С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» астрономы идентифицировали одну из наиболее удалённых сверхновых, существование которой было подтверждено. Этот объект, обозначенный как SN 2023aeaf, обладает красным смещением z = 3,195. Свет от него преодолел расстояние до Земли примерно за 11,7 миллиарда лет, что позволяет ученым наблюдать вспышку в ту эпоху, когда Вселенной было около двух миллиардов лет.

В конце своего жизненного цикла массивные звёзды испытывают мощные взрывы сверхновых, сопровождающиеся коллапсом ядра. Эти процессы не только приводят к гибели исходной звезды, но и оказывают значительное воздействие на окружающее её газовое облако, формируя условия для появления новых поколений звёзд. Анализ частоты подобных взрывов даёт возможность косвенно судить о скорости звездообразования в различные эпохи существования Вселенной.

Значительная часть информации о процессах, лежащих в основе подобных взрывов, была получена на основе изучения относительно близких сверхновых, наблюдаемых в современной Вселенной. В ранней Вселенной концентрация тяжёлых элементов была существенно ниже, что порождало вопрос о том, могли ли массивные звёзды там испытывать иные типы взрывов. Для проверки этой гипотезы необходимы наблюдения за очень далёкими сверхновыми, однако такие объекты отличаются низкой яркостью и сложны в обнаружении.

Благодаря высокой чувствительности космического телескопа «Джеймс Уэбб», стало возможным существенно увеличить количество известных далёких сверхновых. В рамках нового исследования ученые провели анализ SN 2023aeaf, изначально выявленной в ходе обзора COSMOS-Web. Полученные спектроскопические данные указали на красное смещение z = 3,195, что соответствует периоду, когда возраст Вселенной составлял приблизительно два миллиарда лет.

В рамках исследования, возглавляемого Валериой Апарисио из Института астрономии Гавайского университета, была проведена оценка изменения яркости объекта в зависимости от времени – кривой блеска, а также изменений его цветовых характеристик. Полученные данные были сопоставлены с моделями различных типов сверхновых. Наиболее вероятным оказалось определение SN 2023aeaf как сверхновой II типа, что подтверждается с вероятностью 97,2 процента.

Сверхновые II типа возникают в результате истощения ядерного топлива массивной звезды. Впоследствии её железное ядро теряет способность противостоять собственной гравитации и начинает стремительно сжиматься, приводя к коллапсу. При этом внешняя оболочка, содержащая водород, сохраняется, что обуславливает наличие характерных линий водорода в спектре взрыва.

Параллельно с этим проводилось изучение спектра галактики, являющейся местом расположения SN 2023aeaf. Выяснилось, что это молодая карликовая галактика, характеризующаяся активным звездообразованием и относительно небольшим количеством тяжёлых элементов. Подобные условия соответствуют ожидаемым параметрам взрывов массивных звёзд в ранней Вселенной при красном смещении примерно 3.

Для реконструкции характеристик взрыва исследователи применили специализированную программу моделирования STELLA. Полученные расчеты продемонстрировали, что на начальном этапе развития SN 2023aeaf наблюдалась аномально высокая температура и голубой цвет. Это явление, вероятнее всего, связано с взаимодействием ударной волны взрыва и плотной оболочки газа, которую звезда отделила от себя незадолго до своей гибели.

По мере ослабления этого взаимодействия сверхновая остыла и перешла в «плато-фазу», типичную для сверхновых II типа. На этой стадии её температура соответствовала значениям, зафиксированным при наблюдении других сверхновых того же класса.

Анализ имеющихся данных позволяет предположить, что звезда-предшественник имела массу, приблизительно равную 12 солнечным массам, а вокруг неё находилось вещество, составляющее около половины солнечной массы, выброшенное звездой до момента взрыва.

Тем не менее, существующие оценки обладают определённой погрешностью. Исследователи располагают лишь ограниченным набором наблюдений, выполненных в разное время, что препятствует точной детерминации характеристик звезды-предшественника и параметров самого взрыва.

SN 2023aeaf вошла в небольшой, но постоянно пополняющийся перечень сверхновых, зафиксированных при красном смещении свыше 3. Увеличение количества подобных объектов позволит установить, насколько свойства взрывов массивных звёзд в ранней Вселенной отличались от современных.

Дополнительно, анализ данных о подобных сверхновых позволит более детально реконструировать историю формирования звёзд во Вселенной. Поскольку количество взрывов массивных звёзд коррелирует с количеством новых звёзд, возникавших в различные космические периоды, изучение удалённых сверхновых может предоставить самостоятельный метод исследования эволюции космоса.

Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.