Сверхновые выглядят для нас — и для астрономических приборов — как яркие вспышки, которые вспыхивают в небе без предупреждения, в местах, где ещё мгновение назад ничего не было видно. Вспышка вызвана колоссальным взрывом звезды. Из-за внезапности и непредсказуемости сверхновых их изучение долгое время было затруднено, но сегодня, благодаря обширным, непрерывным и высокочастотным обзорам неба, астрономы могут обнаруживать новые сверхновые почти ежедневно.
Однако крайне важно разработать протоколы и методы для их быстрого обнаружения; только так мы сможем понять события и небесные тела, которые их спровоцировали.
В пилотном исследовании Льюис Гальбани из Института космических наук (ICE-CSIC) в Барселоне и его коллеги представили методологию, которая позволяет получать максимально ранние спектры сверхновых — в идеале в течение 48 часов, а в идеале — в течение 24 часов после «первого света». Результаты опубликованы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Что такое сверхновые?
Сверхновые — это огромные взрывы, знаменующие заключительные этапы жизни звезды. Они делятся на две основные категории в зависимости от массы звезды-прародителя.
«Термоядерные сверхновые возникают у звёзд, начальная масса которых не превышала восьми солнечных масс», — объясняет Гальбани, первый автор исследования.
«Наиболее продвинутой эволюционной стадией этих звёзд перед взрывом сверхновой является белый карлик — очень старые объекты, у которых больше нет активного ядра, производящего тепло. Белые карлики могут долгое время оставаться в равновесии, поддерживаемые квантовым эффектом, называемым давлением вырождения электронов».
Если такая звезда находится в двойной системе, она может перетягивать материю от своего спутника. Дополнительная масса повышает внутреннее давление до тех пор, пока белый карлик не взорвётся как сверхновая.
«Вторая основная категория включает в себя очень массивные звёзды, масса которых превышает восемь солнечных масс», — говорит Гальбани.
«Они светятся благодаря ядерному синтезу в своих ядрах, но как только звезда сжигает последовательно более тяжёлые атомы — вплоть до того момента, когда дальнейший синтез больше не будет приносить энергию, — ядро коллапсирует. В этот момент звезда коллапсирует, потому что гравитация больше не уравновешивается; быстрое сжатие резко повышает внутреннее давление и вызывает взрыв».
Первые часы и дни после взрыва сохраняют прямые подсказки о системе-прародителе — информацию, которая помогает различать конкурирующие модели взрывов, оценивать критические параметры и изучать локальную среду.
«Чем раньше мы их увидим, тем лучше», — отмечает Гальбани.
Современные методы обнаружения
Исторически получение таких ранних данных было затруднено, поскольку большинство сверхновых обнаруживалось через дни или недели после взрыва. Современные широкоугольные обзоры с высокой частотой — охватывающие большие участки неба и часто их посещающие — меняют эту картину и позволяют делать открытия в течение всего нескольких часов или дней.
Протоколы и критерии всё ещё необходимы для того, чтобы в полной мере использовать эти обзоры, и команда Гальбани протестировала такие правила, используя наблюдения, полученные с помощью Gran Telescopio de Canarias (GTC). Их исследование включает данные о 10 сверхновых: половина — термоядерные, половина — с коллапсом ядра. Большинство из них были обнаружены в течение шести дней после предполагаемого взрыва, а в двух случаях — в течение 48 часов.
Протокол начинается с быстрого поиска кандидатов на основе двух критериев: световой сигнал должен отсутствовать на изображениях предыдущей ночи, а новый источник должен находиться внутри галактики. Когда оба условия соблюдены, команда запускает прибор OSIRIS на GTC для получения спектра.
«Спектр сверхновой говорит нам, например, содержал ли звезда водород, а это значит, что мы наблюдаем сверхновую с коллапсом ядра», — объясняет Гальбани.
«Знание о сверхновой в самые первые моменты также позволяет нам искать другие виды данных об одном и том же объекте, такие как фотометрия из Zwicky Transient Facility (ZTF) и системы оповещения об астероидно-земных столкновениях (ATLAS), которые мы использовали в исследовании. Эти кривые блеска показывают, как яркость возрастает на начальной фазе; если мы увидим небольшие неровности, это может означать, что другая звезда в двойной системе была поглощена взрывом».
Дополнительные проверки сопоставляют данные на одном и том же участке неба из других обсерваторий.
Поскольку в этом первом исследовании удалось собрать данные в течение 48 часов, авторы приходят к выводу, что в пределах досягаемости находятся ещё более быстрые наблюдения.
«То, что мы только что опубликовали, является пилотным исследованием», — говорит Гальбани.
«Теперь мы знаем, что программа спектроскопических наблюдений с быстрым реагированием, хорошо скоординированная с глубокими фотометрическими обзорами, может реально собирать спектры в течение дня после взрыва, открывая путь для систематических исследований самых ранних фаз в будущих крупных обзорах, таких как Южное исследование сверхновых в Ла Силла (LS4) и исследование наследия космоса и времени (LSST), оба в Чили».