Марат Мусин

University of Missouri

Ушли без шума и пыли

Есть расчеты, согласно которым массивные звезды могут заканчивать свою жизнь не в виде сверхновых, но сразу формировать черную дыру без яркой оптической вспышки. Авторы статьи, о которой сегодня пойдет речь, представляют результаты первого систематического поиска подобной звезды с помощью телескопа «Хаббл».

Срок жизни звезды и механизм ее гибели практически полностью определяется массой звезды. Самые легкие звезды, около половины массы Солнца, могут жить триллионы лет, то есть больше современного возраста Вселенной. Исчерпав ресурсы для термоядерной реакции, тихо угасают, становясь сначала красными карликами, потом коричневыми карликами, а потом просто остывшим шаром из гелия и водорода.

Звезды, соразмерные с Солнцем по массе или чуть тяжелее, в конце своей жизни становятся нестабильными. Они сбрасывают часть оболочки, которые мы потом называем планетарными туманностями, в центре которых находится белый карлик — проэволюционировавшее ядро звезды, в котором также не идут реакции термоядерного синтеза.

Еще более массивные звезды горят относительно недолго, всего несколько сотен миллионов лет, и когда ядро выгорает, внешняя оболочка звезды обрушивается внутрь, порождая гигантский выброс энергии, который мы называем вспышкой сверхновой. В теории, звезды около 10-15 масс Солнца должны оставлять нейтронную звезду на месте взрыва. Самый известный пример такой эволюции — это нейтронная звезда и Крабовидная туманность на месте вспышки сверхновой 1054 года. После взрыва еще более тяжелых звезд должны оставаться черные дыры.


Нужно сразу признать, что названия многих явлений в астрономии не соответствует тому, что происходит в реальности: вспышки новых звезд происходят в результате передачи вещества от очень старой звезды к не очень старой, но все-таки пожилой; в то время как вспышка сверхновой — это вообще разрушение и смерть звезды, когда все, что остается от нее — это пульсар или нейтронная звезда (которая и звездой-то не является, потому что в ней не идет термоядерная реакция). К этой путанице надо привыкнуть и с ней смириться.

Исторически наблюдение вспышек сверхновых звезд — это в некотором роде вехи в истории человечества. Самые ранние наблюдались еще Гиппархом. Вспышка 1006 года наблюдалась одновременно китайскими, арабскими и европейскими астрономами, что впоследствии помогло привести к общему знаменателю хронологию разных народов. Вспышки 1572 и 1604 годов повезло наблюдать молодыми астрономами Тихо Браге и Иоганну Кеплеру соответственно. Наконец, именно систематическое наблюдение вспышек сверхновых типа Ia позволило достоверно установить, что наша Вселенная расширяется с ускорением, и это в свою очередь принесло авторам исследования, Солу Перлмуттеру, Брайану П. Шмидту и Адаму Риссу, Нобелевскую премию по физике за 2011 год

На сегодняшний день астрономы зафиксировали более 6520 сверхновых и при этом лишь единицы наблюдались непосредственно до взрыва. К сожалению, никакого способа предсказать их появление не существует. Все, что сейчас возможно — это максимально быстро наводить телескопы на то место, где этот взрыв зафиксирован службами непрерывного слежения. Таким образом, исходную массу взорвавшейся звезды мы можем измерить только косвенно, по энергии взрыва и химическому составу разлетающейся оболочки. Это дает не очень точные результаты, но и их достаточно, чтобы заметить одну особенность — почти все взрывы сверхновых должны быть у звезд массой до 16 солнечных. А куда деваются вспышки сверхновых от самых больших звезд? 

Такие вспышки должны быть достаточно редкими, но в то же время чрезвычайно яркими, так что за несколько десятилетий наблюдений должна была накопиться достаточная выборка таких событий. Однако, это не происходит. Одна из теорий, объясняющих такой наблюдательный факт, предполагает, что выгорание легких элементов в центре звезды и образование железного ядра приводит к гравитационному коллапсу внешней оболочки, как и у менее массивных звезд. Однако, гравитация настолько сильна, что шоковая волна, которая должна идти от ядра наружу и порождть взрыв и перенос энергии из центра, не образуется и все вещество проваливается в только что сформировавшуюся черную дыру со слабой вспышкой в видимой части света либо вообще без таковой.

