Новая звезда на глазах растет в сверхновую

Текст: Артём Тунцов/Infox.ru

Астрономы сняли на видео, как после грандиозного взрыва расширяется оболочка новой звезды. Но это еще цветочки: в будущем объект может превратиться в сверхновую редкого, но очень важного типа Ia.

Самые яркие вспышки, которые можно увидеть на небе, -- это взрывы сверхновых, сопровождающие гибель массивных звезд. В максимуме блеска такой объект может светить ярче целой галактики, однако случаются они крайне редко -- раз в несколько сотен лет на каждый триллион звезд. Чтобы дождаться взрыва, приходится следить сразу одновременно за многими тысячами галактик, так что обычно эти ярчайшие взрывы наблюдаются в виде слабых пятнышек света на фоне далеких звездных систем.

Сверхновая элита

Взрывы сверхновых, конечно, редкость, но даже среди этих объектов есть своя «элита». Это так называемые сверхновые типа Ia. У всех у них одна и та же истинная яркость, а значит, их можно использовать как «стандартную свечу». Например, определять расстояния до далеких галактик, в которых эти взрывы случились, и по этим данным изучать историю расширения нашей Вселенной.

Предел ЧандрасекараРавновесие белых карликов поддерживает чисто квантовый эффект -- так называемый запрет Паули, из-за которого в каждом квантовом состоянии может находиться всего один электрон. Квантовое состояние электрона определяется положением частицы и ее импульсом, то есть произведением скорости на массу (а также проекцией так называемого спина, но она может принимать лишь два значения). При очень высокой плотности электроны, чтобы соблюсти запрет Паули, занимают все имеющиеся вакансии в пространстве импульсов. Такое состояние электронного газа называется вырожденным. Чтобы «впихнуть» в него еще одну частицу, она должна иметь очень высокий импульс. Но импульс частиц определяет давление газа, который из них состоит, а значит, попытка сжать такое вещество вызывает мощное сопротивление безо всякого источника энергии.

Между прочим, как сверхновые Ia взрываются вовсе не огромные звезды, а маленькие звездные «трупы» -- белые карлики, в которые со временем превращаются звезды-середнячки вроде нашего Солнца. В белых карликах давно закончились ядерные реакции, и мощная гравитация сжала их в очень плотные шарики размером с Землю. От дальнейшего сжатия белые карлики удерживает лишь запрет Паули -- квантовый эффект, не разрешающий двум частицам занимать одно и то же положение в фазовом пространстве.

В конце 20-х годов прошлого века индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар математически доказал, что массы белых карликов не могут превосходить определенного предела, который составляет примерно полторы массы Солнца. Все они рождаются с массой меньше предела Чандрасекара (а большинство -- со вдвое меньшей массой, примерно 0,6 масс Солнца).

Перебрала

Но что произойдет, если на белый карлик начнет падать новое вещество? Например, если он крутится вокруг другой звезды и вещество соседки перетекает на поверхность карлика, рано или поздно предел Чандрасекара будет превышен. Тогда, по мнению астрономов, карлик взрывается, как водородная бомба -- или гелиевая, или углеродно-кислородная, хотя такие бомбы человечеством еще не придуманы. В любом случае, ядерные реакции синтеза начинаются по всему телу звезды, и от этого взрыва ничего не остается, кроме расширяющейся газовой оболочки. Это и будет взрыв сверхновой типа Ia.

Кстати говоря, системы, в которых белый карлик поедает вещество со звезды-соседки, действительно наблюдаются. И, как показали астрономы Александр Тутуков и Лев Юнгельсон из Института астрономии РАН, примерно в тех количествах, что нужны для измеренного темпа взрывов сверхновых.

Такие звезды иногда вспыхивают и до достижения предела Чандрасекара, но не настолько внушительно -- их блеск увеличивается всего в сотни или тысячи раз. Такие взрывы, в отличие от вспышек сверхновых, называют вспышками новой. По мнению астрономов, вспышка новой происходит, когда взрывается не вся звезда, а небольшой слой вещества, накопившийся на ее поверхности. Взрывы новых могут происходить не один, а много раз -- нужно лишь, чтобы вещества накопилось достаточно для детонации этого слоя.

Гелиевые прародители

Впрочем, все вышеописанное про механизм взрыва -- красивая теория на словах, однако получить взрыв сверхновой в подробных компьютерных расчетах намного сложнее. И даже со сверхновыми типа Ia, где все более или менее понятно, есть сложности.

Например, отличительная черта сверхновых Ia с наблюдательной точки зрения -- это отсутствие линий водорода в спектре, вместо них там ярко светят линии гелия. Белые карлики действительно по большей части лишены легчайшего элемента, ведь они -- ядра потухших звезд, в которых весь водород выгорел в ядерных реакциях. Вместе с тем водород -- самый распространенный элемент во Вселенной, и внешние слои звезды-соседки, которые будет пожирать белый карлик, наверняка должны состоять из этого элемента. Как же ему не показаться в спектре разлетающегося остатка звезды? Например, в спектре всех новых, которые вроде как должны предшествовать взрыву сверхновых, водород до сих пор наблюдался.

