В исследовании, опубликованном 20 августа в журнале Nature, учёные представили детальное подтверждение давней теории о внутренней структуре массивных звёздных объектов и подняли множество новых вопросов.
Заглядывая внутрь звёзд
Астрономы давно предполагали, что внутренности звезды — это не просто хаотический бурлящий океан перегретой плазмы. Они считают, что у звёзд есть слои хаотической, кипящей сверхгорячей плазмы.
В массивных звёздах (в 10–100 раз больше Солнца) ядерный синтез заставляет более лёгкие элементы в звёздном ядре соединяться в более тяжёлые. На протяжении эонов эти всё более плотные элементы сгорают в ядре, в то время как более лёгкие элементы сгорают в последовательных охватывающих слоях. В итоге образуется невероятно тяжёлое железное ядро, которое, коллапсируя, запускает событие сверхновой или образование чёрной дыры.
Ранее исследователи документировали примеры лишённых гелия звёзд, обнажающих слоистые, элементарные оболочки из гелия, углерода и даже кислорода. На этом обычно и заканчивались подобные наблюдения — до открытия SN2021yfj.
«Что-то очень мощное должно было произойти»
В 2021 году команда под руководством астрофизиков из Северо-Западного университета использовала широкоугольную камеру в Центре переходных процессов Цвикки (ZTF) недалеко от Сан-Диего для изучения вечернего неба. Оборудование ZTF специально предназначено для обнаружения ярких, кратковременных событий, таких как сверхновые.
В сентябре 2021 года исследователи заметили подобное событие примерно в 2,2 миллиарда световых лет от нас. После некоторой помощи от сотрудника обсерватории Кека на Гавайях они провели спектрографический анализ своей находки — сверхновой SN2021yfj.
«Почти мгновенно мы поняли, что это то, чего мы никогда раньше не видели, поэтому нам нужно было изучить это со всеми доступными ресурсами», — заявил соавтор исследования, астрофизик Северо-Западного университета Стив Шульце.
Шульце и его коллеги не обнаружили ожидаемых элементов (гелия, углерода, азота или кислорода). Вместо этого их спектральный анализ показал огромное количество кремния, серы и аргона. Это более тяжёлые элементы, которые образуются во время звёздного ядерного синтеза ближе к концу жизни звезды.
«Эта звезда потеряла большую часть материала, который она производила на протяжении всей своей жизни, — объяснил Шульце. — Поэтому мы могли видеть только материал, сформированный за несколько месяцев до её взрыва. Должно было произойти что-то очень мощное, чтобы это вызвать».
«Экзотические пути» к гибели звезды
Что именно стало причиной — пока загадка, хотя у исследователей есть теория. Эта гигантская звезда буквально разорвала себя изнутри, обнажив космическое тело, «раздетое до костей», как выразился Шульце.
Команда считает, что по мере сжатия ядра под действием собственной гравитации оно стало ещё более плотным адом. В какой-то момент оно стало настолько горячим и плотным, что фактически возобновило процесс ядерного синтеза, настолько мощный, что он породил огромный энергетический всплеск. Это, в свою очередь, отбросило внешние слои звезды. Каждый последующий «эпизод парной нестабильности» приводил к потере дополнительных слоёв элементов.
«Один из самых последних выбросов оболочки столкнулся с уже существующей оболочкой, что и произвело ту яркую эмиссию, которую мы видели как SN2021yfj», — предположил Шульце.
Однако он не стал утверждать, что это была окончательная причина смерти звезды. Другие возможности включают извержение перед сверхновой, особенно сильные звёздные ветры или даже столкновение с неизвестной звездой-компаньоном.
«Я бы не стал ставить свою жизнь на то, что это правильно, потому что у нас всё ещё есть только один обнаруженный пример, — сказал Шульце. — Эта звезда действительно подчёркивает необходимость обнаружения большего количества таких редких сверхновых, чтобы лучше понять их природу и то, как они образуются».
Но, по словам соавтора исследования Адама Миллера, открытие не означает, что он и другие астрофизики должны забыть всё, что они знают о циклах жизни звёзд.
«Дело не в том, что наши учебники неверны, но они явно не полностью отражают всё, что производится в природе, — сказал он. — Должны существовать более экзотические пути завершения жизни массивной звезды, которые мы не учли».