Учёные предполагают, что одно из крупных исследований с помощью космического телескопа Нэнси Грейс Роман (NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope) может выявить около 100 000 небесных взрывов, начиная со взрывающихся звёзд и заканчивая питающимися чёрными дырами. Роман может даже обнаружить свидетельства существования некоторых из первых звёзд Вселенной, которые, как считается, полностью самоуничтожаются, не оставляя после себя никаких остатков.
Космические взрывы — ключ к разгадке величайших тайн Вселенной
Одно из таких явлений — природа тёмной энергии, загадочного давления, которое, как считается, ускоряет расширение Вселенной.
«Независимо от того, хотите ли вы исследовать тёмную энергию, умирающие звёзды, галактические электростанции или, возможно, даже совершенно новые вещи, которые мы никогда раньше не видели, это исследование станет золотой жилой», — сказал Бенджамин Роуз, доцент Бейлорского университета в Уэйко, штат Техас, который руководил исследованием результатов. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Программа наблюдений High-Latitude Time-Domain Survey
Эта программа наблюдений будет сканировать один и тот же большой регион космоса каждые пять дней в течение двух лет. Учёные объединят эти наблюдения, чтобы создать фильмы, раскрывающие всевозможные космические фейерверки.
Среди них — взрывающиеся звёзды. Исследование в значительной степени ориентировано на поиск особого класса сверхновых — типа Ia. Эти звёздные катаклизмы позволяют учёным измерять космические расстояния и отслеживать расширение Вселенной, поскольку они достигают пика примерно с одинаковой внутренней яркостью.
В новом исследовании учёные смоделировали всю программу High-Latitude Time-Domain Survey телескопа Романа. Результаты показывают, что Роман может увидеть около 27 000 сверхновых типа Ia — примерно в 10 раз больше, чем все предыдущие исследования вместе взятые.
Кроме того, Роман значительно увеличит нашу общую выборку этих сверхновых и расширит границы того, как далеко в прошлое мы можем их увидеть. В то время как большинство из тех, что были обнаружены до сих пор, произошли примерно в течение последних 8 миллиардов лет, Роман, как ожидается, увидит огромное количество таких сверхновых в более ранней истории Вселенной, включая более тысячи, которые взорвались более 10 миллиардов лет назад, и, возможно, десятки — более 11,5 миллиардов лет назад.
Это означает, что Роман почти наверняка установит новый рекорд по самой далёкой сверхновой типа Ia, глубоко расширив наше представление о ранней Вселенной и заполнив критический пробел в нашем понимании того, как космос развивался с течением времени.
«Заполнение этих пробелов в данных также может заполнить пробелы в нашем понимании тёмной энергии», — сказал Роуз. «Появляются доказательства того, что тёмная энергия менялась со временем, и Роман поможет нам понять эти изменения, исследуя космическую историю такими способами, которые другие телескопы не могут».
Сверхновые типа Ia и другие космические явления
Но сверхновые типа Ia будут скрыты среди гораздо большей выборки взрывающихся звёзд, которые Роман увидит, как только начнёт научные операции в 2027 году. По оценкам команды, Роман также обнаружит около 60 000 сверхновых коллапса ядра, которые происходят, когда массивная звезда исчерпывает топливо и коллапсирует под собственным весом.
Это отличается от сверхновых типа Ia, которые происходят из двойных звёздных систем, содержащих по крайней мере одного белого карлика — маленькое горячее ядро, остаток звезды, похожей на Солнце, — выкачивающее материал из звезды-компаньона. Сверхновые коллапса ядра не так полезны для изучения тёмной энергии, как сверхновые типа Ia, но их сигналы выглядят похожими из космоса.
«Наблюдая за тем, как меняется свет объекта с течением времени, и разделяя его на спектры — отдельные цвета с узорами, которые раскрывают информацию об объекте, излучающем свет, — мы можем различать все различные типы вспышек, которые увидит Роман», — сказала Ребека Хаунселл, научный сотрудник Университета Мэриленда в Балтиморском округе, работающая в Центре космических полётов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, и соавтор исследования.
«Благодаря набору данных, который мы создали, учёные могут обучать алгоритмы машинного обучения различать типы объектов и просеивать поток данных Романа, чтобы найти их», — добавила Хаунселл. «Ища сверхновые типа Ia, Роман соберёт много космического «прилова» — других явлений, которые не полезны для одних учёных, но будут бесценны для других».
Благодаря широкому и глубокому взгляду Романа на космос учёные говорят, что исследование должно выявить чрезвычайно редкие и неуловимые явления, включая ещё более редкие звёздные взрывы и распадающиеся звёзды.
При близком приближении к чёрной дыре интенсивная гравитация может разорвать звезду в так называемом событии приливного разрушения. Звёздные крошки нагреваются, когда они кружатся вокруг чёрной дыры, создавая свечение, которое астрономы могут видеть на огромных участках пространства-времени. Учёные считают, что исследование Романа выявит 40 событий приливного разрушения, что даст возможность узнать больше о физике чёрных дыр.
Команда также подсчитала, что Роман найдёт около 90 сверхъярких сверхновых, которые могут быть в 100 раз ярче, чем обычная сверхновая. Они обладают огромной силой, но учёные не до конца понимают почему. Поиск большего их количества поможет астрономам взвесить различные теории.
Роман также может обнаружить несколько килоновых. Эти взрывы происходят, когда две нейтронные звезды — чрезвычайно плотные ядра, оставшиеся от звёзд, которые взорвались как сверхновые, — сталкиваются. На сегодняшний день было зафиксировано только одно окончательное обнаружение килоновой. Команда подсчитала, что Роман может обнаружить ещё пять.
Это поможет астрономам узнать гораздо больше об этих загадочных событиях, включая их судьбу. На данный момент учёные не уверены, приводят ли килоновые к образованию одной нейтронной звезды, чёрной дыры или чего-то ещё.
Роман может даже обнаружить детонации некоторых из первых звёзд, сформировавшихся во Вселенной. Эти ядерные печи были гигантами, в сотни раз более массивными, чем наше Солнце, и не были загрязнены тяжёлыми элементами, которые ещё не сформировались.
Они были настолько массивными, что учёные считают, что они взорвались иначе, чем современные массивные звёзды. Вместо того чтобы достичь точки, в которой тяжёлая звезда сегодня коллапсировала бы, интенсивные гамма-лучи внутри первых звёзд могли превратиться в пары материи и антиматерии (электроны и позитроны). Это привело бы к истощению давления, удерживающего звёзды, пока они не коллапсировали, самоуничтожившись во взрывах, настолько мощных, что, как считается, после них ничего не остаётся.
До сих пор астрономы обнаружили около полудюжины кандидатов в такие сверхновые, но ни один из них не был подтверждён.
«Я думаю, Роман сделает первое подтверждённое обнаружение сверхновой с нестабильностью пар», — сказал Роуз. — На самом деле, в исследовании предполагается, что Роман найдёт более 10 таких объектов. «Они невероятно далеко и очень редки, поэтому вам нужен телескоп, который может исследовать большую часть неба на глубоком уровне экспозиции в ближнем инфракрасном свете, и это Роман».
Будущая версия симуляции может включать ещё больше типов космических вспышек, таких как переменные звёзды и активные галактики. Другие телескопы могут проследить за редкими явлениями и объектами, которые обнаружит Роман, чтобы наблюдать их в разных длинах волн света и изучить более подробно.
«Роман найдёт множество странных и замечательных вещей в космосе, включая те, о которых мы ещё даже не думали», — сказала Хаунселл. «Мы определённо ожидаем неожиданного».
Предоставлено NASA