Большая Медведица "подожгла" Сигару сверхновой 2014 года *

Отечественные астрономы в составе международного коллектива исследователей оперативно проанализировали излучение от взрыва сверхновой

01.09.2014 в 20:16, просмотров: 6742

 15 января 2014 года британский астрофизик Стив Фосси сквозь обычный университетский телескоп показывал студентам на занятиях галактику М-82 (Сигара) в созвездии Большая Медведица. Повезло случайно: неизвестная сверхновая SN 2014J была застигнута в самом начале своей вспышки, с разницей в день-полтора. Данные со спутника INTEGRAL Европейского космического агентства, полученные уже между 50 и 100 днями после взрыва сверхновой, позволили досконально осмыслить это космическое происшествие. «МК» в расклад небесных тайн посвятил участник нового изыскания из Института астрономии РАН Николай Чугай:

Большая Медведица
фото: nasa.gov
Сверхновая SN 2014J в галактике M82.

 -- Впервые были обнаружены гамма-линии от сверхновой типа Ia, рассказывает российский астроном. Открытая в начале этого года сверхновая SN 2014J является результатом термоядерного взрыва белого карлика, когда его масса становится равной 1,4 солнечной массы. Это так называемый предел Чандрасекара, при котором белый карлик теряет устойчивость и взрывается с полным разлётом вещества. Вопрос о том, как белый карлик достигает такой критической массы, остается пока открытым. Хотя несомненно, что такое может произойти только в двойной системе (подробности ниже *).

Справка МК

Сверхновая Ia достигает максимума оптического свечения через 18 дней после взрыва. После этого свечение убывает. В нашей галактике вспышки сверхновых типа Ia происходили в 1006, 1572 и 1604 годах. На их месте видны газовые оболочки, расширяющиеся со скоростями несколько тысяч км/с. 

Кроме того, добавил Николай Чугай, впервые непосредственно подтверждена гипотеза о том, что при взрывах сверхновых типа Iа (термоядерных взрывах белых карликов) образуется большое количество никеля-56, приблизительно 0,6 солнечной массы.

Следует сказать, что сверхновая SN 2014J практически не отличается от всех остальных сверхновых того же типа, так что полученный результат имеет отношение к большинству сверхновых данного класса.

Полученные результаты вносят вклад в понимание того, в какой мере взрыв сверхновой Ia соответствует одному из двух основных сценариев, ведущих к взрыву.

Дело в том, что взрыв сверхновой может протекать по-разному в зависимости от того, образуется ли белый карлик чандрасекаровской массы в результате аккреции вещества нормальной звезды в двойной системе, или же в результате быстрого слияния двух белых карликов. В этих случаях наблюдаемая картина взрыва сверхновых Ia может быть несколько различной.

* * *

В международном исследовании основной вклад внесла группа специалистов из института ИКИ РАН (ведущий автор: Евгений Чуразов; также - Рашид Сюняев и другие). Статья с результатами исследований опубликована в Nature («Cobalt-56 γ-ray emission lines from the type Ia supernova 2014J»).

фото: Сергей Кирдин
Научная карикатура "Большая Медведица "подожгла" Сигару сверхновой".

КАК УСТРОЕН ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ

(глубже для интересующихся) *

Звезда SN 2014J - это термоядерная сверхновая, которая взрывается в результате неустойчивости белого карлика с массой Чандрасекара равной 1,4 солнечной массы. Вопрос, как белый карлик достигает такой массы, остается пока открытым. Обычный белый карлик с массой от 0.6 до одной солнечной массы, должен набрать недостающую массу до предела Чандрасекара. Это может произойти в двойной системе в результате перетекания вещества от нормальной звезды-спутника на белый карлик.

Другой сценарий, который считается наиболее вероятным, предполагает слияние двух белых карликов, при котором суммарная масса карликов превышает 1.4 солнечной массы.

Как только карлик достигает предела Чандрасекара, возникает условие для термоядерного взрыва. Происходит распространение волны термоядерного горения сначала в дозвуковом режиме, потом в сверхзвуковом, при котором развивается детонация, т. е. взрывной процесс. В результате взрыва вещество белого карлика, которое состояло в основном из углерода и кислорода (атомный вес 12 и 16), превращается в вещество, состоящее из более тяжёлых элементов, среди которых доминируют железо (атомный вес 56).