В статье Томаса Рейнолдса, Моргана Фрейзера и Джерарда Гилмора, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, астрофизики решили воспользоваться архивными данными космического телескопа «Хаббл», чтобы попытаться найти близлежащие галактики, в которых за время работы телескопа появились участки, которые уменьшили свою яркость, но в то же время там не было зафиксировано вспышки обычной сверхновой, а значит, есть вероятность, что на месте массивной звезды сформировалась черная дыра.


Методика поиска следующая: ищутся галактики, которые целиком попадают в кадр широкоугольной камеры «Хаббла», но не настолько маленькие, чтобы было невозможно различить отдельные звезды. Затем оставляют только те галактики, которые попадали в поле зрения телескопа не менее трех раз. Далее в дело вступили астрофизические соображения — исследуемые галактики должны быть ориентированны к нам лицом, а не ребром, чтобы различать больше звезд. Кроме того, раз уж мы ищем массивные звезды, которые, как известно, живут не очень долго, то имеет смысл отсеять все галактики, где звездообразование уже давно не идет (а значит все красные сверхгиганты давным-давно проэволюционировали). Проредив таким образом исходный список из 2665 галактик, авторы оставили только 15, с которыми начали работать более плотно.

Изображения более поздних кадров этих галактик были специально ухудшены таким образом, чтобы соответствовать характеристикам самой первой камеры (камеры космического телескопа «Хаббл» модернизировались несколько раз). После этого, накладывая кадры друг, на друга ученые искали участки, которые имели одинаковую звездную величину на ранних кадрах и значительно большую звездную величину (то есть тусклее) на поздних кадрах.


Когда были найдены первые потенциальные кандидаты в «тихие сверхновые», возникли непредвиденные сложности: чтобы быть уверенным, что перед нами подобная звезда, надо узнать ее массу, а это возможно только если точно измерить ее звездную величину (то есть блеск) и расстояние до галактики, в которой она находится. И вот с расстояниями возникли проблемы — они измерены достаточно точно по меркам тех астрофизиков, которые занимаются эволюцией галактик или расширением Вселенной. Но этого недостаточно, когда нужно установить расстояние до какой-то отдельной звезды. А неправильное выбранное расстояние может дать абсолютно нереальные результаты: либо звезда окажется слишком легкой и по всем законам должна становиться обыкновенной сверхновой, либо слишком массивной — и значит вообще не может существовать. 

Чтобы быть последовательным, для всех галактик в выборке использовали расстояния, измеренные по изменению звездной величины цефеид — переменных звезд, чья периодичность изменения светимости прямо зависит от массы. А в тех случаях, где это было возможно, расстояния уточнили, добавив расстояния, определенные по вспышкам стандартных сверхновых.

Следующая проблема в поиске подобных массивных звезд заключается в том, что до 1998 года систематический поиск сверхновых не производился. Такие системы, как Catalina Real Time Transient Survey, Palomar Transient Survey, Lick Observatory SN Search, PanSTARRS-1, ASAS-SN и отечественная сеть автоматизированных телескопов МАСТЕР появились позднее. А значит есть шанс, что подходящий кандидат будет не искомой звездой нужной массы, которая сколлапсировала в черную дыру без выброса вещества и энергии, а всего лишь банальной незарегистрированной вспышкой сверхновой.

В финальную выборку, представленную в статье, вошли только шесть источников, лишь один из которых (находящийся в галактике NGC3021) достоверен настолько, что сами авторы говорят о нем, как о «твердом кандидате». Много это или мало? Провести стандартную статистическую проверку не представляется возможным — поскольку мы не знаем всех тонкостей физики процесса образования таких черных дыр, то будем вынуждены внести столько предположений и допущений, что полученная оценка будет очень далека от реальности. Авторы предложили альтернативный вариант — они подсчитали количество сверхновых, которые образуются при гравитационном коллапсе звезд сравнимой массы на той же площади неба и за тот же период наблюдения. Таких взрывов оказалось всего два. Если предположить, что без образования сверхновой умирают около четверти звезд схожей массы, то всего один кандидат — это примерно столько, сколько и ожидалось.

В завершении статьи Рейнолдс с коллегами рассуждают о возможных ошибках в своих расчетах. Они показывают, что кандидат из галактики NGC3021 не может быть ни переменной звездой, ни просто пропущенной сверхновой — из-за большого количества доступных снимков. А значит, в «лице» этого кандидата мы, скорее всего, действительно наблюдали образование черной дыры практически в реальном времени. И вполне можно ожидать, что дальнейшие исследования с помощью «Хаббла» и других архивных снимков позволят открыть больше черных дыр зведной массы, которые до сих пор существовали только в теоретических выкладках ученых, но не наблюдались еще ни разу.

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.