Новые сверхновые или первые результаты Pan-STARRS

Международная группа астрофизиков, имеющая доступ к данным системы телескопов Pan-STARRS, обнаружила нескольких необычных сверхновых, в 15 раз более ярких, чем их известные аналоги.

Для начала о том, что такое Pan-STARRS: это все еще строящаяся на Гавайях обсерватория. В конечном варианте она будет состоять из четырех телескопов, которые должны следить за так называемыми транзиентами, то есть непериодическими переменными объектами, такими как вспышки сверхновых, гамма-всплески, метеориты, космический мусор, кометы. Кстати, именно в связи с кометой вы, скорее всего, впервые услышали аббревиатуру Pan-STARRS — это она обнаружила комету

, которую можно было наблюдать невооруженным глазом в марте 2013 года. Размеры главного зеркала телескопа не поражают воображение — всего 1,8 метра, оно не входит даже в двадцатку

телескопов. Но огромная матрица в 1,4 миллиарда пикселей и удачное расположение — на вершине горы Мауна Кеа на Гавайях — позволяют видеть объекты до 24,5 звездной величины, то есть примерно в 10 раз более тусклые, чем могут различить существующие широкоугольные телескопы. Первый телескоп начал систематические наблюдения в мае 2010 года, второй телескоп уже готов и проходит период наладки. В целом строительство должно было обойтись примено в 100 миллионов долларов. И, несмотря на участие в проекте таких больших организаций как Общество Макса Планка, Гарварда, Тайваньского университета, трех британских университетов, сейчас есть некоторая неопределенность с финансированием. Так что о строительстве третьего и четвертого телескопов пока даже не объявлено. Но и один такой телескоп способен выдавать данные, используемые в работах мирового уровня.

Вообще, в ближайшее время можно ожидать вал статей на основе данных Pan-STARRS — все изображения должны выложить в открытый доступ в течение месяца, так что прямо сейчас в набор спешно сдаются работы тех научных групп, что непосредственно имели наблюдательное время на телескопе, чтобы использовать свой приоритет доступа к данным. Ну а сразу после открытия доступа должна пойти вторая волна публикаций, где снимки Pan-STARRS будут использованы во всех областях современной астрофизики — для уточнения орбит малых космических тел, слежения за переменными звездами (в том числе в других галактиках) и дальше, в область космологии, с ее проблемами расширения Вселенной, темной материи и уточнения космологических параметров.

Но вернемся к статье. Она принята к публикации в один из самых престижных астрономических журналов, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, и опирается на результаты данных наблюдений всего 70 квадратных градусов. Напомню, что полная площадь неба  41253 квадратных градуса, а Pan-STARRS, работающий в полную силу, будет видеть две трети неба. Использование такого небольшого участка неба объяснимо понятным желанием «застолбить» тему — (мы помним, что совсем скоро эти данные сможет скачать себе на компьютер любой школьник), и телескоп подтвердил свои ожидаемые высокие характеристики, обнаружив на этом небольшом участке несколько сотен сверхновых по результатам первого же года наблюдений.

Исторически сверхновые звезды, в зависимости от вида кривой блеска (то есть графика зависимости светимости от времени) и спектральных линий (какие химические элементы выбрасываются взрывом в космос), делятся на два основных типа с различными вариациями: Type I и Type II. Такое разделение было предложено Вальтером Бааде и Фрицем Цвикке в 1930-х годах, хотя сейчас стало более-менее понятно, что оно не очень удачно — механизм образования сверхновых типа Ib, Ic (читается «один б» и «один це») практически идентичен сверхновым типа II, в отличие от сверхновых Ia, которые, образуются по совершенно особой схеме.

Сверхновые типа Ia образуются в двойных системах, где одна звезда — белый карлик, а другая — красный гигант. Вещество перетекает с более тяжелой звезды на белый карлик. Когда масса карлика превышает предел Чандрасекара, давление звезды не может противостоять увеличившейся гравитации и вся звезда коллапсирует, высвобождая огромную энергию, которую мы видим в виде яркой вспышки, называемой сверхновой. Предел Чандрасекара — 1,4 солнечных массы для невращаюшихся звезд — позволяет точно определить энергию взрыва и использовать такие сверхновые для определения растояний (см. врезку).