Железо в определённом смысле – пепел термоядерного горения, т. е. термоядерных превращений, протекающих при взрыве. Но, на самом деле подлинным пеплом термоядерного горения является никель-56, ядро которого имеет наибольшую энергию связи на один протон или нейтрон.

Это объясняет, почему при взрыве сверхновой типа Ia образуется никель-56. Ядро никеля-56, однако, является неустойчивым относительно захвата электрона с последующим превращением его в ядро кобальта-56. Это происходит с характерным временем полураспада 6 суток. Ядро кобальта-56 в свою очередь тоже неустойчиво и после захвата электрона, и частично в результате бета-распада, с характерным временем полураспада 77 дней превращается в ядро железа-56, которое является основным изотопом привычного нам железа.

Можно сказать, что все железо во Вселенной – результат описанного процесса ядерных превращений, в которых вначале образуется ядро никеля-56, которое затем превращается в кобальт-56, а тот – в железо-56. Индикатором этого процесса являются гамма-кванты определенной энергии, которые излучаются в описанных превращениях.

Детекторы, установленные на обсерватории INTEGRAL зарегистрировали гамма-кванты с энергией 0.847 МэВ и 1.238 МэВ, которые определенно связаны с распадом кобальта-56 в железо-56. Источником этих гамма-квантов является сверхновая, взорвавшаяся в близкой галактике М82 (Сигара).

Этапы взрыва сверхновой. Иллюстрация: ESA/ATG medialab.

Удаче эксперимента поспособствовали три обстоятельства.

Первое, то что INTEGRAL до сих пор работает и прекрасно исполняет свои функции.

Второе, то что взорвалась близкая сверхновая Iа, на расстоянии 10 млн световых лет, всего лишь в пять раз дальше ближайшей к нам нормальной галактики М31 в Андромеде.

И наконец третье, важное обстоятельство. Комитет по утверждению заявок на наблюдения и распределение времени предоставил вне плана затребованные 1 миллион секунд для выполнения данного эксперимента.

Хотя поток квантов слабый, – близкая сверхновая всё-же довольно далека, – одного миллиона секунд хватило для того, чтобы уверенно зарегистрировать два пика на фоне шума. Эти пики в точности совпали с известными гамма-линиями, сопровождающими радиоактивное превращение кобальта-56 в железо.

Это стало решающим подтверждением того, что картина термоядерного взрыва, лежащая в основе теории этого явления, в принципиальных чертах верна. Измерив интенсивность этого сигнала, и зная расстояние до сверхновой, удалось определить, сколько радиоактивного никеля-56 было синтезировано при взрыве SN 2014J.

Заметим, что такие же гамма-линии наблюдались 27 лет назад от сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке 1987 года. Эта сверхновая, однако, иного класса, типа II, и механизм взрыва таких сверхновых совершенно другой физической природы. В этом случае при взрыве было выброшено в 10 раз меньше никеля-56, чем в SN 2014J. Примечательно, что сверхновые типа II будучи более частыми явлениями вносят сопоставимый со сверхновыми Ia вклад в обогащение Вселенной железом.

Рис 1. Цепочка распадов 56Ni => 56Co => 56Fe высвобождает большое число гамма-квантов и позитронов. На начальном этапе расширения оболочки (10–20 дней) гамма-кванты «гибнут» в оболочке сверхновой, нагревая ее и вызывая свечение оболочки в оптическом диапазоне. Позднее оболочка становится прозрачной и гамма-кванты имеют возможность выйти из оболочки. Спектр излучения сверхновой формируется из гамма-линий, их комптонизированного излучения и излучения аннигиляции позитронов © ИКИ РАН.

Рис 2. Спектр SN2014J полученный обсерваторией ИНТЕГРАЛ за период с 50-й по 100-й дни после вспышки. Красные и синие точки показывают данные приборов SPI и ISGRI/IBIS. Черная кривая показывает модель спектра сверхновой на 75-й день после взрыва. Ожидаемые вклады трехфотонной аннигиляции позитрония (сиреневый цвет) и комптоновского рассеяния линий 847 и 1238 кэВ (зеленый цвет) представлены на вставке. Верхний ряд показывает изображения, полученные обсерваторией ИНТЕГРАЛ. Четко виден источник гамма-излучения на месте SN2014J. © ИКИ РАН.

ВИДЕОРЕКОНСТРУКЦИИ взрывов сверхновых 

ВИДЕОЛЕКЦИЯ Николая Н. Чугая о сверхновых



Партнеры