Около 11 300 лет назад массивная звезда балансировала на грани уничтожения. Она пульсировала энергией, выбрасывая свои внешние слои в космос. В конце концов, она взорвалась как сверхновая, и её остаток стал одним из наиболее изученных объектов — остатками сверхновой (SNR). Он называется Кассиопея А (Cas A), и новые наблюдения с рентгеновским телескопом Chandra раскрывают новые подробности о её гибели.
Звезда-прародитель Cas A имела от 15 до 20 масс Солнца, хотя некоторые оценки достигают 30 масс Солнца. Вероятно, это был красный сверхгигант, хотя есть споры о его природе и пути, который он прошёл, прежде чем взорваться как сверхновая. Некоторые астрофизики считают, что это могла быть звезда Вольфа-Райе.
В любом случае, в конце концов, она взорвалась как сверхновая с коллапсом ядра. Как только в звезде образовалось железное ядро, она больше не могла поддерживать себя и взорвалась. Свет от гибели Cas A достиг Земли примерно в 1660-х годах.
Нет никаких достоверных записей о том, что наблюдатели видели взрыв сверхновой в небе, но астрономы подробно изучили SNR Кассиопея А в наше время и на разных длинах волн.
Новые исследования, опубликованные в The Astrophysical Journal, объясняют новые находки Chandra. Они озаглавлены «Неоднородное звёздное перемешивание в последние часы перед взрывом сверхновой Кассиопея А». Ведущий автор — Тошики Сато из Университета Мэйдзи в Японии.
«Каждый раз, когда мы внимательно изучаем данные Chandra о Кассиопее А, мы узнаём что-то новое и захватывающее», — сказал ведущий автор Сато в пресс-релизе. «Теперь мы взяли эти бесценные рентгеновские данные, объединили их с мощными компьютерными моделями и обнаружили нечто экстраординарное».
Одна из проблем изучения сверхновых заключается в том, что наши наблюдения запускаются именно взрывами. Детальное понимание последних моментов перед взрывом сверхновой получить сложно.
«В последние годы теоретики уделяли много внимания последним внутренним процессам в массивных звёздах, поскольку они могут быть важны для выявления механизмов сверхновых, управляемых нейтрино, и других потенциальных переходных процессов коллапса массивных звёзд», — пишут авторы в своей статье. «Однако непосредственно наблюдать последние часы массивной звезды перед взрывом сложно, поскольку именно событие сверхновой запускает начало интенсивных наблюдательных исследований».
Приближение к взрыву сверхновой массивной звезды включает в себя нуклеосинтез всё более тяжёлых элементов в её недрах. Поверхностный слой состоит из водорода, затем идёт гелий, затем углерод и ещё более тяжёлые элементы под внешними слоями.
В конце концов, звезда создаёт железо. Но железо является барьером для этого процесса, потому что, в то время как лёгкие элементы выделяют энергию при слиянии, для железа требуется больше энергии для дальнейшего слияния. Железо накапливается в ядре, и как только ядро достигает примерно 1,4 массы Солнца, давления наружу недостаточно, чтобы предотвратить коллапс. Гравитация побеждает, ядро коллапсирует, и звезда взрывается.
Наблюдения Chandra в сочетании с моделированием позволяют астрофизикам заглянуть внутрь звезды в её последние моменты перед коллапсом.
«Наше исследование показывает, что незадолго до того, как звезда в Кассиопее А коллапсировала, часть внутреннего слоя с большим количеством кремния переместилась наружу и прорвалась в соседний слой с большим количеством неона», — сказал соавтор исследования Кай Мацунага из Киотского университета в Японии. «Это насильственное событие, когда барьер между этими двумя слоями исчезает».
Результаты были двоякими. Материал, богатый кремнием, перемещался наружу, в то время как материал, богатый неоном, перемещался внутрь. Это создало неоднородное перемешивание элементов, и небольшие области, богатые кремнием, были обнаружены рядом с небольшими областями, богатыми неоном.
Это часть того, что исследователи называют «слиянием оболочек». Они говорят, что это финальная фаза звёздной активности. Это интенсивное горение, когда кислородная оболочка сжигает внешнюю углеродную и неоновую оболочку глубоко внутри звезды. Это происходит за считанные мгновения до того, как звезда взрывается как сверхновая.
«В созданном слиянием оболочек бурном конвективном слое Ne, который в изобилии содержится в богатом кислородом слое звезды, сжигается по мере его втягивания внутрь, а Si, который синтезируется внутри, транспортируется наружу», — объясняют авторы в своём исследовании.
Перемешанные области, богатые кремнием и неоном, являются доказательством этого процесса. Авторы объясняют, что кремний и неон не смешались с другими элементами ни непосредственно перед взрывом, ни сразу после него. Хотя астрофизические модели предсказывали это, такого наблюдения раньше не было.
«Наши результаты предоставляют первые наблюдательные доказательства того, что финальный процесс сжигания звезды быстро изменяет внутреннюю структуру, оставляя асимметрию до сверхновой», — объясняют исследователи в своей статье.
Десятилетиями астрофизики считали, что взрывы сверхновых симметричны. Ранние наблюдения поддерживали эту идею, и основная идея, лежащая в основе сверхновых с коллапсом ядра, также поддерживала симметрию. Но это исследование меняет фундаментальное понимание взрывов сверхновых как асимметричных.
«Сосуществование компактных областей выброса в режимах как «O-/Ne-rich», так и «O-/Si-rich» подразумевает, что слияние не полностью гомогенизировало O-богатый слой до коллапса, оставив после себя многомасштабные композиционные неоднородности и асимметричные поля скоростей», — пишут исследователи в своём заключении.
Эта асимметрия также может объяснить, как получают ускорение оставшиеся после взрыва нейтронные звёзды и приводят к появлению высокоскоростных нейтронных звёзд.
Согласно авторам, эти последние моменты в жизни сверхновой могут также спровоцировать сам взрыв. Турбулентность, созданная внутренним беспорядком, могла способствовать взрыву звезды.
«Возможно, наиболее важным эффектом этого изменения в структуре звезды является то, что оно могло помочь спровоцировать сам взрыв», — сказал соавтор Хироюки Утида, также из Киотского университета. «Такая финальная внутренняя активность звезды может изменить её судьбу — будет ли она сиять как сверхновая или нет».
«Долгое время в истории астрономии изучение внутренней структуры звёзд было мечтой», — пишут исследователи в заключении своей статьи. Это исследование дало астрофизикам критический взгляд на последние моменты звезды-прародителя перед взрывом. «Этот момент не только оказывает значительное влияние на судьбу звезды, но и создаёт более асимметричный взрыв сверхновой», — заключают они.
Предоставлено Universe Today.