Астрофизики сделали томографию сверхновой

Астрономы впервые зафиксировали оптические запрещенные линии излучения высокоионизированных атомов, возбуждаемые обратными ударными волнами сверхновых. Это позволило впервые оценить скорость таких возмущений из наблюдений, визуализировать различные слои объектов и выбрать наиболее точно описывающую происходящее теоретическую модель. Физики предлагают использовать полученные данные для построения послойного изображения внутренней структуры объекта, что авторы называют томографией остатков сверхновых в препринте на сайте arXiv.org. Статья принята к публикации в Physical Review Letters.

Сверхновые — это связанные со звездами события, сопровождающиеся резкими изменениями яркости. Особую роль в астрофизике и космологии играют сверхновые типа Ia, которые считаются результатами термоядерного взрыва белых карликов. Они используются в качестве стандартных свечей при измерении расстояний до далеких галактик, а также в значительной степени отвечают за распространение тяжелых элементов по Вселенной.

Тем не менее, сами взрывы сверхновых остаются не до конца понятными процессами. В частности, неизвестно ни одного объекта-предшественника сверхновой типа Ia, а даже в наибольшей степени изученные события, такие как SN 2011fe, с одинаковой и неидеальной точностью описываются принципиально разными моделями.

С точки зрения физики сверхновой сопутствует множество явлений. Одним из них является движение двух ударных волн: первой, порожденной самим сверхзвуковым расширением вещества от взрыва и распространяющейся по межзвездной среде, и второй обратной, которая направлена в сторону центра остатка. Эти волны обладают разными параметрами и по-разному проявляются в наблюдениях.

За фронтом основной относительно медленной (300 — 500 километров в секунду) ударной волны образуются области с высокой ионизацией вещества, которые могут порождать свечение в запрещенных линиях. Это излучение связано с переходами, вероятность которых подавлена квантово-механическими правилами отбора, но для тяжелых атомов они могут выполняться весьма нестрого. Например, таким образом возбуждается линия Fe XIV (то есть тринадцатикратно ионизованного железа, в астрономии римской цифрой I обозначается нейтральный атом, цифрой II — однократно ионизованный и так далее), которая расположена в зеленой области оптического диапазона. Это излучение известно как в моделях, так и в наблюдениях.

Вместе с тем гораздо более быстрая (более 2000 километров в секунду) обратная ударная волна также должна приводить к появлению подобного свечения в запрещенных линиях, однако оно намного тусклее и никогда не фиксировалась в наблюдениях. Отсутствие однозначных отождествлений вызванного прохождением обратной ударной волны излучения не только затрудняет определение свойств этого возмущения, но и не позволяет точнее проверять различные теоретические модели взрывов сверхновых.

В работе ученых из Австралии, США и Чили под руководством Иво Зайтенцаля (Ivo Seitenzahl) из Университета Нового Южного Уэльса впервые фиксируется оптическое излучение высокоионизованных элементов, возбужденное обратной ударной волной. Это удалось сделать благодаря высокой чувствительности спектрографа MUSE — одного из инструментов восьмиметровых телескопов VLT в Чили.

Авторы использовали архивные данные для выделения связанной с обратной ударной волной линии Fe XIV  в трех наиболее молодых сверхновых типа Ia в Большом Магеллановом облаке — SNR 0519-69.0, SNR 0509-67.5, and N103B (SNR 0509-68.7). Ширина этой линии позволила впервые напрямую определить скорость обратной волны, то есть установить новое наблюдательное ограничение на возможные модели. В результате исследователи пришли к выводу, что сверхновая SNR 0519-69.0 хорошо описывается моделью взрыва стандартного белого карлика с массой, близкой к пределу Чандрасекара (1,4 массы Солнца), в то время как SNR 0509-67.5 больше похожа на взрыв более легкого белого карлика с одной массой Солнца. Для третьей сверхновой ответа получить не удалось из-за сложной и ассиметричной формы остатка.

Также астрономам удалось в случае SNR 0509-67.5 найти другие линии высокоионизованных атомов — S XII, Fe IX и Fe XV. Обнаружение нескольких пространственно разрешимых линий открывает возможность проведения совершенно нового типа исследования, который ученые назвали томографией остатков сверхновых. Этот подход позволяет независимо изучить различные слои объекта, так как соответствующие запрещенные линии возникают при разной температуре.

Энергетика сверхновых такова, что основное свечение возмущенного ударными волнами вещества приходится на рентгеновский диапазон. Однако даже самые лучшие космические рентгеновские телескопы не могут сравниться по пространственному и спектральному разрешению с оптическими приборами. Более того, оптическое излучение порождается ближе к фронту волны, поэтому позволяет точнее определить параметры процесса.

Российские астрономы недавно нашли несостоявшуюся сверхновую, то есть сверхмассивный белый карлик, который почему-то не взорвался. Также ученые фиксировали, как ударная волна сверхновой проходит через оболочку звезды-прародителя.

Тимур Кешелава