Первая сверхновая, обнаруженная благодаря её рентгеновскому излучению, имеет невероятно мощный источник энергии в своём ядре. Это совершенно уникальное явление, подобного которому раньше никогда не наблюдали.

Событие, подобное AT2018cow, теперь известное как FBOT (Fast Blue Optical Transients) или «Cow-подобные события», считается результатом ударной волны, вызванной прорывом из «кокона» сверхновой. На сегодняшний день обнаружено пять таких событий, и сейчас ведутся активные исследования, чтобы точно определить, что их вызывает и что делает их настолько уникальными. «Новая физика», которую некоторые предлагали ввести, совершенно не требуется для объяснения этого класса объектов.

Время от времени во Вселенной происходят звёздные катаклизмы, которые приводят к гибели звезды. Наиболее распространённый тип катаклизма — это сверхновая с коллапсом ядра, когда внутренняя часть массивной звезды схлопывается, что приводит к неконтролируемой реакции термоядерного синтеза и мощному взрыву. В этот момент энергия, излучаемая звездой, может временно затмить яркость обычной звезды в миллиарды раз. Однако именно более редкие типы звёздных катаклизмов — сверхяркие сверхновые, гиперновые, события приливного разрушения и даже более экзотические взрывы — могут сиять ярче всего, что мы когда-либо наблюдали.

В 2018 году впервые был обнаружен новый класс взрывов, получивший название «Корова» (англ. "Cow"). Это событие было автоматически зафиксировано системой, которая отслеживает небо в поисках неожиданных вспышек или потускнений. Его случайно сгенерированное имя оказалось AT2018cow, где последние три буквы случайно совпали с английским словом "cow" (корова). Сегодня это событие стало прототипом для нового класса взрывов, происходящих во Вселенной. Недавно было обнаружено ещё одно событие из этого же класса "Cow", но впервые оно было зафиксировано не по видимому свету, а по впечатляющему рентгеновскому излучению. Это событие, известное как AT2020mrf, буквально «осветило» Вселенную рентгеновскими лучами на миллиарды световых лет, включая и нас.

Вот научное объяснение того, что произошло.

Этот разрез демонстрирует различные области поверхности и внутренней части Солнца, включая ядро, где происходит термоядерный синтез. Со временем область ядра, в которой происходит термоядерный синтез, расширяется, что приводит к увеличению энерговыделения Солнца. Подобный процесс происходит в недрах всех звёзд.

В процессе своей жизненной деятельности звезды преобразуют массу в энергию посредством термоядерного синтеза. Сталкивая лёгкие атомные ядра под огромными давлениями и температурами, они запускают образование более тяжёлых атомных ядер. Если бы вы взвесили общую массу ядер до синтеза и после, то обнаружили бы, что продукты синтеза имеют немного меньшую массу, чем исходные ядра.

Куда делась эта масса? Она превратилась в энергию в соответствии с самым известным уравнением Эйнштейна: E = mc².

Когда AT2018cow впервые была обнаружена, она выглядела как быстро усиливающееся высокотемпературное событие, похожее на сверхновую, но с некоторыми необычными особенностями. Среди этих особенностей:

обильное обнаружение железа;
чрезвычайно яркое свечение в ультрафиолетовом диапазоне;
яркость, примерно в десять раз превышающая яркость обычной сверхновой;
излучение на всех длинах волн, от рентгеновских до радиоволн;
признаки того, что событие было окружено очень плотным материалом, через который проходила чрезвычайно быстрая ударная волна.

Довольно долгое время это событие было загадкой, которую было сложно объяснить.

Единственное объяснение события AT2018cow, которое соответствует всем наблюдаемым данным, — это сверхновая, заключённая в «кокон», которая переживает прорыв ударной волны. Хотя многие детали этого сценария ещё предстоит уточнить, данное объяснение остаётся согласованным для всех пяти известных событий, подобных "Cow".

