Согласно теории, звёзды имеют слои, как лук. Каждый слой состоит из разных элементов, причём более тяжёлые элементы находятся глубже. Хотя теория сильна, наблюдать внутренние слои звезды было практически невозможно.
До недавнего времени
Астрономы, работающие с обсерваторией Кека на Гавайях, получили спектроскопические данные о сверхновой, обнаруженной установкой Zwicky Transient Facility в 2021 году. Взрывная звезда (SN 2021yfj) находится на расстоянии 2,2 миллиарда световых лет от нас. Данные Кека показали наличие ионизированного кремния, серы и аргона. Эти элементы никогда ранее не наблюдались в сверхновых, поскольку они обычно скрыты под другими слоями.
Это открытие одновременно подтверждает некоторые теоретические представления о взрывающихся звёздах и ставит под сомнение другие. Астрономы знают, что по мере старения массивная звезда выбрасывает материал из своих внешних слоёв. Они наблюдали это явление, и эти наблюдения подтверждают его. Но эта звезда выбросила больше материала, чем любая ранее наблюдавшаяся звезда.
Наблюдения представлены в новой статье
Наблюдения представлены в новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv под названием «Космическое место образования кремния и серы, выявленное новым типом взрыва сверхновой». Ведущий автор — Стив Шульце, научный сотрудник Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) Северо-Западного университета.
«Это первый раз, когда мы видим звезду, которая была практически раздетой до костей», — сказал ведущий автор Шульце в пресс-релизе. «Это показывает нам, как устроены звёзды, и доказывает, что звёзды могут терять много материала до того, как взорвутся. Они могут терять не только свои внешние слои, но и полностью обнажать своё ядро и при этом производить блестящий взрыв, который мы можем наблюдать с очень больших расстояний».
Когда астрономы наблюдают сверхновую, они обычно видят сильные признаки лёгких элементов, таких как водород и гелий. Иногда наблюдаются слои элементов, включая углерод, кислород, неон и магний, если внешние слои водорода и гелия были сброшены. Более глубокие слои, содержащие более тяжёлые элементы, такие как кремний, сера и аргон, скрыты.
Долгое время считалось, что массивные звёзды имеют слоистую структуру, как лук. И новые наблюдения Кека подтверждают это. Наблюдая внутренние слои массивной звезды непосредственно перед её взрывом, учёные впервые так ясно подтвердили эту теорию.
Однако наблюдения также ставят задачу. Астрофизики знают, что массивные звёзды выбрасывают материал перед взрывом как сверхновая. Ударные волны от выброшенного вещества взаимодействуют с окружающей средой, нагревая её и создавая наблюдаемые световые сигнатуры. Но SN 2021yfj, должно быть, выбросила гораздо больше материала, чем считалось возможным, потому что она обнажила своё ядро.
«Это событие буквально выглядит так, что никто никогда не видел ничего подобного», — добавил Адам Миллер, доцент кафедры физики и астрономии в Северо-Западном университете и старший автор исследования. «Эта звезда говорит нам о том, что наши идеи и теории о том, как эволюционируют звёзды, слишком узки. Дело не в том, что наши учебники неверны, но они явно не полностью отражают всё, что происходит в природе. Должны существовать более экзотические пути завершения жизни массивной звезды, которые мы не рассматривали».
Нуклеосинтез
Массивные звёзды обладают способностью соединять более лёгкие элементы в более тяжёлые в процессе, называемом нуклеосинтезом. Без звёздного нуклеосинтеза единственными элементами во Вселенной были бы те, что были созданы во время Большого взрыва.
На протяжении всей своей жизни массивная звезда сжигает лёгкие элементы, такие как водород и гелий, в своих внешних оболочках, в то время как в своём ядре она сжигает последовательно более тяжёлые элементы в своих более глубоких слоях. В конце концов, в звезде образуется железное ядро. Железо не может быть сожжено для высвобождения дополнительной энергии, поэтому, как только ядро становится доминирующим, слияние практически прекращается. Без внешнего давления, создаваемого слиянием, звезда коллапсирует и взрывается как сверхновая.
Астрофизики и раньше наблюдали слои гелия, углерода и кислорода во взрывающихся звёздах, которые становятся видимыми после того, как звезда сбрасывает свой внешний слой водорода. Наблюдение кремния, серы и аргона означает, что эта звезда сбросила не только свой внешний слой гелия, но и другие слои. Вероятно, это произошло в несколько эпизодов, а не сразу.
«Звёзды испытывают очень сильные нестабильности», — сказал Шульце. «Эти нестабильности настолько сильны, что могут привести к сжатию звезды. Затем она внезапно высвобождает столько энергии, что сбрасывает свои внешние слои. Она может делать это несколько раз».
Алекс Филиппенко — профессор астрономии в Калифорнийском университете в Беркли и соавтор статьи. Ему довелось работать с Кеком, когда была обнаружена SN 2021yfj, и он быстро переключился на получение её спектра с помощью LRIS Кека.
«Это так волнительно — обнаружить новый класс взрывающихся звёзд, особенно таких, которые подтверждают некоторые из наших теорий о том, как массивные звёзды эволюционируют с течением времени, но при этом открывают интересные новые загадки», — сказал Филиппенко. «Нам очень повезло, что моя команда использовала телескоп Кека I в ту ночь, когда была обнаружена SN 2021yfj — мы смогли получить спектр, который напрямую привёл к осознанию того, что это был невероятно особенный новый тип сверхновой. Такие возможности встречаются редко!»
Кремний, сера и аргон в звезде не всегда присутствовали. Эти элементы были созданы в результате нуклеосинтеза в недрах звезды, когда она приближалась к концу своей жизни.
«Эта звезда потеряла большую часть материала, который она произвела за всю свою жизнь», — сказал Шульце. «Поэтому мы могли видеть только материал, сформированный в течение нескольких месяцев непосредственно перед её взрывом. Должно было произойти что-то очень сильное, чтобы вызвать это».
Этот вопрос лежит в основе этого открытия. Является ли SN 2021yfj новым типом сверхновой, определённым мощным новым процессом, который лишил её внешних слоёв? Некоторые из объяснений, которые рассматривает команда, включают взаимодействие со звездой-компаньоном, необычные и чрезвычайно мощные звёздные ветры и массивное извержение, предшествовавшее взрыву сверхновой.
«Массивные звёзды могут терять значительную часть своей массы при рождении из-за звёздных ветров, извержений и взаимодействия со звездой-компаньоном», — пишут исследователи в своей статье. Присутствие гелия в околозвёздном материале этой звезды вызывает недоумение, поскольку гелий обычно выбрасывается раньше в процессе SN. «Поскольку массивные звёзды, как правило, живут в двойных системах, не исключено, что у них есть гелиевый спутник со сильным ветром», — пишут они. Это могло бы объяснить наличие гелия.
Исследователи считают, что наиболее вероятным объяснением является то, что эта массивная звезда просто разорвала себя на части. Ядра звёзд массивных звёзд находятся под интенсивным гравитационным давлением, которое повышает их температуру в ядре до тех пор, пока не возобновится ядерный синтез, генерируя мощный взрыв. Взрыв выбрасывает внешние слои звезды. Процесс повторяется, и каждый раз, когда это происходит, выбрасывается больше материала, пока не станет видно более глубокое ядро.
Сверхновые классифицируются в соответствии со спектроскопией, и классификация основана на водороде. Тип 1 показывает гелий, но не водород, а тип 2 показывает водород. Затем существуют подтипы в рамках каждой из этих классификаций, основанные на других спектральных линиях. Последовательность пронумерованных подтипов отражает степень удаления в звёздах-предшественниках.
«Наши наблюдения… позволяют предположить, что SN 2021yfj действительно является первым примером сверхновой типа Ien», — пишут исследователи в своей статье. Это новый тип, в котором отсутствуют линии водорода или гелия, а преобладают эмиссионные линии от сильно ионизированного кремния, серы и аргона.
Поскольку существует только один пример этого типа, остаётся много вопросов. Как это часто бывает в астрономии, более обширный набор данных, вероятно, приведёт к некоторым ответам.
«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. Мы всё ещё не до конца понимаем, как природа создала этот конкретный взрыв. Эта звезда подчёркивает необходимость обнаружения большего количества этих редких сверхновых, чтобы мы могли продолжать их изучать».