Массивная звезда, которая «проглотила» нейтронную звезду или черную дыру и вот-вот взорвется. Исходная двойная система существовала миллионы или даже миллиарды лет, но за счет излучения гравитационных волн ее компоненты постепенно теряли энергию и сближались. В какой-то момент они сблизились настолько, что компактный тяжелый объект (то есть либо нейтронная звезда, либо черная дыра) начал вытягивать вещество из звезды. Это продолжалось несколько сотен лет, в течение которых образовалась спиралевидная (или торообразная) «атмосфера» — общая для двух объектов. После столкновения произошел взрыв сверхновой, приведший к мощному всплеску рентгеновского излучения, которое было зарегистрировано в 2014 году рентгеновским телескопом MAXI, установленным на МКС. А в 2017 году радиоизлучение, вызванное взаимодействием разлетающегося вещества, оставшегося после взрыва сверхновой, с торообразной атмосферой, было зарегистрировано массивом радиотелескопов VLA. Рисунок © Chuck Carter с сайта caltech.edu
Вспышки сверхновых обычно являются результатом естественной эволюции массивных звезд. При вспышках выделяется колоссальная энергия, благодаря чему сверхновые — одни из самых ярких объектов во Вселенной (их светимость сравнима с целыми галактиками). Есть два основных механизма взрыва сверхновых: перетекание вещества с нормальной звезды на белый карлик в двойной системе и гравитационный коллапс ядра звезды в нейтронную звезду или черную дыру после того, как она исчерпает запасы термоядерного топлива. Теоретически предсказаны и другие механизмы взрывов сверхновых. Об одном из них рассказано в недавней статье в журнале Science. Проанализировав данные об источнике мощнейшего радиоимпульса, собранные рентгеновским телескопом MAXI в 2014 году и массивом радиотелескопов VLA в 2017 году, американские астрофизики пришли к выводу, что этот источник — сверхновая, взрыв которой был спровоцирован столкновением звезды с компактным объектом (нейтронной звездой или черной дырой).
Теоретические исследования, многочисленные результаты компьютерного моделирования и наблюдения свидетельствуют о том, что есть два основных механизма взрыва сверхновых. Первый механизм, так называемые сверхновые типа Ia, связан с белыми карликами — компактными остатками звезд, стабильность которых обеспечивается давлением газа электронов. Масса белого карлика не может превышать предел Чандрасекара, равный приблизительно полутора массам Солнца. Если белый карлик по каким-то причинам превысит этот предел, то давления электронов уже не будет хватать, чтобы преодолевать силу гравитации, сжимающую его. Набирать массу белый карлик может, находясь в составе двойной системы. Если его компаньон — обычная звезда, то при сближении компонентов системы белый карлик будет стягивать на себя вещество с ее поверхности. Если же компаньоном является еще один белый карлик, то они могут слиться — это тоже приведет к взрыву сверхновой типа Ia.
Второй основной тип сверхновых вызван гравитационным коллапсом ядра массивной (приблизительно от десяти до нескольких сотен масс Солнца) звезды на определенном этапе ее эволюции, когда запасов термоядерного топлива в ее недрах перестает хватать для обеспечения темпов реакции, необходимых для противодействия тяготению внешних слоев (скорость движения вещества ядра при этом коллапсе доходит до нескольких десятков процентов от скорости света). При этом ядро превращается в компактный объект — либо в нейтронную звезду, температура которой при формировании составляет около 100 миллиардов градусов Кельвина, либо в черную дыру. Вещество звезды с колоссальной скоростью падает на сколлапсировавшее ядро, а потом верхние слои отскакивают от нижних из-за увеличения давления — происходит взрыв.
При взрыве сверхновой обычно выбрасывается несколько солнечных масс вещества, движущегося со скоростью до нескольких процентов от скорости света. Мощность электромагнитного излучения сверхновой превышает таковую у звезд на 4–8 порядков. А светимость самой яркой сверхновой ASASSN-15lh превышала светимость Солнца примерно в 570 миллиардов раз, то есть по мощности излучения она превосходила целые галактики (например, наш Млечный Путь — в 20 раз).
