Ученые из МГУ и других научных центров распутывают космический детектив. Главная героиня — до невозможности странная звезда в центре туманности, удивительно напоминающей праздничный фейерверк. Похоже, она образовалась в результате чрезвычайно редкого космического катаклизма, и нам очень повезло, что мы можем ее изучить.
Выбор редакции
Чрезвычайно необычная звезда J005311 в созвездии Кассиопеи, похоже, появилась при столкновении двух белых карликов. Это остывающие звезды, исчерпавшие запасы термоядерного топлива. Новые наблюдения согласуются с версией, что столкновение произошло в 1181 году и сопровождалось вспышкой сверхновой, попавшей в китайские летописи. Удивительно, что взрыв не разнес звезду в пыль. Вероятно, он относился к весьма редкому типу космических катаклизмов, которые мы пока наблюдали лишь в далеких галактиках. И тогда астрономам сказочно повезло, ведь остаток необычной сверхновой находится буквально за углом: в 7500 световых годах от Земли.
Чтобы понять, что необычного в звезде J005311, разберемся в том, как живут и умирают светила.
Как перестать быть звездой
Источник энергии звезды — термоядерные реакции, в которых из одних химических элементов синтезируются другие. Большую часть жизни светило превращает водород в гелий. Например, Солнце расходует 600 миллионов тонн водорода в секунду.
Что происходит, когда водород заканчивается? Если масса звезды составляет хотя бы половину солнечной, то температура и давление в ее недрах достаточны для того, чтобы загорелся уже гелий. (Конечно, термоядерная реакция — не химическая, и ее неправильно называть горением, но астрономы пользуются этим словом ради удобства.) При этом образуются углерод и кислород, которые, в свою очередь, тоже могут загореться, если звезде хватит массы.
Но термоядерные реакции рано или поздно закончатся, неважно, на каком химическом элементе. Что будет дальше, зависит от исходной массы звезды. Светила массой менее 8-10 солнц отходят в мир иной довольно мирно. Внешние слои звезды превращаются в туманность, которая постепенно рассеивается. Ядро светила становится белым карликом. Это небольшой и очень плотный объект: сравнимый по массе с Солнцем, размерами он напоминает Землю. Изначально он очень горяч: около 50 тысяч градусов на поверхности. Но постепенно небесное тело остывает, ведь термоядерные реакции, напомним, уже закончились. Белый карлик светится по принципу раскаленной кочерги: отдает запасенное тепло. В телескоп он выглядит как небольшая звезда, но его природу выдает химический состав, который можно получить из спектра. Обычная звезда состоит в основном из водорода и гелия, а в белом карлике эти элементы почти полностью выгорели.
Прощальное шоу
Если звезда массивнее 8-10 солнц, ее финал куда более драматичен. Массивное ядро с большой силой притягивает окружающие его слои. Пока в звезде идут термоядерные реакции, этой силе противостоит давление излучения. Когда они заканчиваются, вещество светила падает на ядро и отскакивает от него, раскалившись от удара. Подхватив еще не закончившие падение слои, эта встречная волна выметает их обратно. В итоге от места гибели звезды со скоростью тысяч километров в секунду расходится раскаленный расширяющийся фронт, похожий на взрывную волну.
Этот светящийся шар — куда более мощный источник излучения, чем исходная звезда, прежде всего из-за огромной площади. Именно поэтому сверхновая достигает максимума блеска не в момент взрыва, а через пару недель, когда оболочка уже сильно расширилась, но все еще достаточно горячая (10-20 тысяч градусов). В телескоп это выглядит так, как будто звезда вдруг увеличила светимость в миллиарды раз и стала сравнима по блеску со всей галактикой. Такие события называются вспышками сверхновых.
Но есть еще одна разновидность сверхновых принципиально иной природы: сверхновые типа Ia. В их возникновении повинны уже знакомые нам белые карлики.
