Как формируются бинарные звездные системы? Астрономы наконец разгадывают тайну

Впечатляющий взрыв сверхновой, более чем в миллиард раз ярче нашего Солнца, ознаменовал рождение нейтронной звезды, вращающейся вокруг своего горячего и плотного спутника. Теперь этим двум плотным остаткам суждено слиться друг с другом примерно через миллиард лет, в конечном итоге слиться и дать некоторые из самых тяжелых из известных элементов во вселенной.

Взрыв произошел в галактике, похожей на наш собственный Млечный путь, на расстоянии почти 920 миллионов световых лет. Небольшой телескоп в Паломарской обсерватории в Калифорнии обнаружил первые фотоны сверхновой звезды - iPTF 14gqr - всего через несколько часов после взрыва, когда она была более чем в 10 раз горячее, чем поверхность нашего Солнца. Поскольку яркость сверхновой звезды развивалась в течение следующих двух недель, международная группа астрономов использовала данные, чтобы проследить происхождение взрыва для массивной звезды с радиусом в 500 раз больше солнечного.

Но не только гигантский размер звезды сделал это открытие особенно примечательным. Что было необычным, так это то, что звезда также казалась самой легкой из всех известных взрывающихся гигантских звезд. Эта массивная звезда была лишена почти всей своей массы, возможно, плотным спутником на орбите. Когда он взорвался, он оставил новорожденную нейтронную звезду, которая продолжала вращаться вокруг своего спутника.

Понимание формирования двойных звездных систем, в которых две сверхплотные звезды вращаются вокруг друг друга, всегда было загадкой. Эти мимолетные сверхновые, которые дают эти плотные двойные звездные системы, встречаются редко и их трудно найти, потому что они быстро появляются и исчезают в небе - примерно в пять раз быстрее, чем типичная сверхновая.

Это первое наблюдение сверхширокой сверхновой, которое мои коллеги и я подробно описываем в новом исследовании, не только дает представление о формировании этих систем, но также раскрывает последние этапы жизни этих уникальных массивных звезд, которые были разграбили всю их массу, прежде чем они умрут.

Разгадай давнюю тайну

Звезды, рожденные с массой солнца, в восемь раз превышающей массу Солнца, быстро истощаются и поддаются гравитации в конце своей жизни - падают на себя и взрываются в сверхновой. Когда это происходит, все внешние слои звезды - в несколько раз больше массы Солнца - рассеиваются.

Когда я начал работать со своим советником Манси Касливалем в качестве нового аспиранта, я решил изучать сверхновые, которые быстро исчезают в яркости. Разрабатывая базу данных событий, обнаруженных iPTF, я наткнулся на iPTF 14gqr, быстро исчезающую сверхновую, которая была обнаружена более года назад, но чья истинная физическая природа оставалась загадочной.

Данные были озадачивающими, потому что наши предварительные модели предполагали, что эта сверхновая была вызвана гибелью гигантской массивной звезды, но сам по себе взрыв был довольно слабым. Он выбрасывал только одну пятую массы Солнца, а его энергия составляла лишь одну десятую типичной сверхновой. Где была вся пропавшая материя и энергия?

Подсказки указывали, что взрывающаяся звезда должна была быть лишена почти всей своей первоначальной массы до взрыва. Но что могло украсть так много вещества у этой гигантской звезды? Возможно, невидимый двоичный компаньон?

Я начал читать о редких бинарных звездных сценариях, когда впервые столкнулся с идеей «ультраполосных сверхновых».

Ультраразделенные сверхновые

Когда у массивной звезды есть плотная и соседняя двойная звезда-компаньон, интенсивное гравитационное притяжение спутника может лишить его ничего не подозревающего соседа почти всей его массы, прежде чем она взорвется - отсюда и термин «ультра-раздетый».

Сверхполосная сверхновая оставляет за собой нейтронную звезду, быстро вращающийся плотный звездный труп, содержащий чуть больше, чем масса Солнца, втиснутая в область размером с центр Лос-Анджелеса. Эта нейтронная звезда заперта на узкой орбите вокруг своего спутника. Компаньоном может быть другая нейтронная звезда, или даже белый карлик или черная дыра, которая образовалась из массивной звезды, которая умерла за несколько миллионов лет до своего спутника.

Такие бинарные системы были важной областью астрофизических исследований в течение нескольких десятилетий. Мы непосредственно наблюдали множество таких систем в нашей собственной галактике с помощью оптических и радиотелескопов. Первое косвенное обнаружение гравитационных волн пришло из наблюдений двойной системы нейтронных звезд. Совсем недавно, первое слияние системы с двойной нейтронной звездой было обнаружено как усовершенствованным LIGO, так и электромагнитными волнами в 2017 году, что дало астрономам уникальное понимание работы гравитации и происхождения тяжелых элементов во Вселенной.

Тем не менее, долгое время оставалось загадкой, как образуются двойные звезды. Мы знаем, что нейтронные звезды образуются при взрывах сверхновых. Но для того, чтобы получить двойные нейтронные звезды, вам нужен двоичный массив из двух массивных звезд, чтобы начать. Однако требуется точный баланс сил, чтобы гарантировать, что двойные нейтронные звезды остаются достаточно стабильными, чтобы пережить два насильственных взрыва, которые создают систему.

Несколько линий косвенных свидетельств предполагают, что они сформированы в очень редком классе слабых ультраполосных взрывов сверхновых. Но эти слабые взрывы до сих пор избежали прямого обнаружения. Это первое наблюдательное свидетельство ультраполосной сверхновой открывает возможность для понимания формирования плотных двойных систем нейтронных звезд.

Сканирование небес на предмет взрывов младенцев

Наша сверхновая была обнаружена во время промежуточного опроса Palomar Transient Factory (iPTF). В автоматизированной съемке iPTF использовалась большая камера, установленная на телескопе размером 1 метр, для того, чтобы каждую ночь фотографировать небо и сканировать «новые звезды». Приоритетом поиска была охота на сверхновые и выявление источника.

Всякий раз, когда обнаруживается новая звезда, исследовательский робот немедленно предупреждает дежурных астрономов, находящихся в совершенно другом часовом поясе, о последующих действиях. Эта стратегия вместе с глобальной сетью телескопов позволила нам поймать несколько взрывающихся звезд в действии и понять, как они выглядели непосредственно перед тем, как взорваться. На самом деле, обнаружение редкой сверхчистой сверхновой в моменты после взрыва было счастливым совпадением!

Это единственное событие предоставило нам первое понимание массы и энергии, выделяемой при таких взрывах, жизненного цикла массивных звезд и образования двойных звезд. Тем не менее, из более обширной выборки этих событий можно многому научиться.

С Zwicky Transient Facilty - преемником iPTF, который может сканировать небо в 10 раз быстрее - и глобальной сетью телескопов под названием GROWTH, мы надеемся засвидетельствовать более взрывоопасные взрывы, начав новый эпизод в нашем понимании этих уникальных звездных систем.,

Эта статья была первоначально опубликована в «Разговоре» Кишалай Де. Прочитайте оригинальную статью здесь.