Молниеносно и асимметрично: ученые смоделировали события перед взрывом сверхновой
Около 11 300 лет назад массивная звезда балансировала на грани аннигиляции. Она излучала энергию, выбрасывая свои внешние слои в космос. В конце концов, она взорвалась как сверхновая, и ее остаток является одним из наиболее изученных остатков сверхновой (Supernova Remnant, сокращенно SNR). Она называется Кассиопея A (Cas A), и новые наблюдения с помощью рентгеновского телескопа «Чандра» раскрывают больше деталей о ее драматической судьбе.
Масса звезды-прародительницы Cas A составляла от 15 до 20 масс Солнца, хотя, по некоторым оценкам, могла достигать и 30M☉. Скорее всего, это был красный сверхгигант, хотя до сих пор ведутся споры о его природе и о том, каким образом он превратился в сверхновую. Некоторые астрофизики полагают, что это могла быть парная звезда Вольфа-Райе. Так или иначе, в конечном итоге она взорвалась как сверхновая с коллапсом невыносимо тяжелого железного ядра. Свет от вспышки, возвестившей о гибели Cas A, достиг Земли примерно в 1660-х годах.
Нет точных данных о людях, наблюдавших взрыв сверхновой в небе. Возможно, ее видел англичанин Джон Флемстид, сделавший 16 августа 1680 года запись о яркой звезде, которой раньше на небе не было. Но в наше время астрономы очень подробно изучили излучение SNR Cas A на разных длинах волн.
Новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal, интерпретирует последние наблюдения телескопа Chandra. Статья называется «Неоднородность звезд в последние часы перед вспышкой сверхновой на примере Кассиопеи А». Ведущий автор — Тошики Сато из Университета Мэйдзи в Японии. Ученые объединили рентгеновские данные телескопа «Чандра» с мощными компьютерными моделями и обнаружили нечто экстраординарное.
Одна из проблем, связанных с изучением сверхновых, заключается в том, что к началу наблюдений приводят именно их взрывы. Если бы не вспышка, то о достаточно далеко расположенной звезде, пусть даже красном гиганте, никто мог и не узнать. Также крайне трудно получить подробное представление о последних секундах, минутах и часах перед взрывом сверхновой.
В последние годы теоретики уделяли много внимания конечным внутренним процессам внутри массивных звезд, поскольку они могут быть важны для выявления механизмов возникновения сверхновых, генерации нейтрино и других потенциальных переходных процессов, связанных с коллапсом массивных звезд. Однако непосредственное наблюдение за последними часами существования массивной звезды перед взрывом является сложной задачей, поскольку именно взрыв сверхновой приводит к началу интенсивных наблюдательных исследований. Его можно предвидеть, но назвать точное время катастрофы наука пока бессильна.
Процесс, предшествующий взрыву массивной звезды, включает в себя нуклеосинтез все более тяжелых элементов в ее недрах. Поверхностный слой состоит из водорода, затем следует гелий, затем углерод и еще более тяжелые элементы под внешними слоями.
В конечном счете, звезда в своем центре создает железо. Но тут возникает противоречие — железо становится препятствием для процесса ядерного синтеза. Выделяемой при слиянии более легких элементов энергии не хватает для дальнейшего «производства» элементов. В ядре накапливается железо, и как только масса ядра достигает примерно 1,4M☉, внешнего давления становится недостаточно для предотвращения коллапса. Гравитация побеждает, ядро разрушается, и звезда взрывается.
Наблюдения Чандры в сочетании с моделированием позволяют астрофизикам заглянуть внутрь звезды в последние мгновения ее существования перед коллапсом.
Непосредственно перед коллапсом Cas A часть внутреннего слоя звезды с большим количеством кремния переместилась наружу в соседний слой с большим количеством неона. При этом барьер между слоями Si и Ne полностью исчез. Исследователи называют такой процесс слиянием оболочек. Это заключительная фаза звездной активности, интенсивное горения, когда кислородная оболочка поглощает и внешнюю углеродную и неоновую оболочку глубоко внутри звезды. Это происходит всего за несколько мгновений до того, как звезда взорвется как сверхновая.
Смешанные области, богатые кремнием и неоном, являются свидетельством этого процесса. Авторы полагают, что кремний и неон не смешивались с другими элементами ни непосредственно перед взрывом, ни сразу после него.
Авторы полагают, что их результаты являются первым наблюдательным свидетельством того, что окончательный процесс коллапса звезды быстро изменяет ее внутреннюю структуру, причем делает это неравномерно, ассиметрично. На протяжении десятилетий астрофизики считали, что взрывы сверхновых меняют «все и сразу», распространяя разрушительную энергию равномерно во все стороны. Прежние наблюдения отчасти подтверждали эту идею. Однако последнее исследование меняет фундаментальное представление о взрывах сверхновых как о симметричных процессах.
Сосуществование компактных областей выброса «кислород-неон» и «кислород-кремний» подразумевает, что слияние оболочек не гомогенизировало слой, богатый кислородом, до коллапса. Оно оставило после себя многомасштабные неоднородности состава и асимметричные поля скоростей.
Эта асимметрия также может объяснить, как образовавшаяся после взрыва сверхновой нейтронная звезда получила мощное угловое ускорение (говоря простыми словами превратилась в бешено вращающийся космический волчок).
Не исключено, что неоднородное перемешивание слоев и возникшая турбулентность и спровоцировали сам взрыв. Как знать, если бы не чрезмерная внутренняя активность, то Cas A не засияла бы как сверхновая или засияла намного позже.
О том, как российские ученые объяснили необычно быстрое остывание нейтронной звезды в остатке SNR Cas A, мы рассказали в этом материале на Hi-Tech Mail.
