Ученые наблюдали эволюцию красного сверхгиганта

Группа астрофизиков из Северной Америки и Европы впервые провели наблюдения за развитием красного сверхгиганта всего через три часа после взрыва сверхновой звезды второго типа. Вспышка была зафиксирована более трех лет назад в галактике NGC 7610, расположенной по соседству с галактикой Млечный Путь. Эта вспышка привлекла внимание большого числа ученых.
В настоящее время астрофизики достаточно хорошо разбираются в тех процессах, которые предшествуют разрушению больших звезд (гравитационный коллапс или нехватка термоядерного топлива), а также в их дальнейшей судьбе. Светила, которые по своим размерам в несколько раз превосходят Солнце и в десятки раз ярче нашего светила, становятся красными сверхгигантами. В процессе подобной эволюции они теряют примерно десять процентов своей массы. После взрыва такие объекты становятся очень яркими, что дает возможность наблюдать эти объекты даже в отдаленных галактиках.
В то же время, как отмечают ученые, наблюдать взрывы сверхновых звезд в режиме реального времени до недавнего времени не представлялось возможным, в силу того, что такие процессы происходили крайне редко. Так, согласно имеющимся оценкам, в Млечном Пути сверхновая звезда взрывается примерно один раз в год. Ученые сумели в своем новом исследовании проследить за подобным объектом, находящимся в галактике NGC 7610. Спектральные характеристики данного объекта была получены в последние несколько лет, и все они указывали на то, что звезда крайне нестабильна (она быстро теряла массу). В результате ученые предположили высокую вероятность ее взрыва.
Галактика NGC 7610 является спиральной. Она расположена в созвездии Пегаса и удалена от нашей планеты на расстояние 50,95 мегапарсека. Объект, который в ней взорвался, — SN 2013fs или iPTF 13dqy – это обычная сверхновая II типа, с линиями водорода в спектре. Впервые в режиме реального времени ученые наблюдали ее в начале октября 2013 года с помощью автоматизированной системы iPTF. В следующий раз наблюдения были проведены спустя 50 минут. Далее – наблюдения поводились через сутки с помощью научного инструмента WiFeS, установленного на телескоп Австралийского национального университета.
Эти наблюдения спровоцировали большой интерес ученых к данному объекту. Наблюдения за iPTF 13dqy велись почти во всем диапазоне длин волн – ультрафиолетовом, рентгеновском, инфракрасном и оптическом. Благодаря этим наблюдениям исследователи получили данные, которые отлично укладывались в представления о развитии красного сверхгиганта (звезды, уничтоженной в результате взрыва), которые имелись на то время.
Наблюдения iPTF 13dqyИзображение: Nature Physics
Когда ядро красного сверхгиганта разрушается, начинается процесс формирования сверхзвуковой ударной волны. Когда эта волна достигает поверхности звезды, она начинает очень ярко светиться, иными словами – начинает происходить то, что учеными принято называть вспышкой сверхновой. Перерождение звезды в то же время сопровождается сильным ультрафиолетовым излучением. Сила и продолжительность вспышки зависит от структуры оболочки объекта.
Появление ультрафиолетовой радиации порождает процесс фотоионизации атомов в газовом облаке, которое окружает сверхновую. Постепенно газ становится более плотным, и запускается процесс быстрой рекомбинации (когда ионы захватывают электроны). В результате возникают атомы, которые порождают эмиссионные линии. Ученые, благодаря временным рамкам данного процесса, сумели определить те границы, до которых происходило распространение материи после взрыва сверхновой звезды SN 2013fs. Это значение оказалось равным примерно 20 световым часам.
В то же время, процессы, которые имели место в атмосфере красного гиганта до момента взрыва, ученые пока не могут точно описать. Определяющим фактором в данном случае является скорость потери звездной материи, иными словами – темпы отрыва звезды от светила. Если эта скорость достигает 50 километров в секунду, то интенсивная потеря массы звездой началась примерно 10 лет назад. Если же скорость в десять раз меньше – примерно пять километров в секунду – то это дает возможность предположить, что эволюция светила продолжается на протяжении сотни лет. Более того, газовая оболочка перерождающегося объекта вообще может находиться в стационарном режиме (как, к примеру, оболочка красного сверхгиганта Бетельгейзе, который готовится к взрыву).
Главная цель, к которой стремятся ученые в настоящее время заключается в проведении наблюдений за звездой в момент ее перерождения, а не только после вспышки ее в качестве сверхновой. К этой цели помогает приблизиться проведенное наблюдение. По словам исследователей, оно помогает спрогнозировать наиболее популярные сценарии взрыва. Конечно, в определенной степени можно говорить о том, что астрофизики не в первый раз наблюдают взрыв сверхновой звезды. Это и так, и не совсем так.
Впервые ученые наблюдали вспышку сверхновой через несколько часов после взрыва в 2008 году. В то время в галактике NGC 2770 была зафиксирована интенсивная вспышка ультрафиолетового излучения, которая длилась на протяжении нескольких часов. Ученые предполагают, что связана она была с образованием ударной волны. Затем событие SNLS-04D2dc эксперты наблюдали в оптическом диапазоне, однако тогда не был проведен систематический спектральный анализ, потому как данное открытие было случайным, и ученые просто не были к нему готовы.
Взрывы сверхновых звезд второго типа SNLS-04D2dc и iPTF 13dqy произошли с одиночными светилами. Свершено по другому сценарию происходит взрыв белого карлика, который напоминает вспышку сверхновой звезды первого типа. Причина этого взрыва заключается в наличии второго светила-спутника. Материя с него попадает на поверхность белого карлика, что становится причиной превышения предела Чандрасекара (гравитационного коллапса). Нечто подобное произошло в 2009 году. Тогда ученые напрямую наблюдали взрыв сверхновой и сумели подтвердить гипотезу о массообмене между компаньонами в двойной системе V1213 Cen.
Белый карлик начал сбрасывать оболочку через шесть суток после последнего падения уровня его светимости. Согласно предположениям ученых, взрыв, который сопровождался кратковременным увеличение яркости светила, может повториться через сотни лет. В данном случае свойства двойной системы будут зависеть от скорости масообмена, то есть, от того, насколько быстро на белый карлик попадет материя небольшого компаньона. Данные, которые имеются в настоящее время, говорят о том, что в двойной системе V1213 Cen массообмен между звездами имеет низкую скорость. Наблюдения за объектами проводили на протяжении длительного периода времени – с 2003 года. Были зафиксированы периодические изменения в светимости звезды, завершившиеся спустя шесть лет взрывом сверхновой. Эти наблюдения проводились в рамках программы OGLE.
Ученые пока не могут ответить на вопрос, каким образом и почему массивные звезды взрываются в качестве сверхновых. Такие гиганты превращают легкие элементы в более тяжелые. В относительно короткий период своего существования, который длится от одного до десяти миллионов лет, массивные звезды сжигают продукты слияния гелия и водорода, а также тяжелое топливо до тех пор, пока железное ядро не разрастется и не разрушится. Астрономам известны основные механизмы, которые приводят к взрывам сверхновой, однако детальные элементы данного процесса пока остаются загадкой.