Астрономы впервые увидели рождение черной дыры
Астрономам впервые удалось запечатлеть момент коллапса звезды и последующее рождение сверхновой или нейтронной звезды. Источник, получивший название AT2018cow, находится в созвездии Геркулеса на расстоянии около 200 миллионов световых лет от Земли. Альтернативное объяснение, предложенное другой группой ученых, предполагает, что исследователям удалось зарегистрировать разрыв белого карлика черной дырой. Результаты наблюдений были представлены на 233-й встрече Американского астрономического сообщества.
В июле 2018 года ученые с помощью телескопа Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System зарегистрировали на небе необычную, быстро расширяющуюся вспышку. Своей пиковой яркости, которая оказалась в 10 раз больше, чем у типичных сверхновых, она достигла в течение трех дней (обычно это происходит спустя недели). Источник вызвал настолько большой интерес со стороны астрономического сообщества, что его одновременно наблюдали 18 телескопов — это стало рекордом для явлений, сообщения о которых когда-либо поступали в The Astronomer’s Telegram. Существующие теории не могли до конца объяснить наблюдаемый феномен. Чтобы выяснить его природу, сразу две команды астрофизиков провели симуляции на основе данных наблюдений. О результатах исследователи отчитались 10 января на конференции в Сиэттле.
Первая группа ученых под руководством Рафаэллы Маргутти (Raffaella Margutti) из Северо-Западного университета получила спектры AT2018cow в большом диапазоне электромагнитных волн, от радио до гамма. Для этого в течение 100 дней наблюдала источник с помощью телескопа NASA NuSTAR, космических обсерваторий XMM-Newton и INTEGRAL, принадлежащих Европейскому космическому агентству, а также интерферометра Very Large Array. Несмотря на то, что радиоактивный распад никеля(56Ni), который является обычным механизмом во вспышках сверхновых, не дает яркости, которая наблюдалась во время вспышки, исследователи пришли к выводу, что это все равно может быть сверхновая. Однако она должна обладать внутренним не радиоактивным источником энергии, который способен выбросить в космос огромное количество энергии за короткий промежуток времени (около 1050 − 1051,5 эрг за 1 000-100 000 секунд).
По мнению ученых, мощное оптическое и ультрафиолетовое свечение, которое было зарегистрировано в первые дни, свидетельствует о рождении сверхновой, а последующее рентгеновское излучение указывает на падение газа на компактный объект. Таким компактным объектом, по их мнению, может быть черная дыра или нейтронная звезда. При этом Маргутти отмечает, что вспышка действительно уникальна, и, вероятно, ученым удалось впервые увидеть рождение компактного объекта «в прямом эфире».
Важно отметить, что обычно остатки сверхновой, которые быстро уносятся в космос, не позволяют увидеть то, что происходит в эпицентре взрыва. Мощность рентгеновского излучения AT2018cow позволяет предположить, что изначальная масса звезды, которая превратилась в сверхновую, была невелика. В результате облако остаточной материи оказалось относительно неплотным (его массу ученые оценивают в 0,1-1 солнечных), что позволило рентгеновским лучам покинуть центральную область.
Альтернативная гипотеза, предложенная Полом Куином (Paul M. Kuin) из Университетского колледжа Лондона и его коллегами, говорит о том, что ученым удалось увидеть, как черная дыра разорвала белого карлика — звезду, лишенную собственных источников термоядерной энергии, которая находится на финальных стадиях эволюции.
Согласно симуляции, проведенной исследователями, масса черной дыры лежит в промежутке от 100 тысяч до миллиона солнечных. Это сопоставимо с размерами центральной черной дыры в галактике CGCG 137-068, расположение которой совпадает с позицией источника AT2018cow на небе. Черные дыры такого размера обычно не встречаются за пределами центральной области, однако астрономы не исключают, что вспышка возникла в соседней галактике-спутнике или в шаровом скоплении.
Масса белого карлика, по оценкам ученых, может быть равна 0,1-0,4 массы Солнца. «Мы считаем, что приливный разрыв [белого карлика] создал быструю и действительно необычную вспышку света сначала, и он лучше всего объясняет наблюдения телескопа Swift за затухающей вспышкой», — комментирует Куин.
Дополнительные исследования в будущем помогут окончательно выяснить природу вспышки. Один из авторов статьи группы Маргутти считает, что если астрономы зарегистрировали момент рождения компактного объекта, то это откроет новую главу в понимании звездной эволюции. «Мы смотрели на этот объект с помощью многих обсерваторий, и конечно, чем больше окон вы открываете, тем больше вы можете узнать. Однако, как мы видим с Cow, разгадка не обязательно будет простой», — отмечает он.
Недавно астрономам удалось также впервые запечатлеть момент рождения джета и получить рекордно ранние спектры сверхновой в первые моменты после вспышки — всего спустя 6 часов после ее взрыва. На основании новых данных ученые подтвердили, что по меньшей мере за несколько сотен дней до взрыва массивные красные гиганты значительно увеличивают темпы выбросов массы в окружающее пространство.
Кристина Уласович
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.