Металличность и плотные оболочки управляют последними днями сверхгигантов
Астрономы смоделировали, что происходит внутри массивной звезды перед тем, как она взорвется как сверхновая.
В ясную ночь, если посмотреть на усыпанное звездами небо, можно увидить лишь статичную картину далекого прошлого. Но этот кажущийся покой обманчив: космос живет своей жизнью, полной грандиозных катастроф и тихих угасаний. Иногда тишину ночного неба нарушает внезапно вспыхнувшая звезда там, где еще вчера ничего не было. Древние китайские астрономы, чья внимательность к небесным явлениям не знала себе равных, называли такие объекты «гостевыми звездами». Они появлялись неожиданно, сияли некоторое время, а затем бесследно исчезали, оставляя после себя лишь строчки в летописях и смутное беспокойство. Одним из самых знаменитых таких «гостей» стала вспышка 1054 года, породившая Крабовидную туманность объект, который и сегодня, спустя почти тысячу лет, остается предметом пристального изучения астрофизиков.
Сегодня мы знаем, что эти гостевые звезды — финальный аккорд в жизни массивных звезд, грандиозные взрывы сверхновых. Когда большинство людей слышат это слово, они представляют себе именно сверхновую типа II, или сверхновую с коллапсом ядра. Это история звезд-гигантов, которые, исчерпав запасы водорода, начинают синтезировать все более тяжелые элементы, создавая в своих недрах слоеный пирог из кремния, кислорода, углерода и тд. В какой-то момент железное ядро звезды достигает критической массы и под действием собственной гравитации схлопывается, чтобы затем взорваться, на краткий миг затмевая свет всей галактики, в которой она находится. Именно такие события привлекают внимание астрономов по всему миру, позволяя заглянуть в самые экстремальные физические процессы Вселенной.
Однако, несмотря на многие годы исследований и сложные теоретические модели, многие детали этого грандиозного финала остаются не до конца понятными. В частности, ученых давно интригуют протяженные газовые оболочки, окружающие звезды перед взрывом, и то, как они влияют на кривые блеска сверхновых, графики изменения их яркости со временем. Две новые научные работы, опубликованные в Astrophysical Journal, проливают свет на эти загадки, предлагая объяснения того, как формируются звезды-предшественники и как вещество вокруг них управляет первыми мгновениями космического катаклизма.
Первая из этих статей, подготовленная группой под руководством По-Шэн Оу из Института астрономии и астрофизики Китайской академии наук в Тайбэе, посвящена физическому происхождению звезд-сверхгигантов. Дело в том, что подавляющее большинство сверхновых типа II рождаются при взрыве красных сверхгигантов, таких как хорошо всем известная Бетельгейзе. Однако некоторые массивные звезды заканчивают свою жизнь, оставаясь голубыми гигантами. Исследователи задались вопросом: что именно определяет судьбу звезды? Используя модели звездной эволюции, они пришли к выводу, что ключевую роль играет металличность, то есть содержание элементов тяжелее водорода и гелия.
Оказалось, что существует пороговое значение металличности, при котором звезда способна расшириться до размеров красного сверхгиганта. Звезды с высокой металличностью, подобные Солнцу, после исчерпания водорода в ядре быстро раздуваются, их внешние оболочки становятся менее связанными гравитацией. Это позволяет звездным ветрам легко сдувать вещество, формируя ту самую обширную оболочку.
Звезды с низкой металличностью, характерной для ранней Вселенной, напротив, остаются более компактными. Их радиус после главной последовательности оказывается недостаточным для перехода в фазу красного сверхгиганта, и они проходят дальнейшие стадии горения гелия и даже углерода, сохраняя оболочку голубого гиганта. Расчеты показывают, что для превращения в красный сверхгигант металличность звезды должна составлять как минимум одну десятую от солнечной. Это открытие не только объясняет наблюдаемое разнообразие предсверхновых, но и дает ключ к пониманию того, как взрывались первые звезды во Вселенной, лишенные тяжелых элементов.
Второе исследование, возглавляемое Вун-И Ченом из того же института, сосредоточилось на самом моменте взрыва, а именно на прорыве ударной волны к поверхности звезды. Ударная волна рождается в самом центре коллапсирующего ядра, но ее путешествие к поверхности занимает часы и даже дни. И только когда она вырывается наружу, мы видим первую вспышку сверхновой. Это событие, называемое прорывом ударной волны, несет в себе уникальную информацию о строении звезды и окружающей ее среде. Астрофизики давно заметили, что кривые блеска в этот момент могут сильно различаться: у одних сверхновых вспышка происходит быстро и ярко, у других она растянута во времени и выглядит более тусклой.
Для объяснения прорывов ранее привлекалась гипотеза об экстремально высокой потере массы звездой перед взрывом. Однако Чен и его коллеги впервые провели двумерное многогрупповое радиационно-гидродинамическое моделирование этого процесса, что позволило получить гораздо более детальную картину. Их симуляции показали, что на характер прорыва влияет не столько количество сброшенного вещества, сколько его плотность и структура.
Еще до того, как ударная волна достигает поверхности, излучение из внутренних слоев звезды, просачиваясь сквозь оболочку, создает мощные предвестники. Это излучение может вызывать гидродинамические неустойчивости в плазме и смещать эффективную фотосферу звезды наружу. В результате, когда ударная волна наконец добирается до поверхности, она взаимодействует с уже возмущенной и разреженной средой. Плотная околозвездная материя, сброшенная звездным ветром красного гиганта, еще больше замедляет диффузию фотонов, что и приводит к растянутым во времени и более слабым сигналам прорыва.
Оба этих исследования вносят существенный вклад в понимание того, как умирают массивные звезды. Они связывают воедино химический состав звезды, ее эволюционный путь в красный или голубой сверхгигант, свойства окружающей ее среды и, наконец, наблюдаемые характеристики самого взрыва. Эта работа приобретает особую актуальность в преддверии новой эры в астрономии. Уже в конце этого года обсерватория имени Веры Рубин начнет свой десятилетний обзор «Наследие космоса и времени», в ходе которого планируется открыть около десяти миллионов новых сверхновых. Столь колоссальный поток данных потребует столь же мощной теоретической базы для их интерпретации. Представленные исследования как раз и закладывают ту основу, которая позволит астрофизикам не просто фиксировать тысячи вспышек, но и понимать физику каждого отдельного взрыва, читая историю жизни и смерти звезды по ее свету.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