Сверхновые других типов — это результат гравитационного коллапса массивных звезд, которые исчерпали свои запасы водорода, гелия и других легких элементов для поддержания реакции термоядерного синтеза в ядре. Сила сжатия верхних слоев под действитем гравитации в звезде обычно компенсируется давлением горячей плазмы в ядре. Когда ядерные реакции прекращаются, то баланс нарушается и уже ничто не сдерживает силу гравитации от разрушительного сжимания звезды. Сжимаясь, она невероятно разогревается и в конце концов разрушается, порождая взрыв. Различия в протекании этого взрыва у разных типов сверхновых объясняются разными массами коллапсирующих звезд. Поэтому у всех сверхновых кроме Ia разброс параметров намного выше, чем у сверхновых.

В статье представлены данные наблюдений редкого типа сверхновых — сверхъярких сверхновых (superluminous supernovae или SLSN), относящиеся к классу Ic. Чем больше сверхновых типа SLSN обнаруживалось, тем яснее становилось, что и они бывают разными — кривая блеска у ряда сверхновых спадает намного медленнее. Причины такого разнообразия до конца не изучены. Собственно, споры идут и о механизме образования SLSN в целом: изначальная версия о том, что источники такого взрыва — это чрезвычайно массивные звезды, исчерпавшие запасы топлива для ядерных реакций в ядре, была поставлена под вопрос в 2013-м году, когда Козимо Инсерра предположил, что подобные сверхновые образуются в результате взрыва магнетара, на который падает вещество с менее массивной звезды-компаньона. Магнетар — это нейтронная звезда, которая вращается со частотой несколько оборотов в секунду и обладает одним из самых сильных магнитных полей среди известных тел во Вселенной.

Каким бы ни был механизм образования таких сверхновых (а есть еще более экзотические версии, вроде радиоактивного распада изотопов никеля или воздействия ударной волны от взрыва обычной сверхновой на очень плотную межзвездную среду), наблюдение за ними может привести к чрезвычайно полезным результатам. Вспомним, что Нобелевская премия по физике за 2011-й год была вручена за обнаружение ускоренного расширения Вселенной. Оно было обнаружено при сравнении кривых блеска сверхновых типа Ia. Сверхъяркие сверхновые (что видно уже из названия), наблюдаемы на еще больших красных смещениях, а значит, если точно понять механизм такого взрыва, можно получить более точное представление об эволюции Вселенной.

В новой работе помощью метода Монте-Карло ученые получили оценку вероятности образования сверхновых типа SLSN-Ic. Оказалось, что такие события очень редки — одна подобная вспышка не меньше чем на десять тысяч обычных сверхновых. И только поистине гигантская энергия взрыва позволяет нам их наблюдать (10⁵¹ эрг, столько энергии излучит наше Солнце за 31 миллиард лет, то есть никогда). Последовательно удаляя известные типы сверхновых из полного списка, авторы статьи остановились на семи кандидатах в сверхъяркие сверхновые. Для этих семи объектов были получены спектры на телескопе Уильяма Гершеля (четырехметровый телескоп на Канарских островах), обсерватории Джемини (два восьмиметровых телескопа, один в Чили, другой на Гавайях), телескопе Магеллана (Чили) и телескопе ММТ (Аризона, США). Спектральные данные позволили надежно установить не только тип сверхновых, но и расстояние до них: самые далекие имеют красное смещение z~1.4. Для сравнения, половине нынешнего возраста Вселенной соответствует красное смещение z=1.

Что еще заинтересовало ученых в этих сверхновых? В ходе исследования выяснилось, что подобные сверхновые чаще всего встречаются в старых и тусклых галактиках (для ряда сверхновых телескоп Pan-STARRS вообще не смог различить родительскую галактику). Но ведь это самые яркие сверхновые во Вселенной, почему они появляются в областях, изначально не очень богатых строительными элементами звезд? Странно, не правда ли? Возможно, это связано с металличностью (то есть количеством элементов тяжелее гелия) — большинство вспышек было обнаружено в галактиках, бедных тяжелыми элементами. Ученые давно знают про влияние этих элементов на формирование звезд — даже небольшого количества углерода, кислорода, кремния, железа и прочих продуктов синтеза гелия хватает для того, чтобы поменять популяцию звезд в галактике (чем металличность выше, тем менее массивные звезды образуются). Но как это влияет на вероятность появления сверхновых типа SLSN-Ic? Это еще предстоит выяснить.

Марат Мусин