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 являет��я 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 зве��да-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 космически�� 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.
