Международная группа учёных под руководством астрофизиков Северо-Западного университета обнаружила ранее неизвестный тип взрывающейся звезды, или сверхновой, богатой кремнием, серой и аргоном. Исследование под названием «Чрезвычайно обеднённая сверхновая раскрывает место образования кремния и серы» опубликовано в журнале Nature.
Обычно при взрыве массивных звёзд астрофизики обнаруживают сильные следы лёгких элементов, таких как водород и гелий. Но у вновь открытой сверхновой, получившей название SN2021yfj, обнаружена совершенно иная химическая сигнатура.
Астрономы давно предполагали, что массивные звёзды имеют слоистую структуру, подобную луковице. Внешние слои преимущественно состоят из самых лёгких элементов. По мере продвижения внутрь слои становятся всё тяжелее, пока не достигают внутреннего железного ядра.
Наблюдения за SN2021yfj позволяют предположить, что массивная звезда каким-то образом потеряла свои внешние слои водорода, гелия и углерода — обнажив внутренние слои, богатые кремнием и серой — перед взрывом. Это открытие является прямым доказательством давно предполагаемой внутренней слоистой структуры звёзд-гигантов и позволяет заглянуть внутрь массивной звезды — в самые её глубины, за мгновения до её взрывной смерти.
«Впервые мы увидели звезду, которая была практически «раздетой до костей», — сказал Стив Шульце из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. — Это показывает нам, как устроены звёзды, и доказывает, что звёзды могут потерять много материала, прежде чем взорваться. Они могут потерять не только свои внешние слои, но и быть полностью «раздетыми» и при этом всё равно произвести блестящий взрыв, который мы можем наблюдать с очень больших расстояний».
«Это событие буквально не похоже ни на что, что кто-либо когда-либо видел раньше», — добавил Адам Миллер из Северо-Западного университета, старший автор исследования. — «Оно было настолько странным, что мы подумали, что, возможно, наблюдаем не тот объект. Эта звезда говорит нам о том, что наши представления и теории о том, как развиваются звёзды, слишком узки. Дело не в том, что наши учебники неверны, но они явно не охватывают всего, что производится в природе. Должно быть больше экзотических путей завершения жизни массивной звезды, которые мы не рассматривали».
Шульце, эксперт по наиболее экстремальным переходным объектам астрономии, является научным сотрудником Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) при Северо-Западном университете. Миллер — доцент кафедры физики и астрономии в колледже искусств и наук имени Вайнберга при Северо-Западном университете и ведущий член CIERA и Института искусственного интеллекта NSF-Simons для изучения неба.
Как устроены массивные звёзды
Массивные звёзды, масса которых в 10–100 раз превышает массу нашего Солнца, работают за счёт ядерного синтеза. В этом процессе интенсивное давление и экстремальная жара в звёздном ядре заставляют лёгкие элементы сливаться вместе, образуя более тяжёлые элементы. Когда температура и плотность в ядре увеличиваются, начинается горение во внешних слоях.
Со временем в ядре последовательно сгорают всё более тяжёлые элементы, в то время как во внешних слоях, окружающих ядро, сгорают более лёгкие элементы. Этот процесс продолжается, пока не образуется железное ядро. Когда железное ядро коллапсирует, это вызывает взрыв сверхновой или формирует чёрную дыру.
Хотя массивные звёзды обычно теряют слои перед взрывом, SN2021yfj выбросила гораздо больше материала, чем учёные когда-либо обнаруживали ранее. Другие наблюдения «обездоленных звёзд» выявили слои гелия или углерода и кислорода — обнажённые после потери внешней водородной оболочки. Но астрофизики никогда не видели ничего более глубокого, что намекало бы на нечто чрезвычайно violent и extraordinary.
Шульце и его команда обнаружили SN2021yfj в сентябре 2021 года, используя доступ Северо-Западного университета к установке Zwicky Transient Facility (ZTF). Расположенная к востоку от Сан-Диего, ZTF использует широкоугольную камеру для сканирования всего видимого ночного неба. С момента своего запуска ZTF стала основным инструментом обнаружения в мире астрономических переходных явлений — мимолетных явлений, таких как сверхновые, которые внезапно вспыхивают, а затем быстро исчезают.
Просматривая данные ZTF, Шульце обнаружил чрезвычайно яркий объект в области звездообразования, расположенной в 2,2 миллиарда световых лет от Земли.
Чтобы получить больше информации о загадочном объекте, команда хотела получить его спектр, который разбивает рассеянный свет на составляющие цвета. Каждый цвет представляет определённый элемент. Анализируя спектр сверхновой, учёные могут определить, какие элементы присутствуют во взрыве.
Хотя Шульце немедленно приступил к действиям, их поиск спектра зашёл в тупик. Телескопы по всему миру были либо недоступны, либо не могли пробиться сквозь облака, чтобы получить чёткое изображение. К счастью, команда получила сюрприз от коллеги-астронома, который собрал спектр с помощью инструментов обсерватории Кека на Гавайях.
«Мы думали, что полностью потеряли возможность провести эти наблюдения», — сказал Миллер. — «Поэтому мы легли спать разочарованными. Но на следующее утро коллега из Калифорнийского университета в Беркли неожиданно предоставил спектр. Без этого спектра мы, возможно, никогда бы не поняли, что это был странный и необычный взрыв».
«Мы увидели интересный взрыв, но понятия не имели, что это такое, — сказал Шульце о SN2021yfj. — Почти мгновенно мы поняли, что это нечто, чего мы никогда не видели раньше, поэтому нам нужно было изучить его всеми доступными ресурсами».
Вместо обычного гелия, углерода, азота и кислорода, обнаруженных в других «обездоленных» сверхновых, в спектре преобладали сильные сигналы кремния, серы и аргона. Эти более тяжёлые элементы образуются в результате ядерного синтеза в глубоких недрах массивной звезды на последних этапах её жизни.
«Эта звезда потеряла большую часть материала, который она производила на протяжении всей своей жизни, — сказал Шульце. — Поэтому мы могли видеть только материал, сформированный за несколько месяцев до её взрыва. Должно было произойти что-то очень violent, чтобы вызвать это».
Хотя точная причина этого явления остаётся открытым вопросом, Шульце и Миллер предполагают, что в игру вступил редкий и мощный процесс. Они изучают несколько сценариев, включая взаимодействие с потенциальной звездой-компаньоном, массивное извержение перед сверхновой или даже необычайно сильные звёздные ветры.
Но, скорее всего, команда полагает, что эта загадочная сверхновая является результатом того, что массивная звезда буквально разрывает себя на части. Когда ядро звезды сжимается внутрь под действием собственной гравитации, оно становится ещё горячее и плотнее. Экстремальная жара и плотность затем вновь зажигают ядерный синтез с такой невероятной интенсивностью, что вызывает мощный всплеск энергии, который отталкивает внешние слои звезды. Каждый раз, когда звезда претерпевает новый эпизод парной нестабильности, соответствующий импульс сбрасывает больше материала.
«Один из последних эпизодов выброса оболочки столкнулся с ранее существовавшей оболочкой, что и произвело то яркое излучение, которое мы видели как SN2021yfj», — сказал Шульце.
«Хотя у нас есть теория о том, как природа создала этот конкретный взрыв, — сказал Миллер, — я бы не стал ставить свою жизнь на то, что она верна, потому что у нас всё ещё есть только один обнаруженный пример. Эта звезда действительно подчёркивает необходимость обнаружения большего количества этих редких сверхновых, чтобы лучше понять их природу и то, как они образуются».