Поиск - новости науки и техники

Охотники за вспышками. Астрофизики приблизились к разгадке тайн сверхновых звезд.

С давних пор наиболее пытливые земляне стали замечать появление на ночном небе необычно ярких звезд. Одни из первых задокументированных сообщений о них, найденные в китайских и японских трактатах, датируются 1006 и 1054 годами. Спустя столетия яркие вспышки звезд зафиксировали вначале Тихо Браге в 1572 году, а затем в 1604 году – Иоганн Кеплер. Позже такие явления стали наблюдать все чаще. Светила, внезапно появляющиеся и вскоре как бы бесследно исчезающие, получили название “новые”. Но в 1885 году астроном Эрнст Хартвиг в обсерватории Дерпта (Тарту) заметил появление звезды, которая по мощности излучения в десятки тысяч раз превосходила новые звезды. Наиболее мощные вспышки окрестили “сверхновыми звездами”. Они – предмет пристального внимания ученых.
О том, как изучают сверхновые, рассказывает сотрудник Специальной астрофизической обсерватории РАН кандидат физико-математических наук Александр МОСКВИТИН, получивший в этом году грант Президента РФ для молодых ученых.

– Как явление, сверхновая представляет собой внезапно появившуюся на небе звезду, которая в течение нескольких недель становится ярче, а потом медленно “слабеет”, – вводит в курс дела Александр Сергеевич. – В отдельных случаях такие звезды видны невооруженным глазом даже днем! Еще несколько десятилетий назад их разделяли всего на два типа: I и II – по наличию или отсутствию водородных линий в их спектрах. Сейчас эта классификация, основанная на наблюдениях, значительно расширена.
Кроме того, есть также физическая классификация, базирующаяся на современных представлениях о механизмах взрыва и прародителях звезды, по которой в одну группу выделяются сверхновые типа Ia, в другую – все остальные. Считается, что Ia – это результат взрыва белого карлика в двойной системе. (Белые карлики – компактные звезды с массами, сравнимыми с массой Солнца). Большинство подобных взрывов происходит с почти одинаковым выделением энергии и наблюдается достаточно часто. С помощью таких “стандартных свечей” можно определять расстояния до многих галактик. Многочисленные оценки расстояний дают возможность изучать фундаментальные законы Вселенной. В 1998 году по сверхновым Ia типа было открыто ускоренное расширение Вселенной, за что в 2011 году С.Перлмуттер, Б.Шмидт и А.Рисс были удостоены Нобелевской премии по физике. Другой класс, включающий в себя все остальные типы, скорее всего, возникает в результате коллапса (быстрого гравитационного сжатия) ядер массивных звезд. Такие сверхновые называют массивными, или коллапсирующими. Выделение энергии и разброс наблюдательных проявлений у них гораздо шире, чем у Ia типа, однако исследователи и здесь обособляют подгруппу II-P, которая позволяет делать оценки расстояний до родительских галактик.
И все же основной интерес эти явления представляют в качестве лаборатории по изучению финальных стадий эволюции и взрывов массивных звезд. Различные теории предсказывают появление туманности из разлетающегося вещества и таких компактных релятивистских объектов, как нейтронные и кварковые звезды, а также черные дыры. И если количество открытых нейтронных звезд измеряется уже несколькими тысячами, то о существовании экзотических черных дыр и кварковых звезд среди исследователей кипят неугасающие споры.
В 1998 году было сделано важное открытие: в поведении блеска и оптических спектрах некоторых близких длительных гамма-всплесков (бывают еще и короткие) заметили признаки, характерные для сверхновых. Взорвавшиеся (сверхновые) звезды обычно открывают, когда они достигают почти максимума блеска, пропуская самую интересную фазу. Но если говорить о сверхновых, связанных с гамма-всплесками, то получается, что гамма-вспышка отмечает начало взрыва, позволяя пронаблюдать его самые ранние фазы.
Однако с набором статистики по таким объектам перед исследователями возник трудный вопрос: почему мы видим сверхновые не во всех близких гамма-всплесках и не видим гамма-всплесков в подавляющем большинстве сверхновых? На данный момент известно всего лишь около двух десятков таких явлений, причем их свойства достаточно сильно различаются между собой. Одной из задач нашей работы как раз и является изучение этого феномена.
– Сколько взорвавшихся звезд уже известно? Как вы их исследуете?
– Вопреки представлениям о редкости вспышек сверхновых, в последнее время обнаруживается около тысячи новых объектов ежегодно. Такая “производительность” объясняется эффективной стратегией проведения наблюдений: основная доля открытий делается в рамках автоматизированных обзоров больших областей неба телескопами с широкими полями зрения и высокочувствительными приемниками света. Это позволяет находить очень слабые вспышки в далеких галактиках. Изучая спектр и изменения яркости, можно определить их принадлежность к определенному классу сверхновых. По таким данным оценивается химический состав разлетающегося вещества, а также физические характеристики взрыва. В результате делаются определенные выводы о возможных кандидатах на роль звезды – прародительницы сверхновой.
