Карлики взорвали сверхновую

Изучение происхождения космических объектов – чрезвычайно важная, но и чрезвычайно сложная область астрономии. Астрономическая «лаборатория» – звездное небо – не позволяет проводить экспериментов и не анонсирует возникновение нового события. Вот почему эволюцию объектов приходится восстанавливать исходя из текущих данных, методом сродни ретросинтезу. Вместе с тем без надежного установления природы объектов суждения о динамике их развития и выводы, связанные с ней, остаются голословными.

Одной из таких задач является изучение происхождения сверхновых типа Ia – так называемых «стандартных свечей». Они служат для космологии вехами, по которым восстанавливают расстояния во Вселенной, историю ее расширения и, как следствие, определяют вклад в это расширение «темной энергии».

Эти вспышки астрономы считают «стандартными», потому что их светимость практически одинакова, поэтому наблюдаемая яркость таких сверхновых зависит только от расстояния до наблюдателя. Кроме того, они чрезвычайно ярки, поэтому их можно обнаруживать на больших расстояниях, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной. Находя подобные сверхновые и измеряя их красные смещения и расстояния до них, можно определять скорость расширения Вселенной в разные моменты времени в прошлом.

Сверхновые типа Іа (SN Ia) – так называемые термоядерные сверхновые, в основе механизма взрыва которых лежит процесс термоядерного синтеза в плотном углеродно-кислородном ядре звезды. Практически не вызывает сомнений, что сверхновая типа Ia – это результат термоядерного взрыва белого карлика (остаток «умершей» звезды, в которой прекратились ядерные реакции; его размер примерно в 50–100 раз меньше размера Солнца, а плотность в миллион раз больше). Наиболее вероятная причина взрыва – превышение критического предела массы, так называемого предела Чандрасекхара, приблизительно равного 1,4 массы Солнца. Однако как происходит накопление вещества, приводящее к взрыву, до сих пор не ясно.

На этот счет есть две гипотезы. Согласно первой, белый карлик в двойной системе с обычной звездой постепенно «перетягивает» на себя вещество своего компаньона (этот процесс называется аккрецией, а сценарий – аккреционным). Согласно второй, взрыв вызван слиянием двух белых карликов, входящих в одну двойную систему.

Разрешить эту проблему удалось ведущему научного сотруднику Института космических исследований (ИКИ РАН), доктору физико-математических наук Марату Гильфанову. Его работу публикует Nature.

Вопреки мнению большинства ученых, которые склонялись к первой гипотезе, верной оказалась как раз вторая.

«Стандартная свеча» возникает при слиянии двух белых карликов.

Исследование базировалось на данных, полученных с помощью орбитальной ренгтеновской обсерватории Chandra (NASA). Его результаты были представлены на пресс-конференции NASA 17 февраля и затем опубликованы в Nature. Об открытии сообщает пресс-служба ИКИ РАН:

«Идея, которую высказал и проверил Марат Гильфанов вместе со своим аспирантом Акошем Богданом, состояла в том, что два сценария возникновения сверхновых типа Ia можно различить по предсказываемой ими рентгеновскoй светимости.

В первом случае аккрецирующий белый карлик является мощным источником рентгеновского излучения в течение почти 10 млн лет до взрыва. Во втором два белых карлика, движущиеся друг относительно друга в двойной системе, ведут себя «электромагнитно тихо»: они почти не излучают ни в одном из диапазонов электромагнитнoго спектра вплоть до последнего момента перед слиянием и взрывом. Таким образом, эти два сценария предсказывают разные светимости белых карликов – предшественников сверхновых. Исследуя рентгеновское излучение близких галактик и сравнивая с предсказанием теории, можно определить экспериментально, какой из механизмов работает на самом деле.

Частота вспышек сверхновых в галактике пропорциональна ее массе, которую можно измерить на основе наблюдений в инфракрасном диапазоне. С другой стороны, зная, с какой скоростью растут белые карлики за счет аккреции вещества в двойной системе, можно определить их число, требуемое в аккреционном сценарии для поддержания наблюдаемой частоты взрывов сверхновых. Так, в типичной эллиптической (т. е. в сравнительно старой) галактике сверхновая вспыхивает раз в 50–100 лет и для этого требуется несколько тысяч аккрецирующих белых карликов. Далее нетрудно предсказать общую светимость аккрецирующих белых карликов – предшественников сверхновых и сравнить с реальными наблюдениями.

Марат Гильфанов и его коллега проверили свою гипотезу на примере пяти эллиптических галактик и спиральной галактики Туманность Андромеды (М31). Для исследования использовались данные орбитальной рентгеновской обсерватории Chandra (NASA), а также космического инфракрасного телескопа Spitzer (NASA) и обзора неба в ИК-диапазоне 2MASS.

Оказалось, что наблюдаемая рентгеновская светимость эллиптических галактик в 30–50 раз меньше, чем предсказывается аккреционным сценарием.

Поэтому доля сверхновых, взрывающихся по достижении белым карликом критического предела массы в результате аккреции в двойной системе, не превышает нескольких процентов, а наиболее вероятным источником вспышек сверхновых типа Ia становится сценарий сливающихся белых карликов.

Результат оказался неожиданным, а само исследование поставило ряд новых вопросов.

Ранее большинство астрономов считало более вероятным аккреционный сценарий, не в последнюю очередь потому, что систем, состоящих из двух белых карликов, известно не так много. Впрочем, причиной этому может быть не их малое количество, а тот факт, что их сложно наблюдать даже в самые совершенные телескопы: ведь они почти не излучают
электромагнитные волны. Полученные результаты заставят исследовать такиe двойныe системы и сценарий сливающихся белых карликов более подробно.

Исследование Гильфанова касалось в первую очередь эллиптических галактик, то есть галактик со старым звездным населением. В более молодых спиральных галактиках, где до сих пор может продолжаться интенсивное звездообразование, ситуация может отличаться».