Ближайший след космического катаклизма оказался его предвестником

Астрономы любят, когда в космосе что-нибудь мощно «бабахнет». Не из ребячества или безответственности, конечно, а потому, что на космических масштабах и взрывы космические, с выделением огромного количества энергии. И видно эти взрывы с очень и очень далеких расстояний – оттуда, куда пока с большим трудом дотягивается взгляд даже самых больших телескопов.

Самые мощные космические взрывы – это явления сверхновых, знаменующие окончание жизни звезд, а также гамма-всплески, которые, вероятно, связаны с рождением черных дыр. Однако гамма-всплески пока не очень поняты, а потому астрономы концентрируют свое внимание на сверхновых, точнее – сверхновых спектрального типа Ia, вспышки которых видно даже с самого края наблюдаемой Вселенной.

Сверхновые типа Ia обладают не только самой высокой яркостью, но и поразительным однообразием – абсолютное большинство из них имеет одну и ту же истинную светимость в пределах пары десятков процентов. Поэтому их можно использовать в качестве так называемых стандартных свечей для измерения расстояний: если мы знаем истинный блеск светила и знаем его наблюдаемую яркость, несложно выяснить, как далеко оно находится. Именно так, по сверхновым типа Ia, ученые в самом конце XX века выяснили, что Вселенная расширяется с ускорением; открытие «темной энергии» – так называют причину этого ускорения – стало, наверное, самым главным открытием последних десятилетий.

Обмен и столкновения

Разобраться, почему все сверхновые типа Ia имеют одну и ту же светимость, удалось гораздо раньше. Астрономы полагают, что эти вспышки – результат термоядерного взрыва белого карлика, погибшей звезды массой с Солнце и размером с Землю, в ядре которой прекратились ядерные реакции. От неминуемого коллапса под тяжестью собственного веса белые карлики удерживает лишь давление вырожденного газа электронов, которые нельзя втиснуть в маленький объем, не увеличив одновременно его давление.

Однако и терпение вырожденного газа не безгранично. В 20-х годах ХХ века индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар рассчитал точный предел массы, весу которой может противостоять давление вырожденных электронов. Для обычного для погибших звезд вещества этот предел составляет от 1,2 до 1,44 массы Солнца (в зависимости от химического состава). Если предел Чандрасекара превышен, то белый карлик начинает сжиматься и разогреваться, и происходит грандиозный ядерный взрыв, в котором участвует вся звезда целиком. Это и есть взрыв сверхновой типа Ia.

Откуда ж взяться тому веществу, что может переполнить чандрасекаровский предел? Вариантов всего два – медленное, в течение миллионов и миллиардов лет перетекание газа с звезды -- соседки белого карлика или слияние двух таких звездных трупов, которые по отдельности не превосходят своих пределов Чандрасекара, но в сумме переваливают за эту границу.

Судя по всему, в природе реализуются оба процесса, и каков вклад каждого из них, пока неясно. На прошлой неделе в Nature была опубликована статья Марата Гильфанова из Института космических исследований РАН и его коллег по Институту астрономии германского Общества имени Макса Планка, которым удалось показать, что (по крайней мере в галактиках одного из типов) перетекание отвечает максимум за 5% сверхновых. Остальное, вероятно, происходит от слияния двух белых карликов.

Очень быстрый хоровод

Между тем до сих пор нет надежных свидетельств, что такие двойные, способные слиться за время существования Вселенной, есть вообще. В принципе это не большая проблема: чтобы сверхновые типа Ia взрывались так часто, как это наблюдается, достаточно, чтобы всего один из тысячи карликов обладал нужным напарником, а надежно проверены на двойственность как раз порядка тысячи таких звезд. И тем не менее поиски кандидатов ведутся.

В середине прошлого десятилетия астрономы начали такие поиски, используя данные Слоуновского цифрового обзора неба SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Этот автоматический телескоп снял уже миллионы спектров галактик, квазаров и звезд, среди которых имеются и белые карлики. Ученые под руководством Дэниела Эйзенштейна из Университета Аризоны решили поискать следы двойственности в этих спектрах – ведь если два карлика крутятся друг вокруг друга по тесной орбите, то их скорости составляют сотни километров в секунду, а это немедленно отпечатается в спектре в виде доплеровского смещения атомных линий.

Один такой карлик вскоре удалось найти – им оказалась неприметная звездочка в созвездии Большой Медведицы, прямо под ручкой ее «ковша», которую астрономы обозначают SDSS1257+5428. Ее спектр показывал, что этот объект приближается к нам с огромной скоростью в 300 км/c, что, мягко говоря, подозрительно. Расстояние до него астрономы оценили примерно в 150-300 световых лет.

Дыра на месте карлика…

Последующие наблюдения показали, что подозрения не напрасны: скорость карлика меняется от 300 км/c к нам до 300 км/c от нас и обратно каждые 4 часа и 34 минуты. Судя по всему, с таким периодом карлик и его напарник крутятся друг вокруг друга. Если выложить спектры, полученные телескопами в разные моменты времени, по фазе этого периода, линии в них выписывают симпатичные синусоиды – к красному концу спектра, когда белый карлик идет от нас, и к фиолетовому – когда он приближается к нам.

Правда, при анализе оказалось, что этот объект – все-таки не то, что искали Эйзенштейн и его коллеги. Моделирование линий во всей их сложности оказалось неожиданно проблематичным, однако привело ученых к выводу, что они смотрят на массивный белый карлик, который лишь немного не дотягивает до чандрасекаровского предела. Однако сливаться ему было по большому счету не с чем: линий спутника на спектре не обнаружилось вовсе, а масса этого объекта должна была составить полторы-две массы Солнца. Все это навело ученых на мысль, что спутник – это черная дыра или нейтронная звезда.