Когда обнаруживают сверхновую, она обычно выглядит как звездочка в какой-нибудь слабой галактике. Но ведь на небе под ней нет подписи, что это такое, поэтому нужно понаблюдать за поведением звезды или сравнить ее блеск в лучах различной длины волны. Гораздо более эффективно – получить подробный спектр на одном из крупных телескопов (таких как шестиметровый БТА в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук), понять, что собой представляет объект, и решить, будем ли мы наблюдать его в дальнейшем. О результатах таких наблюдений чаще всего сообщается в специальных международных телеграммах, оповещающих других астрономов.
Поиск компаньонов для гамма-всплесков – более сложная задача. Датчики космических гамма-обсерваторий измеряют положения источников не очень точно. Поэтому в определенной ими области может находиться несколько объектов. Порой даже несколько миллионов, если координаты определены с низкой точностью. Тогда нужна помощь небольших телескопов с широким полем зрения. Случается, что на том месте, где в гамма-диапазоне наблюдалась яркая вспышка, в видимом свете не находят ни одного подходящего объекта. Так бывает, если гамма-всплеск очень далекий или если область, в которой он произошел, окружена плотным облаком газа и пыли. Обычно оптические компаньоны открывают как новые объекты, которых не было на архивных изображениях, либо их отождествляют из-за быстрых изменений блеска. После этого проводятся спектроскопия с целью определения расстояния до гамма-всплеска, мониторинг блеска и изучение эволюции его спектра, если объект достаточно интересный.
На основе полученных данных можно провести анализ и моделирование химических и физических свойств взрыва. Важными источниками информации могут послужить наблюдения поведения объекта в радио-, рентгеновском и других диапазонах, а также измерение поляризации его излучения. Для того чтобы понять, в каком окружении происходят взрывы разных типов сверхновых и гамма-всплесков, можно изучить и сравнить свойства их родительских галактик. Некоторые типы сверхновых избегают определенных типов галактик, и это нам может кое-что сказать о прародителях взрывов. Ведь сколько массивных звезд родилось, столько и должно умереть. Сравнение статистики сверхновых разных типов и темпов звездообразования в тех или иных галактиках позволяет корректировать существующие представления о физике звезд и эволюции галактик.
– В 1984 году в своей книге “Звезды” советский астрофизик И.Шкловский писал, что мы пока мало знаем о сверхновых, но можем утверждать: звезды главной последовательности не взрываются. И уже через три года взорвалась звезда, находящаяся на главной последовательности. Продолжают ли сверхновые преподносить сюрпризы?
– Несмотря на то что к 1987 году было открыто не так уж много сверхновых, их классификация и теории образования уже существовали. Однако единственное яркое событие сумело существенно пошатнуть старые представления и попутно открыло огромный пласт новых знаний. Эта история дает нам несколько важных уроков о том, что детальное исследование одного объекта иногда важнее набора статистики, основанной на поверхностно изученных объектах. Поэтому даже одно из ряда вон выходящее событие может сильно изменить представляемую картину.
– Какие звезды в основном взрываются? Помогает ли набранная статистика корректировать теорию звездной эволюции?
– Массивные сверхновые различных типов, которые в первую очередь интересны для нашей работы, образуются из звезд разной массы, химического состава и включенности в двойную систему. Для некоторых близких сверхновых существуют архивные изображения их родительских галактик в нескольких фильтрах, на которых различимы отдельные звезды. В том месте, где впоследствии вспыхнет сверхновая, можно увидеть звезду-прародительницу. Для этих немногих случаев взорвавшейся звездой оказывался сверхгигант, звезда Вольфа-Райе (очень горячий объект практически без водорода) или так называемая Яркая Голубая Переменная (гипергигант, быстро теряющий вещество из-за звездного ветра). Для случаев, когда мы не в силах увидеть отдельную звезду, оценки физических параметров прародительницы можно сделать на основе изучения самой сверхновой либо ее остатка.
Набор статистики и отдельные необычные объекты помогают корректировать теорию эволюции звезд. Например, одна Яркая Голубая Переменная произвела яркую вспышку, а уже через два года, вопреки теоретическим представлениям, взорвалась как сверхновая.
– Вы открыли что-нибудь интересное?
– Для решения исследовательских задач возникла идея изучить взрывы сверхновых и массивные звезды на финальных стадиях эволюции, объединив усилия с кандидатом физико-математических наук Азаматом Валеевым из лаборатории физики звезд. Сейчас мы анализируем данные по нескольким необычным представителям своих классов, в том числе изучаем очень мощный гамма-всплеск. Похожие объекты открывали и раньше, но только на больших расстояниях, а этот вспыхнул не так далеко, да еще проявил признаки сверхновой! Было бы интересно сравнить его с другими изу-чаемыми объектами.
– Какие проблемы еще предстоит решить?
– Одна из основных наших задач – прослеживание взаимо-связи между звездами определенных классов и сверхновыми разных типов, а также попытка разобраться в механизмах, приводящих к тем или иным взрывам. Мы также пытаемся ответить на вопрос, почему нет однозначной связи между сверхновыми и гамма-всплесками. Надеюсь, наши старания помогут в раскрытии тайны коллапса массивных звезд.

Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото из архива САО РАН

Нет комментариев