Ученые из МГУ и других научных центров разгадывают космический тайну. Главной героиней является необычная звезда в центре туманности, напоминающая праздничный фейерверк. Вероятнее всего, она образовалась вследствие очень редкого космического катаклизма, и нам повезло, что можно ее изучать.
Сверхновая звезда J005311 в созвездии Кассиопеи, возможно, образовалась при столкновении двух белых карликов. Новые наблюдения подтверждают версию о столкновении, произошедшем в 1181 году и сопровождавшемся вспышкой сверхновой, зафиксированной в китайских летописях. Удивительно, что взрыв не уничтожил звезду. Возможно, это редкость – космический катаклизм, который мы наблюдали ранее только в далеких галактиках. Астрономам повезло: остаток необычной сверхновой находится всего в 7500 световых годах от Земли.
Чтобы узнать, чем звезда J005311 необычна, нужно разобраться в жизни и смерти звёзд.
Как перестать быть звездой
Звезды получают энергию от термоядерных реакций, при которых из одних химических элементов образуются другие. Большая часть времени звезда преобразует водород в гелий. Например, Солнце тратит 600 миллионов тонн водорода каждую секунду.
Когда водород исчерпывается, то при условии массы звезды не менее половины солнечной, температура и давление внутри неё позволяют загореться гелию. В результате образуются углерод и кислород, способные также воспламениться при достаточном количестве массы у звезды.
Термоядерные реакции рано или поздно прекращаются, независимо от химического элемента. После этого судьба звезды зависит от её массы. Светила массой меньше 8-10 солнц угасают мирным путем: внешние слои превращаются в туманность, которая рассеивается со временем, а ядро звезды становится белым карликом. Это небольшой и очень плотный объект: по массе сравнимый с Солнцем, по размерам — с Землей. Изначально он чрезвычайно горяч (около 50 тысяч градусов на поверхности), но постепенно остывает, так как термоядерные реакции прекратились. Белый карлик светит от запаса теплоты, подобно раскалённой кочерге. В телескоп он выглядит как маленькая звезда, но его природу выдает химический состав, который можно определить по спектру. Обычная звезда состоит в основном из водорода и гелия, а белый карлик содержит почти полностью израсходованные эти элементы.
Прощальное шоу
Если звезда превышает по массе 8-10 Солнц, ее конец происходит более драматично. Массивное ядро с большой силой притягивает окружающие его слои. Пока в звезде идут термоядерные реакции, этой силе противостоит давление излучения. По окончании реакций вещество светила падает на ядро и отскакивает от него, раскалившись от удара. Подхватив еще не закончившие падение слои, эта встречная волна выметает их обратно. В итоге от места гибели звезды со скоростью тысяч километров в секунду расходится раскаленный расширяющийся фронт, похожий на взрывную волну.
Этот светящийся шар обладает куда более мощным излучением, чем исходная звезда, из-за огромной площади.
Вследствие этого сверхновая достигает наибольшей яркости не в момент взрыва, а через пару недель, когда оболочка уже значительно расширилась, но все еще достаточно горячая (10-20 тысяч градусов). В телескоп это выглядит так, как будто звезда внезапно увеличила светимость в миллиарды раз и стала по блеску сравнима с всей галактикой. Таких событий называют вспышками сверхновых.
Существуют сверхновые иного типа — Ia. Происходят они от известных белых карликов.
Ожирение вредно для здоровья
Мы оставили белого карлика остывать и предаваться воспоминаниям о временах его славы. Массы ему недостаточно для поддержания термоядерных реакций в глубине. Но что если белый карлик увеличит массу? Это возможно, если он станет близким спутником другого светила.
Звезды часто образуют пары, обращающиеся вокруг общего центра масс. Когда одна звезда догорает до белого карлика, образуется пара, состоящая из него и обычной звезды. Если эта пара достаточно близка, гравитация карлика высасывает вещество из соседки. Эта материя оседает на «каннибале», увеличивая его массу. Чем это заканчивается? Есть много вариантов, зависящих от интенсивности аккреции. Для нашего рассказа важен один из них: масса белого карлика превышает предельную, и тогда он взрывается, как термоядерная бомба.
Максимальная масса примерно равна 1-1,5 солнечным (точное значение зависит от состава белого карлика). Когда масса превышает этот предел — предел Чандрасекара, в небесном теле начинаются термоядерные реакции. Но не постепенным горением, а взрывом. «Объевшийся» белый карлик разлетается в пыль — действительно губительное обжорство! Волна раскаленных обломков образует расширяющийся светящийся шар. Такая иллюминация знакома нам? Механизм тут иной, но для наблюдателя оба явления выглядят похоже, так что не удивительно, что оба называются сверхновыми.
В целом, астрономы сначала описывают и классифицируют то, что… видятНаблюдатели сначала видят сверхновые и только потом пытаются понять природу увиденного. По спектру и характеру изменения блеска сверхновых разделили на I и II тип, а каждый тип — на несколько подтипов: Ia, Ib и так далее (эти подтипы мы для краткости тоже будем именовать типами). Впоследствии выяснилось, что вспышка типа Ia — это термоядерный взрыв белого карлика, а все остальные получаются при отскоке оболочки от ядра массивной звезды.