Туманность вокруг звезды J005311 в инфракрасных лучах / ©Василий Гварамадзе / МГУ
Ожирение вредно для здоровья
Мы оставили белый карлик остывать и предаваться воспоминаниям о временах, когда он был настоящей звездой. Ведь его массы недостаточно, чтобы создать в недрах нужное давление для продолжения термоядерных реакций. Но что если белый карлик нарастит массу? Он может сделать это, если составляет тесную пару с другим светилом.
Звезды часто образуют пары обращающихся вокруг общего центра масс. Когда одна из «подружек» догорает до белого карлика, возникает дуэт из него и обычной звезды. Если эта пара достаточно тесная, гравитация карлика буквально высасывает вещество из соседки. Эта материя оседает на «каннибале», наращивая его массу. Чем это заканчивается? Есть много вариантов, зависящих от размаха «хищничества» (или, выражаясь по-научному, аккреции). Для нашего рассказа важен один из них: масса белого карлика становится выше предельной, и тогда он взрывается, как термоядерная бомба.
Предельная масса примерно равна 1-1,5 солнечных (ее точное значение зависит от состава белого карлика). Когда масса выходит за этот предел — он называется пределом Чандрасекара, в небесном теле запускаются термоядерные реакции. Но не в режиме постепенного горения, а в виде разрушительного взрыва. «Объевшийся» белый карлик буквально разлетается в пыль — вот уж действительно губительное обжорство! Волна раскаленных обломков образует расширяющийся светящийся шар. Мы уже встречалиcь с такой иллюминацией, правда? Механизм тут кардинально иной, но для наблюдателя оба явления выглядят очень похоже, так что не удивительно, что те и другие называются сверхновыми.
Вообще, астрономы сначала описывают и классифицируют то, что они видят, а потом уже пытаются разобраться в природе увиденного. По спектру и характеру изменения блеска наблюдатели разделили сверхновые на I и II тип, а каждый тип — на несколько подтипов: Ia, Ib и так далее (эти подтипы мы для краткости тоже будет именовать типами). И уже потом оказалось, что вспышка типа Ia — это термоядерный взрыв белого карлика, а все остальные получаются при отскоке оболочки от ядра массивной звезды.
Слияния и поглощения
Допустим теперь, что обе звезды в паре догорели до стадии белого карлика. Очевидно, получится двойной белый карлик. Аккреция с одного белого карлика на другой встречается редко: белый карлик очень плотный и прочный, из него не так просто «пить соки». Но есть другой механизм, ведущий к взрыву сверхновой типа Ia.
Партнеры в своем парном танце будут приближаться друг к другу. Дело в том, что они излучают гравитационные волны и из-за этого теряют момент импульса. В конце концов члены тандема столкнутся и сольются в одно тело.
Если масса этого нового объекта не превысит предела Чандрасекара, во Вселенной просто появится один новый белый карлик вместо двух прежних. А если превысит, он взорвется во вспышке сверхновой типа Ia. Но некоторые модели показывают и еще один сценарий, правда, довольно маловероятный.
Не вдаваясь в детали, скажем, что иногда при слиянии двух белых карликов в одну звезду происходит сравнительно слабый термоядерный взрыв. В отличие от классической вспышки Ia, он не уничтожает новое светило полностью. В выжившем остатке продолжатся термоядерные реакции, но уже в режиме стабильного горения, а не взрыва. Таким образом, две «мертвые» звезды, слившись и взорвавшись, образуют одну «живую» (в которой идут термоядерные реакции).
Туманность вокруг звезды J005311 в инфракрасных лучах (слева и в центре). В оптической линии излучения водорода (справа) туманность не видна, так как в ней почти нет водорода / ©Василий Гварамадзе / МГУ
Редкие птицы
Даже обычный взрыв типа Ia — редкое событие. В отдельно взятой галактике он происходит примерно раз в сто лет. Мы видим такие вспышки в изобилии только потому, что они видны на межгалактических дистанциях, а мы наблюдаем сразу много галактик. А уж слабый взрыв с образованием «вторичной звезды» еще менее вероятен. Однако у ученых есть кандидаты на такие вспышки — сверхновые типа Iax. Этот подтип типа Ia отличается низкой, по меркам сверхновых, светимостью и малой скоростью расширения оболочки. То есть взрыв слабее обычного, и вполне возможно, что после него что-то остается. Первое подобное событие было зафиксировано в 2002 году, а за последующие 15 лет их насчитали более 50. Все они произошли в далеких галактиках.