Однако, объединив множество наблюдений из различных обсерваторий, учёные смогли составить последовательную картину происходящего. Одно из возможных объяснений заключалось в том, что это событие было связано с приливным разрушением звезды, когда гравитационное взаимодействие с массивным, но компактным объектом разрывает звезду на части. Однако долговременный характер рентгеновского излучения указывал на то, что остался некий объект, который продолжал его питать, что исключало эту гипотезу. Вместо этого, возможно, это всё же была сверхновая, но находящаяся в необычной среде, окружённая плотным коконоподобным слоем газа.

С этим осознанием все части головоломки встали на свои места. Если бы вокруг звезды, приближающейся к концу своей жизни, существовал кокон из газа, то:

начальная сверхновая вызвала бы ударную волну, воздействующую на окружающий кокон;
материал кокона нагрелся бы до чрезвычайно высоких температур;
поступившая энергия вызвала бы «прорыв», создав экстремальную яркость, быстрое увеличение светимости и сверхбыструю ударную волну;
остаток сверхновой, к примеру нейтронная звезда, продолжал бы выдавать энергию в течение длительного времени после первоначального взрыва.

Этот новый класс объектов теперь известен не только как события класса "Cow", но и как FBOT (Fast Blue Optical Transients) — быстрые голубые оптические транзиенты.

На этом изображении показан остаток сверхновой SN 1987a в шести различных диапазонах длин волн света. Несмотря на то, что с момента этого взрыва прошло 35 лет, и хотя он произошёл «по соседству» с нами, материал вокруг центрального источника энергии ещё не рассеялся настолько, чтобы обнажить остаток звезды. Для сравнения, у объектов, подобных "Cow", ядра становятся видимыми почти сразу после взрыва.

Что позволяет причислить взрыв к быстрым голубым оптическим транзиентам (FBOT)?

Быстрый: у объекта должна резко увеличиться яркость.
Голубой: большая часть энергии должна приходиться на ультрафиолетовую часть спектра.
Оптический: должно наблюдаться значительное увеличение яркости в видимой части спектра.
Транзиент: выделение энергии со временем должно изменяться: яркость увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается и исчезает.

На самом деле существуют целые обсерватории, специализирующиеся на наблюдении транзиентных объектов. Они периодически снимают одну и ту же часть неба, а затем автоматически анализируют изменения, сравнивая снимки. Если что-то стало ярче, тусклее, появилось, исчезло или изменилось каким-либо другим образом (например, изменив положение или цвет), это событие «помечается» как кандидат в транзиенты. Однако почти все автоматические поиски транзиентов ограничены наблюдениями в видимом свете.

48-дюймовый телескоп имени Самуэля Ошина на горе Паломар используется для сбора данных в рамках проекта Zwicky Transient Facility (ZTF). Несмотря на то, что это всего лишь 48-дюймовый (1,3-метровый) телескоп, его широкое поле зрения и высокая скорость наблюдений позволяют обнаруживать изменения в оптическом диапазоне на ночном небе, которые практически невозможно заметить с помощью других обсерваторий.

Это одна из причин, почему новое событие AT2020mrf является таким впечатляющим. Оно было впервые обнаружено в июле 2020 года не одной из обсерваторий, специально созданных для поиска оптических транзиентов, а совершенно другим типом телескопа — рентгеновским телескопом Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG). Этот рентгеновский телескоп уникален среди всех современных рентгеновских обсерваторий по многим причинам, но самая впечатляющая заключается в том, что это единственный телескоп, который планирует многократно сканировать всё небо.

Телескоп Spektrum-Roentgen-Gamma завершил свой первый полный обзор неба в июне 2020 года и сразу же приступил ко второму сканированию из запланированных восьми. Основная цель многократного сканирования неба — снова искать изменения, так как они указывают на астрономические события, представляющие интерес. В июле 2020 года, в самом начале второго сканирования, было обнаружено нечто удивительное: совершенно новый источник рентгеновского излучения, которого не было всего шесть месяцев назад, не только появился, но и оказался невероятно ярким.

На этом изображении показано местоположение AT2020mrf, зафиксированное рентгеновским телескопом eROSITA. На правой панели видно обнаружение нового источника в период с 21 по 24 июля 2020 года. На левой панели видно, что шесть месяцев назад этого источника не было.

