Цветная композиция обсерватории Лас-Камбрес и космического телескопа Хаббла: сверхновая, захваченная электроном, 2018zd (большая белая точка справа) и родительская галактика со вспышкой звездообразования NGC 2146 (слева). Предоставлено: NASA / STScI / J. ДеПаскаль; Обсерватория Лас-Кумбрес
Международная группа ученых во главе с учеными из обсерватории Лас-Камбрес обнаружила первое убедительное свидетельство нового типа звездного взрыва - сверхновой с захватом электрона. Хотя они теоретизировались в течение 40 лет, реальных примеров было неуловимо. Считается, что они возникают в результате взрывов массивных звезд суперасимптотической ветви гигантов (SAGB), свидетельства о которых также отсутствуют. Открытие также проливает новый свет на тысячелетнюю тайну сверхновой с 1054 года нашей эры, которая наблюдалась во всем мире в дневное время, прежде чем в конечном итоге превратилась в Крабовидную туманность.
Исторически сложилось так, что существует два основных типа сверхновых. Один из них - термоядерная сверхновая - взрыв белого карлика после того, как он приобрел материю в двойной звездной системе. Эти белые карлики представляют собой плотные ядра пепла, которые остаются после того, как маломассивная звезда (одна из которых примерно в 8 раз больше массы Солнца) достигает конца своей жизни. Другой основной тип сверхновой - сверхновая с коллапсом железного ядра, когда у массивной звезды - масса которой примерно в 10 раз больше массы Солнца - заканчивается ядерное топливо, и ее железное ядро разрушается, образуя черную дыру или нейтронную звезду. Сверхновые с захватом электронов находятся на границе между этими двумя типами сверхновых. Звезды прекращают синтез, когда их ядра состоят из кислорода, неона и магния; они недостаточно массивны, чтобы создавать железо.
В то время как гравитация всегда пытается раздавить звезду, то, что удерживает большинство звезд от коллапса, - это либо продолжающийся синтез, либо тот факт, что вы не можете плотнее упаковать атомы в ядрах, где он остановился. В сверхновой с захватом электронов некоторые электроны в ядре кислород-неон-магний врезаются в свои атомные ядра в процессе, называемом захватом электронов. Это удаление электронов заставляет ядро звезды искривляться под собственным весом и коллапсировать, что приводит к сверхновой с захватом электронов.
Если бы звезда была немного тяжелее, основные элементы могли бы слиться, чтобы создать более тяжелые элементы, продлив ее жизнь. Так что это своего рода ситуация обратной Златовласки: звезда недостаточно легка, чтобы избежать коллапса ядра, и недостаточно тяжелая, чтобы продлить свою жизнь и умереть позже другими способами.
Эта теория была сформулирована в начале 1980 года Кеничи Номото из Токийского университета и другими. На протяжении десятилетий теоретики формулировали предположения о том, что искать в сверхновой, захватывающей электрон, и в ее звездных прародителях типа SAGB. Звезды должны иметь большую массу, терять большую часть перед взрывом, и эта масса рядом с умирающей звездой должна иметь необычный химический состав. Тогда сверхновая, захватывающая электроны, должна быть слабой, иметь мало радиоактивных осадков и иметь в ядре элементы, богатые нейтронами.
Художники изображают суперасимптотическую гигантскую звезду-ветвь (слева) и ее ядро (справа), состоящее из кислорода (O), неона (Ne) и магния (Mg). Супер-асимптотическая гигантская ветвь звезды - это конечное состояние звезд в диапазоне масс около 8-10 масс Солнца, ядро которой поддерживается давлением электронов (e-). Когда ядро становится достаточно плотным, неон и магний начинают поглощать электроны (так называемые реакции захвата электронов), уменьшая давление в ядре и вызывая взрыв сверхновой звезды с коллапсом ядра. Кредит: С. Уилкинсон; Обсерватория Лас-Кумбрес
Новое исследование, опубликованное в Астрономия природы, возглавляется Даичи Хирамацу, аспирантом Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) и обсерватории Лас-Камбрес (LCO). Хирамацу является одним из основных участников проекта Global Supernova, всемирной группы ученых, использующих десятки телескопов по всему земному шару. Команда обнаружила, что сверхновая SN 2018zd имела много необычных характеристик, некоторые из которых были впервые замечены у сверхновой.
Помогло то, что сверхновая находилась относительно близко - всего в 31 миллионе световых лет от галактики NGC 2146. Это позволило команде изучить архивные изображения, сделанные до взрыва в галактике. Космический телескоп Хаббла и для обнаружения вероятной звезды-прародителя до того, как она взорвалась. Наблюдения согласуются с другой недавно идентифицированной звездой SAGB в Млечном Пути, но несовместимы с моделями красных сверхгигантов, предшественников нормальных сверхновых с коллапсом железного ядра.
