Астрономы увидели прорыв ударной волны сверхновой сквозь плотное околозвездное вещество

Астрономы впервые подробно проследили распространение ударной волны сверхновой сквозь плотное околозвездное вещество, включая момент прорыва этой оболочки. Наблюдения велись за сверхновой SN 2023ixf, чьим прародителем был красный сверхгигант, терявший до взрыва вещество. Статья опубликована в Nature.

Большую важность для описания механизмов вспышек сверхновых и получения информации о свойствах звезд-прародителей и среды вблизи них играют наблюдения за самыми ранними стадиями взрыва, когда ударная волна от взрыва достигает фотосферы звезды и прорывается за ее пределы. При этом, если околозвездное пространство заполнено плотным и оптически толстым веществом, то ударной волне требуется время на ее нагрев и преодоление, что увеличивает продолжительность первичной вспышки с нескольких часов до нескольких дней.

Группа астрономов во главе с Эрезом Циммерманом (Erez Zimmerman) из Института имени Вейцмана сообщила о первом случае подробного наблюдения за движением ударной волны от сверхновой в плотном околозвездном веществе. Ученые анализировали данные мультиволновых наблюдений за сверхновой SN 2023ixf, полученные при помощи телескопов «Хаббл», «Чандра», NuSTAR, Swift и обсерватории Кека.

SN 2023ixf вспыхнула в мае 2023 года в спиральной галактике M101 и стала одной из самых близких и ярких внегалактических сверхновых, когда-либо обнаруженных. Она была классифицирована как тип II, в дальнейшем выяснилось, что ее прародителем был красный сверхгигант с массой 12–15 или 18,1 массы Солнца, активно терявший перед взрывом вещество.

Исследователи определили, что ударная волна в течение около 2,75 дня, двигаясь со скоростью около восьми тысяч километров в секунду, прорывалась сквозь плотный слой радиусом в 1,9 × 10¹⁴ сантиметров, что существенно больше, чем у типичных сверхгигантов. За это время температура оболочки увеличилась с 13 до 32 тысяч кельвин, а светимость — с 5,2 × 10⁴² до 3,9 × 10⁴³ эрг в секунду.

Масса околозвездного вещества, испытавшего влияние ударной волны, оценивается в 7,4 × 10⁻³ массы Солнца, а его характерная плотность — 5 × 10⁻¹³ грамм на кубический сантиметр. Предполагается, что вещество возникло за счет убыли массы сверхгигантом со скоростью 0,011 массы Солнца в год, при этом период усиленной потери массы не мог длиться более пары лет до взрыва.

После прорыва оболочки ударная волна постепенно выходит из зоны плотного вещества, переходя в бесстолкновительную ударную волну в плазме, что сопровождается эффективным процессом охлаждения электронов околозвездной среды фотонами за счет обратного комптоновского рассеяния. На четвертый день после взрыва бесстолкновительная ударная волна продолжает распространяться на более удаленные околозвездные слои вещества, которые уже не охлаждаются эффективно за счет комптоновского рассеяния. Последним компонентом околозвездной среды, чье излучение обнаруживается в спектрах до 15 дня после вспышки, стало вещество, выброшенное звездой-прародителем за несколько десятилетий до взрыва.

Важным результатом работы стало то, что оценки выброшенной массы плохо вписываются в модель возникшей при коллапсе нейтронной звезды и больше соответствуют образованию черной дыры звездной массы. В противном случае звезда-прародитель должна была потерять несколько масс Солнца перед взрывом, что не предсказывается современными моделями и может быть выявлено или опровергнуто в ходе будущих рентгеновских наблюдений.

Ранее мы рассказывали о том, как астроном-любитель увидел первые часы жизни далекой сверхновой.