приводит к потере момента импульса. В конечном итоге, компоненты дуэта сойдутся и объединятся в единую структуру.
В случае, если масса этого нового объекта окажется ниже предела Чандрасекара, во Вселенной возникнет один новый белый карлик вместо двух исходных. В противном случае произойдет взрыв сверхновой типа Ia. Однако некоторые модели предсказывают и еще один вариант развития событий, хотя он и представляется маловероятным.
Иногда, при объединении двух белых карликов, происходит умеренный термоядерный взрыв. Этот процесс отличается от обычной вспышки Ia тем, что не приводит к полному разрушению образовавшейся звезды. В сохранившемся ядре продолжаются термоядерные реакции, но уже в форме устойчивого горения, а не взрывной активности. Следовательно, две «отработавшие» звезды, объединившись и взорвавшись, формируют одну, в которой поддерживаются термоядерные процессы).
Редкие птицы
Даже обычный взрыв типа Ia — довольно редкое явление. В одной галактике он происходит примерно раз в столетие. Мы наблюдаем большое количество таких вспышек лишь благодаря тому, что они видны на огромных межгалактических расстояниях, и мы одновременно наблюдаем множество галактик. А вот слабый взрыв, сопровождаемый образованием «вторичной звезды», случается еще реже. Однако у ученых есть потенциальные кандидаты на такие вспышки — сверхновые типа Iax. Этот подтип, относящийся к типу Ia, характеризуется относительно низкой светимостью и невысокой скоростью расширения оболочки. Следовательно, взрыв происходит слабее обычного, и вполне вероятно, что после него что-то остается. Первое подобное событие было зафиксировано в 2002 году, а за последующие 15 лет их насчитали более 50. Все они произошли в далеких галактиках.
Что касается Млечного Пути, то с момента создания телескопов здесь не было зафиксировано вспышек сверхновых какого-либо типа. Это объясняется как их низкой частотой возникновения, так и поглощением света межзвездными газопылевыми облаками. Мы наблюдаем диск Галактики сбоку, и даже интенсивное свечение сверхновой не способно преодолеть его толщину от одного края до другого. Наблюдать удается лишь относительно близкие вспышки. И подобных событий за последние столетия не происходило, а уж тем более сверхновых IaX.
Если мы не наблюдали саму вспышку, то удастся ли найти звезду, образовавшуюся в ходе этого мощного события? Вероятность этого невелика. Возобновление термоядерных реакций длится всего около десяти тысяч лет. Поэтому, по мнению экспертов, среди сотен миллиардов звезд, населяющих Галактику, найдется не более 5-10 подобных редких объектов. Неужели нам будет настолько удастся, что один из них окажется достаточно близко, чтобы мы могли его увидеть с помощью наших телескопов?
Похоже, нам действительно повезло именно таким образом. Во всяком случае, такая гипотеза выдвинули ученые из МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Университета Бонна, обнаружившие и исследовавшие таинственное светило J005311 в 2019 году.
Выжившая при взрыве
Звезда J005311 представляет собой уникальный объект. По своему химическому составу она является типичным белым карликом, однако температура её поверхности крайне высока – приблизительно 200 тысяч градусов. Такие высокие температуры не характерны для белых карликов, даже на этапе формирования. Вместе с тем, это вполне соответствует звезде, образовавшейся в результате слияния двух объектов. Кроме того, J005311 расположена в центре туманности, которая визуально напоминает остатки взрыва сверхновой. Эта звезда выбрасывает потоки вещества (звездный ветер) с поразительной скоростью – 16 тысяч километров в секунду. Это значение превышает скорость солнечного ветра примерно в 20 раз. Механизм, определяющий столь высокую скорость, пока неясен. Возможно, J005311 обладает мощным магнитным полем и функционирует как естественный ускоритель частиц.
Если наши представления об этой звезде верны, то ее возраст не превышает десяти тысяч лет. В 2021 году исследователи из Гонконга, Венгрии, Великобритании, Франции и Испании предположили, согласно данным, она появилась на свет в результате взрыва сверхновой звезды, произошедшего в 1181 году и зафиксированного в исторических хрониках Китая и Японии.
Безусловно, нам не под силу отправиться в Средние века с телескопами, чтобы установить, была ли эта вспышка представителем типа Iax. Однако исследователи вполне могут изучить туманность, окружающую J005311, и определить, является ли она достаточно молодой.
Это было осуществлено астрономами из трех исследовательских центров в США, которые представили свои результаты в форме препринта. Для наблюдений применялся телескоп с фокусным расстоянием 2,4 метра, оснащенный оптическим фильтром, реагирующим на спектральную линию серы. Этот элемент является характерным признаком термоядерных взрывов, происходящих в белых карликах.
Анализ содержания серы позволяет предположить, что J005311 образовалась в результате вспышки Iax. Кроме того, исследователи определили радиус туманности, составляющий приблизительно три световых года, и скорость ее расширения – около 1100 километров в секунду. При условии постоянной скорости расширения можно сделать вывод, что процесс начался около тысячи лет назад. Это соответствует предполагаемой дате взрыва – 1181 год.
Объект привлекателен и внешне. Остатки сверхновых, подобные Крабовидной туманности, обычно выглядят как неразборчивые скопления газа. Однако ореол вокруг J005311 отличается. От него отходят четкие и изящные радиальные волокна, протяженностью от двух до восьми световых месяцев. Благодаря им туманность напоминает небесный фейерверк.
Природа этих волокон остается предметом дальнейших исследований. Для получения более детальных данных ученые запросили время наблюдений на передовых космических телескопах «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Эти инструменты, вероятно, помогут получить окончательное объяснение природы загадочной звезды J005311. В любом случае, такой необычный объект требует тщательного изучения, вне зависимости от того, подтвердится ли выдвинутая гипотеза о его образовании в результате взрыва сверхновой.