Нельзя сказать, что астрономы расстроились. Черные дыры и нейтронные звезды – еще более экзотические объекты, чем белые карлики. Они образуются при взрывах массивных звезд (сверхновые всех остальных типов, помимо Ia). Находка задала невероятно много вопросов – например, как такая тесная двойная сохранилась после грандиозного взрыва или откуда в ней вообще взялся белый карлик, да еще на такой тесной орбите. Кроме того, SDSS1257+5428 мгновенно стал самым близким остатком взрыва сверхновой, известным астрономам. А поскольку расположен он сравнительно недалеко, в сотне-другой световых лет, таких объектов по всей Галактике должно быть полным-полно, а значит, и вспышки сверхновых в ней в прошлом должны были быть куда более частыми событиями, чем в наши дни.

…и вновь на месте карлик

На этой неделе в этой истории возник новый неожиданный поворот. Как показали астрономы из Великобритании и Германии под руководством Томаса Марша из Университета Уорика, SDSS1257+5428 – все-таки двойная звезда, обе компоненты которой являются белыми карликами. Только система эта очень необычна, и в спектре мы видим линии вовсе не главного ее компаньона.

Ученые получили очень точные наблюдения объекта на телескопе имени Уильяма Гершеля на канарском острове Ла-Пальма и, как и их предшественники, выложили спектры в рядок, по фазе орбитального периода. Спектральные линии, которые на каждом отдельном спектре превратились в точки определенной яркости, означающей яркость объекта на соответствующей длине волны, как и положено, выстроились в тонкие, ровные, параллельные друг другу синусоиды.

А дальше Марш и его коллеги сделали главный трюк – они вычли модель профиля линии из полученных данных и посмотрели, что на ней останется. На финальной картинке красовались ровно такие же синусоиды, только в противофазе. Как пишут астрономы в статье, подготовленной для Astrophysical Journal Letters, интерпретация очевидна – это линии второго компонента системы. Поскольку крутятся они друг вокруг друга, то когда первый компонент идет к нам, и его линии смещаются в фиолетовую сторону, второй движется от нас, и его линии смещаются к красному концу спектра. Правда, заметить их до сих пор было практически невозможно – эти линии гораздо шире и гораздо слабее, так что терялись на фоне ярких, уверенных линий первого белого карлика, пока их не вычли из спектра.

Как показала дальнейшая обработка данных, этот «вторичный» компонент – на самом деле главный в системе. Он весит столько же, сколько Солнце, в то время как «первичный» карлик в пять раз легче нашего светила. Кроме того, «вторичный» карлик горячее «первичного». А линии у него такие слабенькие по двум причинам. Во-первых, вырожденные звезды с увеличением массы становятся меньше, так что при впятеро большей массе он в несколько раз меньше по размеру и почти на порядок – по площади излучающей поверхности. Во-вторых, он очень быстро вращается, совершая один-два оборота в минуту, из-за чего линии (за счет все того же доплеровского смещения, только усредненного по всей поверхности) становятся очень широкими и слабо заметными.

Из неясного в неоднозначное

Как полагают Марш и его коллеги, в этом быстром вращении – секрет происхождения очень необычной системы. Весьма вероятно, что в течение долгого времени вещество с «первичной» звезды перетекало на «вторичный» карлик, принося с собой массу и момент вращения. За десятки, а, может, и сотни миллионов лет карлик стал массивным и начал быстро вращаться. Тем временем и для «первичной» звезды подошел положенный по законам звездной эволюции срок, и она сама, изрядно похудевшая, превратилась в белый карлик, сбросив оболочку. Правда, у этой модели прошлого есть трудности – теория предсказывает, что столь плотные пары должны проходить стадию с общей оболочкой, а она длится совсем недолго и не может так сильно раскрутить карлик. Впрочем, теперь, после обнаружения объекта SDSS1257+5428, такое расхождение, скорее, стало проблемой самой теории.

Что же касается будущего, то здесь все более или менее понятно. Сейчас карлики постепенно теряют энергию на излучение гравитационных волн и медленно приближаются друг к другу. Так будет продолжаться еще 3 миллиарда лет, пока период системы не снизится с нынешних четырех с половиной часов до полутора минут и карлики будут почти касаться друг друга.

А вот дальше, признают авторы работы, в рамках имеющейся неопределенности параметров возможны почти все варианты. Может случиться то самое катастрофическое слияние и взрыв сверхновой Ia – так что SDSS1257+5428 все-таки окажется объектом того типа, который ученые хотели найти, затевая весь проект. Может, начнется более спокойное перетекание вещества, и система, хотя и перейдет предел, обойдется без взрыва, сколлапсировав в быстро вращающуюся нейтронную звезду.

Однако перетекание вещества может оказаться еще более мягким, поскольку течь легкий (и значит, более крупный) карлик начнет рано, а делать это будет медленно. В этом случае не исключен вариант, при котором произойдет «отскок» и перетекание остановится, а компоненты вновь разойдутся на более широкую орбиту. На ней поменявшиеся массой карлики снова будут излучать гравитационные волны и снова станут медленно приближаться друг к другу. Если эволюция пойдет по этому сценарию, который авторам представляется наиболее правдоподобным, у истории SDSS1257+5428 может появиться еще не одно продолжение.