Насколько ярким оно было? У исходного события "Cow" (AT2018cow) была значительная яркость в рентгеновском диапазоне для сверхновой. Однако AT2020mrf оказалось в 20 раз ярче в рентгеновском свете. Кроме того, оба события демонстрировали существенную, но нерегулярную изменчивость рентгеновской яркости, которая менялась на временных масштабах менее суток.

Это заставило астрономов задуматься: возможно ли, что это новое событие также относится к классу FBOT? Если да, то в том же месте должен был наблюдаться оптический транзиент. Они тщательно изучили данные Zwicky Transient Facility, чтобы проверить это.

Действительно, за 35 дней до того, как телескоп SRG обнаружил яркое рентгеновское событие, произошло увеличение яркости в оптическом диапазоне, как и в случае других FBOT, включая "Cow". Это событие также обладало другими особенностями, которые делали его чрезвычайно интересным:

очень высокая температура около 20 000 К;
признаки излучения, указывающие на очень высокую скорость, около 10% скорости света (что намного быстрее, чем у обычной сверхновой, где скорость составляет 2-3% скорости света);
яркое радиоизлучение.

Возможно, самое интересное — это то, что событие произошло в очень маленькой карликовой галактике с низкой массой, содержащей всего около 100 миллионов звёзд, или менее 0,1% массы Млечного Пути.

На этом графике показаны массы и скорости звёздообразования галактик, в которых были обнаружены все пять зарегистрированных событий FBOT. Все они значительно уступают Млечному Пути как по массе, так и по яркости.

Событие AT2020mrf стало пятым, соответствующим всем критериям FBOT, и, что удивительно, все пять событий произошли в карликовых галактиках, где идёт активное звёздообразование. Это один из тех наблюдаемых феноменов, которые заставляют астрономов задуматься и отметить: «Это странно», поскольку сейчас у нас нет объяснения этому.

Итак, что делать, если вы учёный, столкнувшийся с загадкой, которую не можете объяснить, и объект находится на расстоянии около 2 миллиардов световых лет?

Вы используете самые чувствительные телескопы во всех диапазонах длин волн, которые могут содержать полезную информацию, и продолжаете наблюдать за событием, надеясь узнать больше о его природе и происхождении из подсказок, которые раскрываются со временем. Вооружившись знанием о том, что они обнаружили потенциально уникальный Быстрый Голубой Оптический Транзиент, группа учёных под руководством Юхань Яо из Калифорнийского технологического института подала заявку и получила время для наблюдений на рентгеновском телескопе «Чандра» от NASA. Хотя это время было выделено только в июне 2021 года, ожидание того стоило.

Рентгеновское излучение самого нового и мощного события типа Cow, AT2020mrf, показано красными звёздами. Первое наблюдение было сделано с помощью обсерватории Spektrum-Roentgen-Gamma, а два последних — с помощью рентгеновской обсерватории «Чандра». Обратите внимание, насколько больше эти энергии, чем у всех других событий, подобных Cow, — чёрным, оранжевым и фиолетовым цветом выделено это событие.

Спустя 328 дней после начала взрыва рентгеновский телескоп НАСА «Чандра» направил свой взор на этот объект, находящийся на расстоянии ~2 миллиардов световых лет. Примечательно, что в течение первых шести часов наблюдений «Чандра» увидела 29 отдельных рентгеновских фотонов, исходящих от этого объекта, — поразительно большое число. Во втором шестичасовом окне наблюдений было обнаружено ещё 10 рентгеновских фотонов. Эти два наблюдения, проведённые почти через год после первого взрыва, указывают на ряд примечательных фактов:

Поток рентгеновского излучения, исходящий от этого объекта, должен быть совершенно колоссальным; примерно в 200 раз больше, чем AT2018cow светилась в рентгеновском свете в соответствующий период своей эволюции.
Рентгеновские лучи делают его, безусловно, самой яркой сверхновой типа Cow из когда-либо наблюдавшихся в рентгеновском диапазоне.
Она демонстрирует разнообразие быстрых голубых оптических переходных процессов, поддерживая при этом модель распада сверхновых в коконе.
Он показывает, что даже спустя целый год после того, как предполагаемая сверхновая впервые произошла, быстрая рентгеновская изменчивость на временном масштабе ~1 день или меньше всё ещё сохраняется.
Единственный способ, которым рентгеновский поток может оставаться таким большим так долго после взрыва сверхновой, — это если он питается от всё ещё активного источника энергии, который, по предположению авторов, может быть либо аккрецирующей чёрной дырой, либо чрезвычайно быстро вращающейся, сильно намагниченной нейтронной звездой — миллисекундным магнетаром.

