У мёртвых звёзд есть множество способов взорваться. Астрономы обнаружили это взрывное разнообразие, когда оценили 3628 взрывающихся белых карликов в ходе обзора неба нового поколения, проведённого с помощью Zwicky Transient Facility (ZTF) в период с марта 2018 по декабрь 2020 года.
Набор данных о близко расположенных к нам сверхновых в несколько раз превышает по количеству предыдущие аналогичные выборки. Это важнейшее событие в нашем понимании жизненного цикла звёзд с массой, подобной солнечной, которые после гибели образуют белые карлики. Лучшее понимание сверхновых типа Ia может помочь разгадать тайну тёмной энергии — странной силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением.
Уже три десятилетия эти взрывающиеся звёздные остатки являются неотъемлемой частью измерения космических расстояний. Изучение их разнообразия может помочь астрономам сравнить эти сверхновые друг с другом и уточнить наше понимание тёмной энергии.
«Разнообразие способов взрыва белых карликов гораздо больше, чем предполагалось ранее. У нас есть взрывы, которые варьируются от настолько слабых, что их почти не видно, до достаточно ярких, чтобы наблюдать их в течение многих месяцев и даже лет, — говорит руководитель группы Кейт Магуайр из Тринити-колледжа в Дублине. — Благодаря уникальной способности ZTF быстро и глубоко сканировать небо, удалось обнаружить новые взрывы звёзд, которые в миллион раз тусклее, чем самые тусклые звёзды, видимые невооружённым глазом».
Как взрываются белые карлики
Белые карлики появляются, когда звёзды с массой, сравнимой с солнечной, исчерпывают запасы водорода в своих ядрах. Окончание процесса слияния водорода с гелием также приводит к прекращению отдачи энергии наружу – этот процесс уравновешивает давление звезды, работающее благодаря её гравитации.
Ядро разрушается, а внешние слои звёзд сбрасываются. В результате остаётся тлеющее звёздное ядро, или белый карлик, окружённый расширяющимся в космос облаком бывшего звёздного вещества.
Когда Солнце пройдёт через этот процесс примерно через 5 миллиардов лет, оно проведёт остаток своего существования в виде одинокого белого карлика — но не у всех мёртвых звёзд такая одинокая жизнь.
Около 50% звёзд с массой около солнечной существуют в бинарной системе с другой звездой. Это означает, что большая часть белых карликов также существует в двойных системах.
Ключевым результатом исследования команды стало подтверждение того, что существует множество экзотических способов, с помощью которых белые карлики могут рвануть, и в этих процессах участвуют партнёры таких мёртвых звёзд по бинарным системам.
Две солнцеподобные звезды в двойной системе скорее всего образовались примерно в одно и то же время из одного и того же схлопывающегося облака газа и пыли. Поэтому вполне естественно ожидать, что обе звезды эволюционируют в белые карлики примерно в одно и то же время.
В результате образуется бинарная звёздная система с двумя белыми карликами, вращающимися вокруг друг друга. Постепенно эти звёздные остатки становятся все ближе и ближе друг к другу, пока не сталкиваются и не сливаются. Это может спровоцировать сверхновую двумя способами.
Во-первых, само столкновение может привести к образованию более крупного белого карлика и сверхновой типа Ia. Или же из образовавшегося звёздного остатка может родиться «дочерний» остаток, масса которого более чем в 1,4 раза превышает массу Солнца. Эта масса очень важна, поскольку она является пределом Чандрасекара, при превышении которого звезда может взорваться в сверхновой с коллапсом ядра и породить нейтронную звезду.
Если белый карлик находится в бинарной системе с «нормальной» звездой главной последовательности, которая ещё не превратилась в белого карлика или нейтронную звезду, у него также есть возможность стать сверхновой.
Если белый карлик и его звезда-компаньон находятся достаточно близко, или если звезда главной последовательности входит в фазу «красного гиганта» и раздувается, то этот звёздный остаток может перетянуть материал от своего партнёра. «Вампирская» звёздная подпитка продолжается до тех пор, пока донорская масса не вытолкнет массу белого карлика за предел Чандрасекхара, что приведёт к появлению сверхновой типа Ia, которая обычно уничтожает белый карлик.
Бывают редкие случаи, когда белый карлик не уничтожается в такой сверхновой после переедания, а превращается в опустошённую «звезду-зомби». Такие события называются сверхновыми типа Iax.
Сверхновые типа Ia полезны для астрономов тем, что их стандартные световые потоки позволяют измерять космические расстояния. Их называют «стандартными свечами», а это значит, что сверхновые типа Ia можно использовать для отслеживания ускорения расширения Вселенной в результате действия тёмной энергии. Фактически, именно наблюдения за сверхновыми типа Ia привели к открытию тёмной энергии в 1998 году.
Было бы неплохо, если бы подобные исследования взрывающихся белых карликов помогли стандартизировать эти сверхновые, и позволили учёным наконец-то разгадать эту загадку, которая не даёт им покоя уже более 26 лет.
Однако, чтобы использовать сверхновые типа Ia таким образом и исследовать тёмную энергию, исследователям важно понять, какие у этих событий могут быть варианты. На помощь пришла команда астрономов и ZTF.
В ходе изучения разнообразия сверхновых типа Ia команда обнаружила подгруппы и экстремальные объекты, которые можно использовать для исследования сходства характеристик или «однородности» сверхновых в их выборке.
Исследователи также смогли проследить, как сверхновые типа Ia различаются в зависимости от среды, в которой они вспыхивают. В частности, была ли эта область заполнена молодыми или старыми звёздами, или в ней было много межзвёздной пыли или газа, вырванного из звезды-компаньона?
Это позволило уточнить, какие сверхновые наиболее похожи друг на друга и, следовательно, должны использоваться для расчётов космических расстояний.
«В течение последних пяти лет группа из тридцати экспертов со всего мира собирала, компилировала и анализировала эти данные. Теперь мы предоставляем их всему сообществу, — сказал в отдельном заявлении Микаэль Риго, исследователь из Лионского института де Инфини и глава научной рабочей группы ZTF по космологии. — Эта выборка настолько уникальна по размеру и однородности, что мы ожидаем: она окажет значительное влияние на область космологии сверхновых и приведёт к множеству новых открытий в дополнение к уже опубликованным нами результатам».
Результаты исследования были опубликованы в серии статей, опубликованных в специальном выпуске журнала Astronomy & Astrophysics.
