Раскрыта загадка «стандартных свечей»

Сделан решающий шаг в понимании природы сверхновых Ia типа. Исследования, проведенные ведущим научным сотрудником Института космических исследований РАН Маратом Гильфановым и аспирантом Акошом Богданом, сотрудником Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия), показали, что наиболее вероятной причиной взрывов сверхновых этого типа служат слияния двух белых карликов — остатков «умерших» звезд. Этот вывод исключительно важен для космологии, так как именно по таким сверхновым определяют темп расширения Вселенной.

Исследование базировалось на данных, полученных с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории «Chandra» (НАСА). Его результаты были представлены на пресс-конференции НАСА 17 февраля и опубликованы в очередном выпуске журнала «Nature», вышедшем 18 февраля 2010 г. Вспышки сверхновых типа Ia астрономы называют «стандартными свечами». Такое название они получили, так как их светимость практически одинакова, и наблюдаемая яркость таких сверхновых зависит только от расстояния до наблюдателя. Кроме того, они чрезвычайно ярки, благодаря чему их можно обнаруживать на больших расстояниях, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной. Находя подобные сверхновые и измеряя их красные смещения и расстояния до них, можно определять скорость расширения Вселенной в разные моменты времени в прошлом. На основании таких измерений в 1998 г. был сделан вывод о существовании темной энергии.

Однако до настоящего момента механизм таких вспышек оставался до конца неясным. Практически не вызывает сомнений, что сверхновая типа Ia — это результат термоядерного взрыва белого карлика – остатка «умершей» звезды, в которой прекратились ядерные реакции. Его размер примерно в 50—100 раз меньше размера Солнца, а плотность в миллион раз больше. Наиболее вероятная причина взрыва — превышение критического предела массы, так называемого предела Чандрасекхара, приблизительно равного 1,4 массы Солнца. Но о том, как именно происходит накопление вещества, приводящее к взрыву, ученые спорят уже на протяжении двадцати лет. Рассматривались два сценария. Согласно первому, белый карлик в двойной системе с обычной звездой постепенно «перетягивает» на себя вещество своего компаньона (этот процесс называется аккрецией, а сценарий – аккреционным). Во втором сценарии взрыв вызван слиянием двух белых карликов, входящих в одну двойную систему.

Идея, которую высказал и проверил Марат Гильфанов вместе со своим аспирантом Акошем Богданом, состояла в том, что эти два сценария можно различить по предсказываемой ими рентгеновской светимости. Ученые проверили свою гипотезу на примере пяти эллиптических галактик и спиральной галактики Туманность Андромеды (М31). Для исследования использовались данные орбитальной рентгеновской обсерватории «Chandra» (НАСА), а также космического инфракрасного телескопа «Spitzer» (НАСА) и обзора неба в ИК-диапазоне 2MASS.

Оказалось, что наблюдаемая рентгеновская светимость эллиптических галактик в 30—50 раз меньше, чем предсказывается аккреционным сценарием. Поэтому доля сверхновых, взрывающихся по достижении белым карликом критического предела массы в результате аккреции в двойной системе, не превышает нескольких процентов, а наиболее вероятным источником вспышек сверхновых типа Ia становится сценарий сливающихся белых карликов.

Ранее большинство астрономов считало более вероятным аккреционный сценарий, не в последнюю очередь потому, что систем, состоящих из двух белых карликов, известно не так много. Впрочем, причиной этому может быть не их малое количество, а тот факт, что их сложно наблюдать даже через самые совершенные телескопы: ведь белые карлики почти не излучают электромагнитные волны. Так что результат проведенного исследования оказался неожиданным, и возник ряд новых вопросов.

Исследование Марата Гильфанова и Акоша Богдана касалось в первую очередь эллиптических галактик — то есть галактик со старым звездным населением. В более молодых спиральных галактиках, где до сих пор может продолжаться интенсивное звездообразование, ситуация может отличаться, что требует дальнейших исследований.

«Стандартность» вспышек естественна в аккреционном сценарии, так как белые карлики взрываются при одной и той же массе, равной критической. Сценарий же сливающихся белых карликов предсказывает разброс масс и, следовательно, разброс параметров вспышек сверхновых, что, впрочем, и наблюдается. Картина еще более усложнится, если в галактиках разных типов вклады разных сценариев различны. Это необходимо учитывать при проведении высокоточных космологических измерений с использованием сверхновых типа Ia, которые являются одной из главных задач ряда больших астрономических проектов наступающего десятилетия.

На фото: Составное изображение галактики М31 (Туманности Андромеды). Разными цветами показаны изображения, полученные на разных длинах волн. Желтый цвет — изображение в рентгеновском диапазоне (данные орбитальной рентгеновской обсерватории «Chandra»), голубой — в оптическом (обзор DSS), красный — в инфракрасном (данные космического телескопа «Spitzer»). На вставке отдельно показано изображение, полученное «Chandra». Оно покрывают только центральную часть галактики. © X-ray: NASA/CXC/MPA/M.Gilfanov & A.Bogdan; Infrared: NASA/JPL-Caltech/SSC; Optical: DSS