В ходе исследования были проанализированы все опубликованные данные о сверхновых и было обнаружено, что, хотя некоторые из них имели несколько индикаторов, предсказанных для сверхновых с захватом электронов, только SN 2018zd имел все шесть - очевидный предшественник SAGB, сильная потеря массы до сверхновой, необычная звездная химический состав, слабый взрыв, небольшая радиоактивность и богатая нейтронами активная зона.
«Мы начали с того, что спросили:« Что это за чудак? »- сказал Хирамацу. «Затем мы изучили все аспекты SN 2018zd и поняли, что все они могут быть объяснены в сценарии электронного захвата».
Новые открытия также проливают свет на некоторые загадки самой известной сверхновой звезды прошлого. В 1054 году нашей эры в Галактике Млечный Путь произошла сверхновая, и, согласно китайским и японским записям, она была настолько яркой, что ее можно было наблюдать днем в течение 23 дней, а ночью - почти два года. Образовавшийся остаток, Крабовидная туманность, был изучен очень подробно. Раньше это был лучший кандидат на роль сверхновой с захватом электронов, но это было сомнительно отчасти потому, что взрыв произошел почти тысячу лет назад. Новый результат увеличивает уверенность в том, что историческая SN 1054 была сверхновой с захватом электрона. Это также объясняет, почему эта сверхновая была относительно яркой по сравнению с моделями: ее светимость, вероятно, была искусственно увеличена из-за столкновения выброса сверхновой с материалом, отброшенным звездой-прародительницей, как это было видно на SN 2018zd.
Доктор Кен Номото из ИПМУ Кавли Токийского университета был взволнован тем, что его теория была подтверждена, и добавил: «Я очень рад, что наконец была открыта сверхновая с захватом электронов, которая, по прогнозам моих коллег, существует и имеет связь. в Крабовидную туманность 40 лет назад. Я очень ценю огромные усилия, приложенные для получения этих наблюдений. Это прекрасный случай сочетания наблюдений и теории ».
Хирамацу добавил: «Это был такой« момент Эврики »для всех нас, что мы можем внести свой вклад в закрытие теоретической петли 40-летней давности, и для меня лично, потому что моя карьера в астрономии началась, когда я посмотрел потрясающие фотографии Вселенная в школьной библиотеке, одной из которых была знаменитая Крабовидная туманность, снятая Космический телескоп Хаббла".
«Термин Розеттский камень слишком часто используется в качестве аналогии, когда мы находим новый астрофизический объект», - сказал доктор Эндрю Хауэлл, штатный научный сотрудник обсерватории Лас-Камбрес и дополнительный преподаватель Калифорнийского университета в Калифорнии, «но в данном случае я думаю, что это уместно. . Эта сверхновая звезда буквально помогает нам расшифровывать записи тысячелетней давности из культур со всего мира. И это помогает нам связать одну вещь, которую мы не до конца понимаем, Крабовидную туманность, с другой вещью, о которой у нас есть невероятные современные записи, - с этой сверхновой. В процессе он учит нас фундаментальной физике: как создаются некоторые нейтронные звезды, как живут и умирают экстремальные звезды, и как элементы, из которых мы состоим, создаются и рассеиваются по Вселенной ». Доктор Хауэлл - руководитель проекта Global Supernova и научный руководитель ведущего автора.
Подробнее об этом исследовании:
Ссылка: «Захват электронов сверхновой звезды 2018zd» Дайчи Хирамацу, Д. Эндрю Хауэлл, Шайлер Д. Ван Дайк, Джаред А. Голдберг, Кейичи Маэда, Такаши Дж. Мория, Нозому Томинага, Кеничи Номото, Гриффин Хоссейнзаде. , Иэр Аркави, Кертис Маккалли, Джеймисон Берк, К. Азали Бостром, Стефано Валенти, Йизе Донг, Питер Дж. Браун, Дженнифер Э. Эндрюс, Кристофер Билински, Дж. Грант Уильямс, Пол С. Смит, Натан Смит, Дэвид Дж. Санд, Гагандип С. Ананд, Ченгюань Сю, Алексей В. Филиппенко, Мелина С. Берстен, Гастон Фолателли, Патрик Л. Келли, Тошихиде Ногучи и Коичи Итагаки, 28 июня 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038/s41550-021-01384-2
DH, DAH, GH, CM и JB были поддержаны грантами Национального научного фонда США (NSF) AST-1313484 и AST-1911225, а также грантом Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) 80NSSC19kf1639.