Что до Млечного Пути, здесь со времен изобретения телескопа вообще не наблюдалось ни одной сверхновой какого бы то ни было типа. Отчасти потому, что они редко вспыхивают, а отчасти из-за поглощения света газопылевыми облаками. Мы видим диск Галактики с ребра, и даже яркий свет сверхновой не в силах пронзить его толщу из края в край. Мы можем увидеть лишь относительно близкую вспышку. А таких за последние несколько веков не случалось вообще, и уж тем более редкого типа Iax.
Но если мы не застали саму вспышку, можем ли отыскать звезду, родившуюся в результате этого катаклизма? Вряд ли. Возобновившиеся термоядерные реакции продолжаются всего около десяти тысяч лет. Так что, по оценкам специалистов, среди сотен миллиардов звезд Галактики найдется буквально 5-10 штук таких экзотов. Неужто нам так повезет, что одна из них окажется достаточно близкой для наших телескопов?
Да, похоже, нам именно так фантастически повезло. Во всяком случае такую гипотезу выдвинули ученые из МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Университета Бонна, обнаружившие и исследовавшие таинственное светило J005311 в 2019 году.
Крабовидная туманность бесформенна, как и положено остатку сверхновой. Но туманность вокруг звезды J005311 совсем не такова / ©NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (Arizona State University)
Выжившая при взрыве
Звезда J005311 очень необычна. По химическому составу она типичный белый карлик, но температура поверхности невероятно высока: около 200 тысяч градусов. Белые карлики не бывают такими горячими даже в момент рождения. Зато на звезду, родившуюся в результате их слияния, это очень даже похоже. А еще J005311 находится в центре туманности, напоминающей остаток взрыва сверхновой. Эта звезда испускает струи вещества (звездный ветер) с умопомрачительной скоростью 16 тысяч километров в секунду. Это примерно в 20 раз быстрее солнечного ветра. Пока не очень понятно, откуда берется такая скорость. Возможно, J005311 имеет мощное магнитное поле и работает как природный ускоритель частиц.
Если эта звезда — то, что мы о ней думаем, то ей не более десяти тысяч лет. В 2021 году ученые из Гонконга, Венгрии, Великобритании, Франции и Испании предположили, что она родилась во вспышке сверхновой 1181 года, известной по китайским и японским историческим источникам.
Мы, конечно, не можем вернуться в Средние века со своими телескопами и разобраться, относилась ли эта вспышка к типу Iax. Зато ученым по силам исследовать туманность вокруг J005311 и выяснить, может ли она быть настолько молодой.
Это и сделали астрономы из трех научных центров США, представившие результаты в виде препринта. Они использовали 2,4-метровый телескоп с оптическим фильтром, чувствительным к спектральной линии серы. Этот элемент — типичный продукт термоядерного взрыва белого карлика.
Судя по количеству обнаруженной серы, J005311 действительно появилась в результате вспышки Iax. Также ученые измерили радиус туманности (около трех световых лет) и скорость ее расширения (примерно 1100 километров в секунду). Если туманность все время расширялась с этой скоростью, то нетрудно подсчитать, что расширение началось около тысячелетия назад. Это вполне согласуется с предполагаемой датой взрыва: 1181 год.
Интересен и внешний вид объекта. Типичные остатки сверхновых вроде Крабовидной туманности выглядят как бесформенные клочья газа. Но не таков ореол вокруг J005311. От нее расходятся правильные и красивые радиальные волокна длиной от двух до восьми световых месяцев. Они делают туманность похожей на фейерверк в небе.
Ученым еще предстоит разобраться в природе этих волокон. Они уже заказали наблюдения на лучших космических телескопах «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Вполне вероятно, эти инструменты помогут дать окончательный ответ на вопрос о природе странной звезды J005311. Да и вообще такой необычный объект нужно тщательно изучить, независимо от того, подтвердится ли теория о его «сверхновом» происхождении.
Источник:
