Новый тип сверхновой показал внутренние слои погибшей при взрыве звезды

Международная группа ученых обнаружила ранее невиданный тип сверхновой, богатый кремнием, серой и аргоном, что раскрывает внутреннее слоистое строение умершей звезды. Когда массивные звезды взрываются, астрофизики обычно обнаруживают сильные следы легких элементов, таких как водород и гелий. Но недавно открытая сверхновая, названная SN2021yfj, продемонстрировала удивительно другой химический состав. Астрономы давно выдвинули теорию, что массивные звезды имеют слоистую структуру, похожую на лук. Внешние слои преимущественно состоят из самых легких элементов. По мере продвижения к центру элементы становятся все тяжелее, вплоть до достижения внутреннего железного ядра. Наблюдения за SN2021yfj свидетельствуют о том, что массивная звезда каким-то образом потеряла свои внешние слои водорода, гелия и углерода, обнажив внутренние слои, богатые кремнием и серой, перед тем, как взорваться. Это открытие является прямым доказательством давно выдвинутой теории о внутренней слоистой структуре гигантских звезд и дает беспрецедентную возможность заглянуть в глубины массивной звезды — за мгновение до ее взрывной гибели. Результаты исследования были опубликованы 20 августа в журнале Nature.

«Это первый случай, когда мы видим звезду, которая была практически полностью обнажена», — сказал Стив Шульце из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. «Это показывает нам, как устроены звезды, и доказывает, что звезды могут терять много материала перед взрывом. Они могут не только терять свои внешние слои, но и быть полностью обнаженными, и все равно производить яркий взрыв, который мы можем наблюдать с очень-очень дальних расстояний».

«Это событие буквально не похоже на то, что кто-то видел раньше», — добавил Адам Миллер из Северо-Западного университета, старший автор исследования. «Это было настолько удивительно, что мы подумали, что, возможно, наблюдали не тот объект. Эта звезда говорит нам, что наши представления и теории об эволюции звезд слишком узкие. Не то чтобы наши учебники были неправильными, но они явно не охватывают всего, что происходит в природе. Видимо, существуют более экзотические пути окончания жизни массивной звезды, которые мы не принимали во внимание».

Шульце, эксперт по самым экстремальным быстротечным объектам в астрономии, является научным сотрудником Центра междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике (CIERA) Северо-Западного университета. Миллер является доцентом физики и астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и ведущим членом CIERA и Института искусственного интеллекта для исследования неба NSF-Simons.

Массивные звезды, вес которых в 10–100 раз превышает вес нашего Солнца, подпитываются ядерным синтезом. В этом процессе интенсивное давление и экстремальная температура в ядре звезды заставляют более легкие элементы сливаться, образуя более тяжелые элементы. Когда температура и плотность в ядре возрастают, синтез начинается также во внешних слоях. По мере эволюции звезды, со временем в ядре выгорают все более тяжелые элементы, а более легкие элементы выгорают в серии оболочек, окружающих ядро. Этот процесс продолжается, в конечном итоге приводя к образованию железного ядра. Когда железное ядро коллапсирует, это вызывает взрыв сверхновой или образует черную дыру.

Хотя массивные звезды обычно сбрасывают слои перед взрывом, SN2021yfj выбросила гораздо больше материала, чем ученые когда-либо ранее обнаруживали. Другие наблюдения «раздетых звезд» обнаружили слои гелия или углерода и кислорода, обнажившиеся после потери внешней водородной оболочки. Но астрофизики никогда не видели ничего более глубокого, чем это, что намекает на то, что здесь должно происходить что-то чрезвычайно бурное и необычное.

Шульце и его команда открыли SN2021yfj в сентябре 2021 года, используя доступ Северо-Западного университета к Установке транзиентов Цвикки (ZTF). Расположенная к востоку от Сан-Диего, ZTF использует широкоугольную камеру для сканирования всего видимого ночного неба. С момента запуска ZTF стала главным двигателем открытий астрономических транзиентов — быстротечных явлений, таких как сверхновые, которые внезапно вспыхивают, а затем быстро угасают.

Просмотрев данные ZTF, Шульце обнаружил чрезвычайно яркий объект в зоне образования звезд, расположенной в 2,2 миллиарда световых лет от Земли.

Чтобы получить больше информации о таинственном объекте, команда хотела получить его спектр, который раскладывает рассеянный свет на составляющие цвета. Каждый цвет представляет разный элемент. Таким образом, анализируя спектр сверхновой, ученые могут обнаружить, какие элементы присутствуют во взрыве.

Хотя Шульце сразу же приступил к действию, их поиск спектра зашел в тупик. Телескопы по всему миру были либо недоступны, либо не могли видеть сквозь облака, чтобы получить четкое изображение. К счастью, команда получила неожиданный подарок от коллеги-астронома, который собрал спектр с помощью инструментов в обсерватории В.М. Кека на Гавайях.

«Мы думали, что полностью упустили возможность получить эти наблюдения», — рассказывает Миллер. «Поэтому мы пошли спать разочарованные. 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 не имели представления, что это было», — говорит Шульце о SN2021yfj. «Почти мгновенно мы поняли, что это было что-то, чего мы никогда раньше не видели, поэтому нам нужно было изучить это с помощью всех доступных ресурсов».

Вместо типичного гелия, углерода, азота и кислорода, которые содержатся в других раздетых сверхновых, в спектре преобладали сильные сигналы кремния, серы и аргона. Ядерный синтез производит эти более тяжелые элементы в глубинах массивной звезды на последних этапах ее жизни.

«Эта звезда потеряла большую часть материала, который она произвела в течение своей жизни», — говорит Шульце. «Поэтому мы могли видеть только материал, образовавшийся в течение месяцев непосредственно перед взрывом. Чтобы это произошло, должно было случиться какое-то очень насильственное событие».

Хотя точная причина этого явления остается открытым вопросом, Шульце и Миллер предполагают, что произошел редкий и мощный процесс. Они исследуют несколько сценариев, включая взаимодействие с потенциальной сопутствующей звездой, массивный взрыв перед сверхновой или даже чрезвычайно сильные звездные ветры.

Но, скорее всего, как предполагает команда, эта загадочная сверхновая является результатом того, что массивная звезда буквально разорвала себя на куски. Когда ядро звезды сжимается под действием собственной гравитации, оно становится еще горячее и плотнее. Экстремальная температура и плотность затем снова зажигают ядерный синтез с такой невероятной интенсивностью, что это вызывает мощный взрыв энергии, который отталкивает внешние слои звезды. Каждый раз, когда звезда переживает новый эпизод нестабильности рождения электрон-позитронных пар, соответствующий импульс выбрасывает больше материала.

«Один из последних выбросов оболочки столкнулся с существующей оболочкой, что вызвало яркое излучение, которое мы видели как SN2021yfj», — сказал Шульце.

«Хотя у нас есть теория о том, как природа создала этот конкретный взрыв, я бы не стал ставить на карту свою жизнь, утверждая, что она правильная, потому что у нас все еще есть только один обнаруженный пример. Эта звезда действительно подчеркивает необходимость открытия большего количества таких редких сверхновых, чтобы лучше понять их природу и то, как они образуются», — добавил Миллер.