Что происходит непосредственно перед тем, как массивная звезда взорвется сверхновой? Чтобы выяснить это, астрономам нужно посмотреть на очень «молодые» сверхновые в разных длинах волн света. Именно это и произошло, когда в мае 2023 года произошла SN 2023ixf. Оказывается, ее стареющая звезда-прародитель перед смертью выбросила материал массой солнечной массы. Теперь главный вопрос: почему?
SN 2023ixf находится на расстоянии около 20 миллионов световых лет в галактике Вертушка. Это делает его довольно близким с космической точки зрения и позволило группе астрономов из Гарвардского центра астрофизики использовать широкий спектр телескопов для его изучения вскоре после взрыва. И это хорошо, что они сделали. Вскоре после первых наблюдений сверхновой, сделанных японским астрономом-любителем Коичи Итагаки, сверхновая значительно усилилась. Это было ожидаемо. Это происходит, когда ударная волна от взрыва достигает внешнего края звезды. Это называется «шоковым прорывом».
Фото: С. Гомес/STScI
Однако характеристики вспышки оказались не такими, как ожидали астрономы от типичной сверхновой с коллапсом ядра (Тип II). Казалось, что оно задерживается, и было неясно, почему. Многоволновые наблюдения выявили количество вещества, равное солнечному, которое было выброшено до взрыва.
Понимание потери массы сверхновых в сверхмассивных звездах
«Замедленный прорыв шока является прямым свидетельством присутствия плотного материала в результате недавней потери массы», — сказал постдокторант CfA Даичи Хирамацу Хирамацу, который руководил наблюдениями. Он отметил, что такая чрезвычайная потеря массы нетипична для сверхновых типа II. «Наши новые наблюдения выявили значительную и неожиданную потерю массы — близкую к массе Солнца — в последний год перед взрывом».
Когда звезды стареют, они теряют массу. Это происходит, когда звезда проходит различные стадии ядерного синтеза (часто называемого «горением») в своем ядре. Водород превращается в гелий и так далее. Это произойдет с Солнцем примерно через 5 миллиардов лет. В результате она расширится и начнет терять массу из-за звездного ветра. По сути, каждый элемент становится топливом для следующего этапа активности ядра, и каждый этап нагревает звезду, заставляя ее расширяться и терять массу.
Звезды, которым суждено превратиться в сверхновые с коллапсом ядра, проходят через все более тяжелые элементы на последовательных стадиях процессов сжигания гелия, углерода и кремния. Процесс термоядерного синтеза продолжается в звезде до тех пор, пока не израсходуется железо (Fe). Для переработки железа требуется больше энергии, и процесс ядерного синтеза останавливается. Ядро коллапсирует и вместе с ним разрушаются все слои звезды. Затем материал сталкивается с ядром и отскакивает. Это посылает ударную волну через звезду и вызывает последний взрыв. Именно это произошло с красной звездой-сверхгигантом, которая была прародительницей SN 2023ixf, и ее огненным взрывом.
Когда умер SN 2023ixf
Это общая теория, лежащая в основе активности сверхновых с коллапсом ядра. Однако астрономы до сих пор многое не понимают в процессе, приведшем к финальному катастрофическому событию. А странная кривая блеска SN 2023ixf, связанная с ее ударным выбросом, бросает вызов этой традиционной теории. Наблюдения за этой молодой сверхновой, похоже, указывают на некоторые странные нестабильности внутри звезды в последний год ее жизни. Эта нестабильность привела к тому, что астрономы называют «чрезвычайной потерей массы». Это крайность, потому что, как правило, звезда-прародитель сверхновой испытывает некоторую потерю своих внешних материальных оболочек. Но потеря стоимости Sun — это довольно много.
Фото: Мелисса Вайс/CfA
Возможно, предполагаемая нестабильность началась в ядре, когда оно начало сжигать элементы с большей массой (такие как кремний). Горение кремния требует более высоких температур в ядре, но может также произойти взрывом в областях за пределами ядра. Это может привести к нестабильности, которая спровоцирует более высокий, чем ожидалось, период потери массы непосредственно перед окончательной смертью звезды.
Отслеживание плотности потери массы звезды-прародителя SN 2023ixf
Что бы ни вызвало потерю массы, материал Солнца оказался намного плотнее, чем ожидалось. Подсказка кроется в кривой блеска, образовавшейся при столкновении с ней выброса сверхновой. Наблюдения, сделанные гарвардским астрономом Эдо Бергером с использованием субмиллиметровой решетки CfA, отследили столкновение выброса сверхновой и плотного облака материала. Они обнаружили, что это сложная, вероятно, несферическая форма, и планируют продолжить наблюдение за этим местом, чтобы увидеть, как оно развивается.
«Единственный способ понять, как ведут себя массивные звезды в последние годы своей жизни вплоть до момента взрыва, — это обнаружить сверхновые, когда они очень молоды и желательно поблизости, а затем изучить их на разных длинах волн», — сказал Бергер. «Используя как оптические, так и миллиметровые телескопы, мы эффективно превратили SN 2023ixf в машину времени, чтобы восстановить то, что делала ее звезда-прародитель до момента своей смерти».
Астрономы проследили смерть звезды
Открытие этой сверхновой и продолжающиеся исследования также свидетельствуют о хорошем партнерстве между любительскими и профессиональными астрономическими сообществами. Итагаки обнаружил сверхновую 19 мая 2023 года в своей частной обсерватории в Окаяме, Япония. Данные Итагаки, а также наблюдения других любителей помогли определить время взрыва с точностью до двух часов. Это позволило астрономам из CfA и других обсерваторий получить преимущество в регистрации событий почти сразу же после их начала. Астрономы CfA продолжают работать с Итагаки над текущими оптическими наблюдениями.
«Сотрудничество между астрономами-любителями и профессиональными астрономами имеет давнюю традицию успеха в области изучения сверхновых», — сказал Хирамацу. «В случае с SN 2023ixf я получил срочное электронное письмо от Коичи Итагаки, как только он обнаружил SN 2023ixf. Без этих отношений, а также работы и самоотверженности Итагаки мы бы упустили возможность получить критическое понимание эволюции массивных звезд и взрывов их сверхновых».
В будущем астрономы надеются, что смогут изучить звезды-прародители сверхновых еще до финального пожара. Это должно рассказать больше о деятельности внутри сверхмассивных звезд, которые производят сверхновые, такие как SN 2023ixf.
Для дополнительной информации
Экстремальная потеря веса: звезда потеряла неожиданное количество массы прямо перед тем, как стать сверхновой
От открытия до первого месяца сверхновой типа II 2023ixf: высокая и переменная потеря массы в последний год перед взрывом
Миллиметровые наблюдения SN 2023ixf типа II: ограничения на ближайшую околозвездную среду
