Томография для сверхновых

Методы оптической спектроскопии помогут  пролить свет на  эволюцию сверхновых звёзд.

Белые карлики – стадия эволюции некоторых звёзд, когда в них перестает работать термоядерная «топка», они сжимаются и излучают за счёт ещё оставшейся тепловой энергии. Однако часть из них не желает спокойно угаснуть и заканчивает свою жизнь термоядерными взрывами, называемыми сверхновыми типа Ia.

Изучение сверхновых - один из важнейших вопросов в астрофизике. Именно эти взрывы рассеивают в космосе тяжелые химические элементы, образующиеся в звездных ядрах и во время самих взрывов. А из этих элементов потом рождаются звёзды следующих поколений, их планетные системы и жизнь на них. Это в полной мере относится к Солнечной системе, Земле и жизни на ней. Так, большая часть марганца, железа и никеля на Земле была получена в результате этих взрывов более пяти миллиардов лет назад.

Но их изучение интересно не только с точки зрения понимания эволюции звёзд, но и с точки зрения эволюции всей Вселенной. Дело в том, что именно наблюдения за сверхновыми типа Ia привели к открытию ускоренного расширения Вселенной (Нобелевская премия по физике за 2011 год).

Сверхновые этого типа используются космологами в качестве стандартных источников («свечей») для измерения астрономических расстояний. Связано это с тем, что по существующей теории белые карлики взрываются благодаря увеличению своей массы за счёт падения на них окружающего вещества (аккреции) при превышении предела Чандрасекара (около 1,44 масс Солнца). Из-за постоянства этого значения и однородности вещества такие сверхновые обладают одинаковой максимальной светимостью.

Тем не менее, полного согласия относительно звездной эволюции, приводящей к взрыву, и самих механизмов взрыва нет. Теоретические модели полны неопределённостей. Например, в течение десятилетий считалось, что для взрыва звезды необходима масса, превышающая предел Чандрасекара. Однако сейчас астрофизики полагают, что и белые карлики меньшей массы также могут взрываться, хотя для подтверждения этого вывода необходимы дополнительные наблюдения. Непонятно, и как развивается взрыв, начинается ли он вблизи центра звезды или вблизи ее поверхности, и так далее.

Астрофизики из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, сообщают о разработанном ими новом методе наблюдений, который они называют томографией остатков сверхновых. Метод основан на оптической спектроскопии различных слоев вещества сверхновой, выброшенного взрывом наружу. Он позволяет тестировать модели сверхновых, поскольку разные механизмы взрыва дают различный химический состав и картину выброса.

На сегодняшний день анализ состава остатков сверхновых в основном основан на рентгеновских спектроскопических наблюдениях, которые ограничены небольшим количеством доступных рентгеновских фотонов и точностью приборов, часто недостаточной для определения важных характеристик.

Новый метод позволяет определить состав и динамику выброса с использованием видимого излучения сильно ионизованного железа, серы и других элементов. Несмотря на слабость этого излучения, исследователям всё же удалось его зарегистрировать, используя современное оборудование Очень Большого Телескопа (VLT) в Чили. Ранее астрофизикам удавалось увидеть только оптическое излучение от возмущённой взрывом межзвездной среды, теперь же они наблюдали сами выбросы.

Для изучения исследователи выбрали три остатка сверхновых типа Ia в Большом Магеллановом облаке – галактике-спутнике Млечного Пути. В одном случае они обнаружили, что линии излучения соответствуют предсказанным стандартными моделями взрыва белого карлика с массой, близкой к пределу Чандрасекара. А вот в другом – спектр указывает на взрыв белого карлика с массой ниже предела Чандрасекара. Важно отметить, что им удалось определить доплеровские сдвиги спектральных линий, которые могут быть связаны со скоростями выброса вещества в разных направлениях.

Исследователи считают свой результат одним из самых важных открытий в области исследований остатков сверхновой за последнее десятилетие. Но пока это лишь первый шаг к реализации потенциала нового метода. Теоретики теперь должны предоставить модельные прогнозы для спектральных линий, чтобы их можно было сравнить с наблюдениями.