Гиперновые могут быть всего лишь шумихой, а не настоящими новыми

Фото из открытых источников

Массивные звезды погибают в результате мощных взрывов сверхновых. Эти катастрофические события освещают небо в течение нескольких месяцев и являются одними из наиболее интенсивно изучаемых явлений в астрономии. Существуют разные типы сверхновых, и на сверхновые с коллапсом ядра приходится около 70% всех сверхновых.

Наиболее энергетически мощные и яркие сверхновые типа, возникающие в результате коллапса ядра (ССЯЯ), называются гиперновыми. Только звезды массой более 30 солнечных масс могут взрываться как гиперновые. Гиперновая (ГН) примерно в 10 раз ярче других ССЯЯ и выбрасывает вещество с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Однако доказательства существования ГН пока слабые.

При взрывах массивных звёзд образуются астрономические количества металлов, которые распространяются в космосе. Этот материал поглощается следующим поколением звёзд. Низкоуглеродистые вещества использовались для объяснения некоторых необычных звёзд в гало Млечного Пути, а также одной звезды, обнаруженной в близлежащей карликовой сфероидальной галактике Скульптор. Эти звёзды чрезвычайно бедны металлами.

Астрономы полагали, что уникальная низкая металличность этих звёзд обусловлена взрывом каждой из них одной из звёзд-прародительниц. Они также предполагали, что газ от этих взрывов равномерно перемешивался. Чтобы определить прародительницу звёзд, они сравнивали химический состав звёзд с выходами смоделированных взрывов сверхновых.

Когда металличность звезды не соответствовала ни одному типу обычных сверхновых, исследователи искали другую, наиболее подходящую модель. В случае со звездами в гало Млечного Пути и в галактике Скульптор, модели гиперновых оказались наиболее подходящими.

Однако наилучшее соответствие этому предположению основывалось на определенном понимании гиперновых: что все вещества, образовавшиеся в результате мощного взрыва, были равномерно перемешаны. Две новые статьи предполагают, что это не так, и что гиперновые не являются причиной появления этих звезд с низкой металличностью. А поскольку эти звезды являются одним из лучших свидетельств существования гиперновых, статьи показывают, что гиперновых, возможно, вообще не существует. Авторами являются Анмол Аггарвал и Ральф Шенрих из Муллардской лаборатории космических исследований при Университетском колледже Лондона. Стати были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Все свидетельства существования гиперновых внезапно исчезли», — говорит Анмол Аггарвал.

Звезды с чрезвычайно низкой металличностью важны, потому что они похожи на самые ранние звезды во Вселенной, когда космос еще не был обогащен металлами. Это наиболее близкие к первым звездам Вселенной объекты, которые могут наблюдать исследователи. «Широко распространено мнение, что они были обогащены лишь одной умирающей массивной звездой, однако некоторые из этих бедных металлами звезд имеют аномальные соотношения химического состава и считаются результатом редкой гиперновой (с высокой энергией взрыва 10⁵² эрг)», — пишут авторы в первой статье.

Во второй своей статье они ссылаются на недавние работы других исследователей, показывающие, что «наблюдаемая картина распределения элементов в звезде гало» соответствует результатам взрыва гиперновой.

Однако их результаты противоречат этой идее. В первой статье они объясняют, что «их распространенность лучше объясняется обогащением от обычной (менее энергетической) сверхновой, что объясняет неоднородное распределение выбросов».

Во второй статье они "...показывают, что своеобразная картина распределения элементов в звезде лучше вписывается в рамки смешивания стохастичности с выходами от нормальной сверхновой с коллапсом ядра (ccSN; Energyexp ~10 51 erg) и слияния нейтронных звезд (NSM)".

«Если мы посмотрим на сверхновую сегодня, то увидим, что вещества звезды распределены неравномерно», — сказал Аггарвал. «Кислород может преимущественно лететь в одном направлении, сера — в другом. Новые звезды могут образовываться из смеси фрагментов сверхновой, а не из ее общего набора элементов».

Для более глубокого изучения этого вопроса они использовали математические модели.

«Мы разработали математические модели, учитывающие это, и во всех случаях обнаружили, что звезды с очень необычным сочетанием компонентов, скорее всего, образовались из обычных сверхновых», — сказал Аггарвал. «Все свидетельства существования гиперновых внезапно исчезли».