На этом снимке художника изображена сверхновая и связанный с ней гамма-всплеск, вызванный быстро вращающейся нейтронной звездой с очень сильным магнитным полем — экзотическим объектом, известным как магнетар. Предполагается, что события типа Cow, или быстрые голубые оптические переходные процессы, также приводятся в движение либо аккрецирующей чёрной дырой, либо миллисекундным магнетаром, подобным этому, но вместе с ними возникают не гамма-всплески, а рентгеновское излучение.

Но даже несмотря на всё это, мы вынуждены сожалеть о том, чего нам не хватает: возможности наблюдать подобные события непрерывно, по всему небу, в различных диапазонах длин волн, с высоким разрешением. У нас есть только ряд измерений оптической яркости с низким разрешением и низкой чувствительностью, поскольку недостаток крупномасштабных наблюдений переходных процессов заключается в том, что они обменивают чувствительность и разрешение на скорость. У нас нет рентгеновских данных о начальном усилении яркости, поскольку мы наблюдали эту область только через 35-37 дней после пика начальной яркости, и у нас нет данных между наблюдениями SRG и рентгеновскими наблюдениями «Чандры»: разрыв составляет почти 300 дней.

Мы знаем, что рентгеновское излучение уменьшилось, но не знаем, как оно уменьшилось. Мы знаем, что в событии AT2018cow присутствовали и водород, и гелий, но не знаем, были ли они в этом событии, поскольку уже слишком поздно проводить критически важные последующие наблюдения. И мы не знаем, является ли значительный, рекордный рентгеновский выброс, впервые замеченный SRG — опять же, более чем через месяц после пика оптической яркости — настоящим пиком выброса или это просто было в целом ещё более яркое событие.

В обычной сверхновой (слева) множество окружающего материала препятствует обнажению ядра даже спустя годы или десятилетия после взрыва. Однако в случае сверхновой типа Cow обильный материал, окружающий звёздное ядро, разрывается, обнажая ядро в кратчайшие сроки

В конце концов, этот новый объект, похоже, вызывает больше вопросов, чем даёт ответов. По словам самого Яо:

«Когда я увидел данные "Чандры", я сначала не поверил анализу. Я повторил анализ несколько раз. Это самая яркая сверхновая Cow, наблюдавшаяся до сих пор в рентгеновских лучах. [...] В событиях типа Cow мы до сих пор не знаем, почему центральный источник энергии так активен, но, вероятно, это связано с тем, что тип звезды-прародительницы отличается от обычных».

Обычно, когда звёзды идут по пути к сверхновой, они выбрасывают большое количество материала, а затем, когда ядро схлопывается, введённая энергия должна распространиться через этот материал, сотрясая его, возвращаясь и т.д., задерживая появление первоначального света на часы. Но у этих FBOT, событий типа «Cow», ядра разорванных на части звёзд быстро обнажаются, а окружающие их обломки удаляются. Никто не знает, почему. Они встречаются только в звездообразующих областях вокруг карликовых галактик, и мы не понимаем, почему так происходит. И хотя AT2020mrf очень похожа на оригинальную Cow, AT2018cow в оптическом диапазоне длин волн, в рентгеновских лучах она в сотни раз ярче.

Каким бы ни было решение этой головоломки, мы сможем его найти, только обнаружив и более тщательно изучив ещё больше таких событий. С учётом того, что на подходе более совершённые рентгеновские обзоры всего неба, лучшим вариантом для нас, как всегда, является проведение более полного комплекса научных исследований. Только так мы сможем достоверно узнать, что именно происходит во Вселенной.

Рекордная сверхновая смогла «просветить» всю Вселенную рентгеновскими лучами