Рис. 2. Сверхновая SN 1994D (яркая точка в левом нижнем углу) и ее родительская галактика NGC 4526, удаленная от нас примерно на 55 млн св. лет. Фото получено телескопом «Хаббл», с сайта eso.org
В ходе взрыва образуется ударная волна, проходящая по звезде и по окружающему ее межзвездному веществу. Оставшееся расширяющееся облако пыли и газа может затем наблюдаться в телескоп как туманность и называется остатком сверхновой. Сверхновые являются основным источником большинства элементов в межзвездной среде (от углерода до калифорния и даже еще более тяжелых элементов с трехзначными атомными номерами), а также — гипотетически — источником сильных гравитационных волн (пока, правда, наблюдались только гравитационные волны, возникшие при слиянии достаточно массивных черных дыр и/или нейтронных звезд).
Помимо этих двух основных механизмов теории предсказывают и более экзотические (вроде разрывания звезды черной дырой), которые пока по большей части остаются гипотетическими. Об одном из таких механизмов — сверхновой с захватом электронов (electron-capture supernova) — можно прочитать в новости Недостающая часть элементов «железного пика» синтезируется во взрывах очень плотных белых карликов («Элементы», 23.07.2021). Еще один экзотический механизм — термоядерный взрыв, спровоцированный столкновением звезды с массивным компактным объектом (черной дырой или нейтронной звездой). О нем и пойдет речь ниже.
В 2017 году радиотелескоп VLA (Very Large Array) зарегистрировал необычно мощный импульс радиоизлучения с пиком, приходящимся приблизительно на частоту 5 ГГц (что соответствует длине волны 6 см). Это событие получило обозначение VT J121001+495647. Произошло оно в карликовой галактике SDSS J121001.38+495641.7, находящейся чуть менее, чем в 500 миллионах световых лет от Земли.
Рис. 3. Массив радиотелескопов VLA (Very Large Array — Очень большая антенная решетка), находящийся в штате Нью-Мексико, США. Он располагается на высоте 2124 метра над уровнем моря. Y-образный массив состоит из двадцати восьми 25-метровых радиотелескопов, суммарная площадь принимающих антенн которых составляет 13 250 квадратных метров. VLA способен регистрировать излучение с длиной волны от 0,6 см (что соответствует частоте 50 ГГц) до 410 см (73 МГц), и имеет разрешение 120 угловых миллисекунд. Фото с сайта public.nrao.edu
Мощные импульсы радиоизлучения порождаются тем, что после взрыва сверхновой по разлетающемуся веществу взорвавшейся звезды проходят очень быстрые ударные волны. Вблизи своего фронта они разгоняют электроны до релятивистских скоростей и провоцируют их синхротронное излучение, которое приходится на радиодиапазон. До недавних пор только один из зарегистрированных ранее импульсов радиоизлучения, ассоциированный затем со сверхновой, был по мощности сопоставим с VT J121001+495647.
В опубликованной недавно статье группа исследователей из Израиля, Канады, США и Японии предположила, что этот радиоимпульс был вызван специфическим взрывом сверхновой, который был ранее предсказан теоретически, но никогда не наблюдался астрономами, — вспышкой сверхновой, произошедшей из-за столкновения звезды с нейтронной звездой или черной дырой. При таком сценарии столь мощный радиоимпульс может быть результатом взаимодействия разлетающегося после взрыва звездного вещества с достаточно плотной торической оболочкой газа, которая возникает в двойной системе из-за вытягивания вещества звезды плотным компактным компаньоном.
Рис. 4. Изображения участка неба, в котором был зарегистрирован радиоимпульс VT J121001+495647 (положение источника импульса указано «усами»). A — данные обзора FIRST (частота 1,4 ГГц), проведенного VLA в 1997 году: как видно, ничего особенного в этом месте нет. B — наблюдение импульса в 2017 году (частота 3 ГГц). C — оптическое изображение галактики SDSS J121001.38+495641.7, полученное телескопом «Хаббл». Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Около 70% звезд во Вселенной с массами, превышающими 8 масс Солнца, образуют двойные системы. В такой системе более массивная звезда через какое-то время взрывается как сверхновая, оставляя после себя сколлапсировавшее в нейтронную звезду или черную дыру ядро. Таким образом, если стабильность двойной системы не будет нарушена из-за резкого падения массы одного из компаньонов, может образоваться система, состоящая из звезды и массивного компактного компаньона.