По мере старения массивной звезды, приближающейся к концу своей жизни, наполненной термоядерным синтезом, в ней образуются слои элементов, подобные слоям луковицы. Более тяжелые элементы концентрируются ближе к центру, а более легкие — ближе к поверхности. Используя свою модель, они исследовали, какое количество каждого элемента из каждого слоя необходимо для того, чтобы вместить звезды с низкой металличностью.

«Главный вывод этого исследования заключается в том, что необходимо проявлять большую осторожность при определении конкретных механизмов взрыва одиночных звезд с низкой металличностью и необычным содержанием элементов: в то время как в данной области используется широко распространенное предположение о том, что одна бедная металлами звезда обогащается смесью элементов, полученных в результате одной сверхновой/гиперновой, мы выступаем за обогащение долями элементов сверхновой», — пишут авторы.

В то время как первая статья была посвящена трем звездам, ранее объяснявшимся гиперновыми, а теперь опровергнутым, вторая статья рассматривала более конкретную звезду. Это красный гигант в гало Млечного пути, демонстрирующий особенно необычный химический состав. Хотя известно, что сверхновые производят тяжелые элементы, они производят не все из них. Некоторые, такие как уран и серебро, образуются при слиянии нейтронных звезд или в чрезвычайно магнитных звездах, которые взрываются, образуя гиперновые.

Предыдущие исследования утверждали, что этот красный гигант не мог образоваться в результате слияния нейтронных звезд, поскольку он очень беден металлами. Исследование предполагало, что он должен был образоваться из более первичного материала, не обогащенного металлами. В том же исследовании использовалась модель Млечного Пути, в которой межзвездная среда галактики быстро обогащалась тяжелыми элементами. Это означает, что прошло недостаточно времени для образования и столкновения нейтронных звезд. Следовательно, слияние нейтронных звезд не могло быть причиной, и прародителем должна была стать нейтронная звезда.

Однако исследования Аггарвала и Шенриха опровергли это. Красный гигант, о котором идёт речь, не только движется с чрезвычайно высокой скоростью, но и движется в противоположном направлении по сравнению с большинством других звёзд в галактике. Авторы утверждают, что эта звезда должна была образоваться в карликовой галактике, которая в конечном итоге слилась с Млечным Путем. В таких малых галактиках звёзды образуются медленнее, через миллионы лет после Большого взрыва и позже, чем другие звёзды той же популяции. В этих маломассивных галактиках взрывающиеся звёзды также выбрасывают свой обогащенный металлами газ в межгалактическую среду, где он с меньшей вероятностью будет поглощен последующими звёздами, по крайней мере, не так быстро.

Математические модели исследователей также показали, что для образования этой необычной звезды-красного гиганта не требовалась нейтронная звезда. Вместо этого она, вероятно, образовалась в результате слияния нейтронных звезд и стандартной сверхновой с коллапсом ядра.

«Наш повторный анализ меняет интерпретацию этой необычной звезды», — пишут авторы. «Ранее считалось, что это явное свидетельство обогащения магниторотационной гиперновой, но наша новая подгонка склоняется к объединенному вкладу от нормальной сверхновой и сверхновой в космическую звезду, обеспечивая значительно лучшее соответствие данным».

Авторы также делают важное предостережение. Хотя они показывают, что гиперновые не являются необходимыми для объяснения появления этих звезд, это не обязательно означает, что сверхновые и ядерные звездообразные являются единственными причинами их появления. «Таким образом, хотя наша статистика склоняется в пользу комбинации сверхновых и ядерных звездообразных по сравнению с ранее рассмотренным случаем гиперновой, мы не исключаем других сценариев», — заключают они.

Ключ ко всему этому заключается в том, насколько хорошо перемешивается вещество, образовавшееся в результате взрыва сверхновой, по мере его распространения в космосе.

«Мы до сих пор не знаем, насколько хорошо перемешивается материал сверхновой перед образованием новых звезд, — сказал Шенрих. — Несмотря на десятилетия работы в этой области. Наши исследования показывают, что некоторое перемешивание происходит, но неполное. Нам необходимо учитывать это в наших моделях эволюции химических веществ в галактиках и в том, как функционирует межзвездная среда».