На этот вопрос есть два ответа. Во-первых, звездой-донором может стать другой белый карлик. Во-вторых, соседкой может оказаться достаточно массивная гелиевая звезда, водородная оболочка которой уже рассеялась в окружающее пространство, но в самом-самом ядре уже загорелся гелий. Ее внешние слои также состоят из этого элемента, так что и на поверхности белого карлика будет накапливаться именно он. Ему же детонировать при вспышках новой.

Новая Кормы

Именно такую новую ученые и заметили в южном созвездии Кормы ровно девять лет назад. В ноябре 2000 года яркость этой звезды внезапно выросла в 250 раз. Затем она постепенно упала в еще большее число раз и до сих пор не вернулась на довспышечный уровень. Однако главное не в перепадах блеска: в спектре новой Кормы 2000 года, она же переменная звезда V445 Pup (от лат. Puppis -- «Корма»), совершенно не было водорода. Не удивительно, что новую стали пристально изучать.

В марте 2005 года на него впервые посмотрела и система адаптивной оптики NACO, установленная на телескопе «Йепун» -- одном из восьми гигантов Очень большого телескопа VLT Южной европейской обсерватории. Адаптивная оптика исправляет ошибки, которые вносит в изображение нестабильная атмосфера Земли, что позволяет получать с Земли изображения почти с таким же разрешением, как у космического телескопа имени Хаббла. Но диаметр зеркала «Хаббла» всего 2,6 м, а VLT -- 8,2 м, так что света он собирает в десяток раз больше. Построить и вывести в космос 8-метровый телескоп пока слишком кучеряво даже для богатых европейских стран.

К удивлению астрономов, NACO увидела не какую-то яркую звезду, а вытянутую туманность, похожую на китайскую тряпичную салфетку, перетянутую посредине темной ленточкой. Так выглядят некоторые планетарные и протозвездные туманности, однако у новых ничего подобного прежде увидеть не удавалось.

Кино о небе

Через полтора года NACO посмотрел на V445 Pup, а потом еще и еще, и стало понятно, что эта туманность быстро расширяется. Более того, из свернутой в свиток «салфетки» за время наблюдений в противоположные стороны вылетели две «пробки», которые движутся еще быстрее, чем основная туманность. И весь этот процесс виден в реальном времени, а не в виде застывшего кадра, каковыми астрономам обычно предстают картины звездного неба.

Ученые даже сделали из этих снимков маленькое кино, которое сопровождает эту заметку. В дополнение к фильму астрономы под руководством Патрика Ваудта из южноафриканского Кейптаунского университета получили спектр объекта, из которого следовало, что скорость расширения оболочки -- от 6 до 7,5 тыс. км/с. Скорость «пробок» -- все 8 тыс. км/c, и с такими выбросами в новых ученым еще не приходилось сталкиваться. Эта линейная скорость, видимая скорость расширения туманности на небе и модель этого процесса позволили определить расстояние до звезды -- 25-28 тыс. световых лет и определить наклон выброса к лучу зрения.

Как оказалось, выброс лежит почти в картинной плоскости, так что темная «ленточка», которая перетягивает «салфетку», скрывает от нас самый центр объекта -- белый карлик и его напарницу. Тем не менее полученных данных оказалось достаточно, чтобы определить (ну или хотя бы предположить) физическую природу произошедшего.

Ваудт и его коллеги уверены, что здесь речь идет именно о массивном белом карлике в паре с гелиевой звездой. В ноябре 2000 года гелия на поверхности белого карлика накопилось достаточно, чтобы его температура и плотность позволили начаться ядерным реакциям превращения гелия в углерод. Этот углерод (от нынешнего взрыва или от предыдущих), вероятно, стал причиной сильного поглощения света в «ленточке», скрывающей систему от нашего взгляда.

Неясное будущее

Из расстояния до звезды и ее яркости до взрыва (20 тыс. солнечных светимостей) можно примерно «взвесить» белый карлик и оценить скорость перетекания вещества со звезды-соседки. Масса получается и впрямь очень близкой к чандрасекаровскому пределу -- 1,3 массы Солнца; еще одна-две десятых -- и взрыв сверхновой типа Ia, кажется, неизбежен. На земном небе эта сверхновая должна сравняться яркостью с Венерой.

При темпах обмена веществом в 0,001% массы Солнца в год ждать взрыва недолго -- десяток-другой тысяч лет. Это быстрее, чем другая похожая сверхновая, дозревающая в том же созвездии Кормы, правда, гораздо ближе к Солнцу.

Впрочем, предсказывать, когда в сверхновую превратится новая Кормы 2000 года авторы статьи в Astrophysical Journal пока не решаются. Они вообще не уверены, то это когда-нибудь случится. Ведь при каждом взрыве новой большая часть вещества из ее окрестностей сметается взрывной волной. Сколько там остается? Половина нападавшего в прежние годы, 1% или не остается ничего? Ответа на этот вопрос нет.

«Взорвется ли когда-то V445 Puppis как сверхновая, или нынешний взрыв выбросил в пространство слишком много вещества, пока не ясно», -- говорит Патрик Ваудт. Но не удерживается: «И все-таки у нас есть хороший кандидат в будущую сверхновую типа Ia».