Слияния и поглощения
Предположим, что две звезды в паре догорели до стадии белого карлика. Получится двойной белый карлик. Аккреция с одного белого карлика на другой случается нечасто: белый карлик очень плотный и прочный, из него трудно «пить соки». Но есть другой механизм, приводящий к взрыву сверхновой типа Ia.
В паре участники танца будут подходить друг к другу. Это происходит потому, что излучают гравитационные волны и из-за этого теряют момент импульса. В конце концов члены пары столкнутся и станут одним целым.
Новый объект не станет двумя старыми, если его масса меньше предела Чандрасекара. В этом случае Вселенная получит лишь один белый карлик. Если же масса больше, то произойдет взрыв сверхновой типа Ia. Существуют и другие модели, предсказывающие более маловероятный сценарий.
Слияние двух белых карликов в одну звезду иногда приводит к относительно слабому термоядерному взрыву. В отличие от классической вспышки Ia, этот взрыв не уничтожает новое светило полностью. В выжившем остатке продолжаются термоядерные реакции, но уже в режиме стабильного горения, а не взрыва. Таким образом, две «мертвые» звезды, слившись и взорвавшись, образуют одну «живую» (в которой идут термоядерные реакции).
Редкие птицы
Даже обычный взрыв типа Ia — редкое явление. В отдельной галактике он случается примерно раз в сто лет. Мы видим такие вспышки изобильно только потому, что они видны на межгалактических расстояниях, а мы наблюдаем сразу много галактик. А слабый взрыв с образованием «вторичной звезды» еще менее вероятен. Тем не менее у учёных есть кандидаты на такие вспышки — сверхновые типа Iax. Этот подтип типа Ia отличается низкой светимостью и малой скоростью расширения оболочки. То есть взрыв слабее обычного, и вполне возможно, что после него остаётся что-то. 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, с момента изобретения телескопа не зарегистрировано ни одной сверхновой любого типа. Это связано как с редкой их вспышкой, так и с поглощением света газопылевыми облаками. Мы наблюдаем диск Галактики под углом, и даже яркий свет сверхновой не способен прорваться сквозь его массу. Видим лишь относительно близкую вспышку. За последние несколько веков таких не фиксировалось, особенно редкого типа Iax.
Не поймав саму вспышку, можем ли найти звезду, появившуюся после этого события? Вряд ли. Возобновившиеся термоядерные реакции продолжаются всего около десяти тысяч лет. По оценкам специалистов, среди сотен миллиардов звезд Галактики найдется лишь 5-10 таких экзотов. Неужели нам так повезет, что одна из них окажется достаточно близкой для наших телескопов?
Похоже, нам невероятно повезло. Как минимум такую версию выдвинулиВ 2019 году учёные из МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Университета Бонна нашли и изучили загадочное светило J005311.
Выжившая при взрыве
Звезда J005311 необычна. По составу она белый карлик, но температура поверхности около 200 тысяч градусов – это очень высоко для белого карлика даже в момент рождения. Слияние звезд может привести к такой высокой температуре. J005311 находится в центре туманности, напоминающей остаток взрыва сверхновой. Звезда испускает струи вещества со скоростью 16 тысяч километров в секунду – примерно в 20 раз быстрее солнечного ветра. Не совсем понятно, откуда берется такая скорость. Возможно, J005311 имеет мощное магнитное поле и работает как природный ускоритель частиц.
Если звезда такова, как предполагается, ей не более десяти тысяч лет. В 2021 году учёные из Гонконга, Венгрии, Великобритании, Франции и Испании предположилиОна появилась из вспышки сверхновой в 1181 году, о чем повествуют китайские и японские летописи.
Мы не сможем вернуться в Средние века с нашими телескопами, чтобы понять, относилась ли эта вспышка к типу Iax. Впрочем, ученые могут исследовать туманность вокруг J005311 и выяснить, может ли она быть столь молодой.
Астрономы из трёх американских научных центров представили результаты своей работы. препринтаВ работе применялся телескоп высотой 2,4 метра с оптическим фильтром, воспринимающим спектральную линию серы. Элемент является характерным продуктом термоядерного взрыва белого карлика.
Количество обнаруженной серы указывает на образование J005311 в результате вспышки Iax. Ученые измерили радиус туманности (примерно три световых года) и скорость ее расширения (около 1100 километров в секунду). Если расширение продолжалось с постоянной скоростью, то начало происходило около тысячи лет назад, что совпадает с предполагаемой датой взрыва — 1181 год.
Внешний вид объекта также привлекателен. Обычные остатки сверхновых, например Крабовидная туманность, кажутся беспорядочными массами газа. Не так выглядит ореол вокруг J005311: от неё расходятся симметричные и красивые радиальные волокна длиной от двух до восьми световых месяцев. Это делает туманность похожей на фейерверк на небе.
Ученым предстоит разобраться в природе этих волокон. Они заказали наблюдения на лучших космических телескопах «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Возможно, эти инструменты помогут дать окончательный ответ на вопрос о природе странной звезды J005311. Такой необычный объект нужно тщательно изучить независимо от того, подтвердится ли теория о его «сверхновом» происхождении.