Невидимое эхо сверхновых: как гамма-лучи раскрывают тайны космических взрывов
Что может быть мощнее взрыва звезды? Сверхновые — это не просто ослепительные катаклизмы, озаряющие космос на месяцы. Они играют ключевую роль в жизни Вселенной: создают тяжелые элементы и рассеивают их в пространстве, где те становятся строительным материалом для новых поколений звезд и планет.
Их ударные волны, сжимая окружающий газ, могут запускать процесс звездообразования. Каждый раз, когда рождается звезда, Вселенная бросает кости, и если выпадает нужная комбинация, вокруг нее может возникнуть планета, способная породить жизнь. Именно поэтому астрофизики с таким интересом изучают вспышки сверхновых (SN).
Взрыв сверхновой — это далеко не простой и аккуратный процесс. Звезда существует в состоянии хрупкого баланса между давлением излучения изнутри и силой гравитации, сжимающей ее. Как наше Солнце, звезда может пребывать в этом равновесии миллиарды лет. Но по мере того как звезда превращает водород в гелий, она необратимо теряет массу.
Эта потеря массы приводит к неустойчивости. Стареющие звезды проходят через пульсации, выбрасывая волны вещества, которые формируют вокруг звезды околозвездную среду (CSM). Конвульсии, разрывающие звезду, выбрасывают в пространство все больше материала, образуя плотные оболочки. В конечном итоге звезда, масса которой в несколько раз превышает солнечную, уже не может противостоять собственной гравитации и коллапсирует, порождая мощный взрыв.
Заключительный взрыв высвобождает ударную волну, которая с огромной силой обрушивается на CSM. Моделирование звездных ветров в этой ударной волне всегда было сложной задачей. А между тем, именно взаимодействие ударной волны с CSM генерирует большую часть света, который мы видим от сверхновой.
Астрофизики упорно трудились над моделями этих ветров, и предыдущие версии представляли их как steady-state плавную силу. Однако наблюдения не всегда это подтверждали. Новое исследование смоделировало эти ветра с учетом большей сложности их структуры при столкновении с CSM. Результаты моделирования могут предложить новый способ наблюдения и изучения взрывов сверхновых.
Исследование под названием «Взаимодействующие сверхновые и где их искать» будет опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics, а его препринт уже доступен в архиве arXiv. Его ведущий автор — Роберт Броуз из Института физики и астрономии Потсдамского университета (Германия).
«Раннее взаимодействие ударных волн сверхновой с околозвездным материалом потенциально способно ускорять частицы до энергий в петаэлектронвольты (ПэВ), хотя это еще не было обнаружено», — пишут исследователи. — «Современные модели этого взаимодействия предполагают, что ударная волна расширяется в плавный, свободно расширяющийся звездный ветер, однако многоволновые наблюдения многих сверхновых не поддерживают это предположение».
Броуз и его коллеги развили работы предшественников, смоделировав ударные волны, сталкивающиеся с CSM, имеющей более сложный профиль плотности, а не с гладкой и однородной. Они включили в модель плотные, многослойные оболочки CSM на разных расстояниях от звезды-прародителя сверхновой.
«Мы стремимся предсказать гамма- и многоволновые сигнатуры околозвездного взаимодействия», — объясняют они.
Ключевые открытия и график
Ученые обнаружили, что взаимодействие ударной волны с CSM может приводить к значительному росту производства гамма-лучей от остатка сверхновой. Это повышенное гамма-излучение может сохраняться длительное время, а его пик может наступать спустя годы после взрыва. Для некоторых типов остатков, например, от сверхновых Type-IIP и Type-IIn, светимость может превышать светимость от гладких звездных ветров на несколько порядков.
Сверхновые Type IIn — это сверхновые с коллапсом ядра, имеющие узкие линии водорода в спектре. Большая часть их света исходит от взаимодействия ударной волны с плотной оболочкой CSM. В сверхновых Type IIP буква «P» означает «плато» — их светимость достигает постоянного уровня перед тем, как начать снижаться.
«Для взрывов Type-IIP пик кривой блеска достигается лишь спустя годы после взрыва, когда ударная волна добирается до околозвездной оболочки», — пишут авторы.
Новая стратегия наблюдений
Критически важный результат работы касается гамма-лучей, рождающихся в самых энергичных процессах сверхновой. Они несут уникальную информацию: разные изотопы, созданные в ударной волне, производят гамма-лучи с характерными «отпечатками пальцев», которые объясняют, какие ядерные реакции происходят. В сверхновых с коллапсом ядра гамма-лучи могут также раскрывать процессы, идущие в центральном «двигателе» взрыва. Данная работа показывает, что пик гамма-излучения может наступать гораздо позже, чем считалось.
Исследование демонстрирует, что гамма-лучи от таких событий должны быть обнаружены на расстоянии десятков мегапарсек, по крайней мере, для некоторых типов звезд-предшественников. Броуз и его коллеги предлагают новую наблюдательную стратегию: использовать высокочастотные оптические обзоры для первоначального обнаружения и непрерывный мониторинг в радио- и миллиметровом диапазонах. Таким образом можно будет находить перспективные цели для последующих наблюдений на гамма-обсерваториях.
На сегодняшний день очень мало сверхновых было initially обнаружено именно по их гамма-излучению. Обычно их сначала засекают телескопы, работающие в других диапазонах, и лишь затем гамма-обсерватории наводятся на цель. Это исследование предлагает иной подход.
«Запаздывающий пик гамма-излучения противоречит текущим стратегиям наблюдений на черенковских телескопах (IACTs)», — отмечают авторы. IACTs (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) регистрируют гамма-лучи, когда те взаимодействуют с атмосферой Земли, и позволяют физикам детектировать их в энергетических диапазонах, недоступных для орбитальных телескопов.
«Оценив тепловое излучение в оптическом и рентгеновском диапазонах, которое также достигает пика после гамма-всплеска, мы определяем высокочастотные оптические обзоры как потенциально подходящий инструмент для обнаружения самых экстремальных сверхновых Type IIP, взаимодействующих с плотными оболочками», — поясняют исследователи.
Это открытие меняет наше представление о «жизни после смерти» звезды. Если самые энергичные сигналы от взрыва приходят с таким опозданием, это означает, что остатки сверхновых остаются активными физическими лабораториями гораздо дольше, чем мы думали. Долгоживущее гамма-излучение — это ключ к пониманию того, как ударные волны перерабатывают вещество в космосе, как формируются гигантские магнитные поля и как рождаются космические лучи сверхвысоких энергий.
Предложенная стратегия наблюдений открывает новую главу в охоте за сверхновыми. Вместо того чтобы ждать, пока гамма-телескопы случайно что-то зафиксируют, астрономы теперь могут целенаправленно искать в оптическом и радио-диапазонах «кандидатов», которые с большой вероятностью проявят себя мощным гамма-излучением спустя годы. Это превращает хаотичный поиск в систематическую охоту, где каждая новая обнаруженная сверхновая с запоздалым гамма-эхом станет уникальным окном в сердце одного из самых грандиозных явлений во Вселенной.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