Подобные системы достаточно стабильны и могут существовать миллионы или даже миллиарды лет. Но двойная система излучает гравитационные волны, теряя при этом энергию. Потеря энергии приводит к сокращению расстояния между объектами в двойной системе, и в какой-то момент компактный объект подходит к звезде-компаньону настолько близко, что вещество с ее поверхности начинает двигаться под действием гравитации в направлении компактного компаньона. Из-за этого у двойной системы возникает торическая или спиралевидная атмосфера из этого вещества, которая из-за ненулевого момента вращения начинает медленно удаляться от двойной системы. Характерный размер торической атмосферы составляет около одного триллиона километров, а плотность вещества в ней оценена исследователями примерно в миллион частиц газа на один кубический сантиметр.
Вытягивание вещества длится всего несколько сотен лет, так как для того, чтобы оно началось, необходимо, чтобы компактный компаньон подошел очень близко к звезде, а это происходит только на конечном этапе эволюции двойной системы. В конце концов нейтронная звезда или черная дыра соприкасается с поверхностью звезды, и дальнейшее движение ее к центру звезды вызывает дестабилизацию ядра и взрыв сверхновой. Компьютерное моделирование этого процесса очень сложно, поэтому у исследователей до сих пор нет детальной картины того, как конкретно происходит взаимодействие двух объектов в такой системе после погружения компактного объекта в «тело» звезды. Например, не ясно, происходит ли взрыв сразу после контакта поверхностей, или только когда компактный компаньон достигает ядра звезды. Возможно также, что он успевает сорвать все внешние слои вещества со звезды, а врезается уже в оголенное ядро.
После взрыва оболочка из разлетающихся остатков звезды начинает двигаться от ее центра со скоростью несколько тысяч километров в секунду (анализ импульса VT J121001+495647 показал, что относительная скорость в данном случае составляла приблизительно 2000 км/с). Когда она достигает торическую атмосферу, то начинает с ней активно взаимодействовать, порождая мощный радиоимпульс, который и был зарегистрирован в 2017 году.
Если гипотеза о природе радиоимпульса VT J121001+495647 верна, то за некоторое время до него должен был произойти полноценный взрыв сверхновой (следствием которого и стал этот импульс). И действительно, анализ архивов данных астрономических наблюдений показал, что в 2014 году (приблизительно за 3,5 года до регистрации события VT J121001+495647) рентгеновский телескоп MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image), смонтированный на японском модуле Международной космической станции, зарегистрировал короткий (продолжительностью около 15 секунд) импульс рентгеновского излучения GRB 140814A, превышающий по мощности излучение Солнца примерно в 10 триллионов раз и пришедший из той же точки на небесной сфере, что и радиоимпульс VT J121001+495647 (M. Serino et al., 2014. MAXI observations of gamma-ray bursts). Время, прошедшее между регистрацией (и, соответственно, излучением) радио- и рентгеновского импульсов, а также скорость, с которой двигалось вещество звезды по отношению к атмосфере двойной системы, хорошо совпало с ожиданиями, основанными на расчетах и моделировании. Таким образом, с достаточно высокой степенью уверенности можно говорить о том, что астрофизики впервые наблюдали вспышку сверхновой, порожденную новым механизмом — гравитационным коллапсом, спровоцированным слиянием с компактным объектом.
Источник: Dillon Z. Dong, Gregg Hallinan, Ehud Nakar, Anna Y. Q. Ho, Andrew K. Hughes, Kenta Hotokezaka, Steve T. Myers, Kishalay De, Kunal Mooley, Vikram Ravi, Assaf Horesh, Mansi M. Kasliwal, Shri R. Kulkarni. A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernova // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abg6037.