Объяснено происхождение колец сверхновой 1987А

Рис. 1. Результаты моделирования структуры колец в сверхновой 1987А (из статьи Морриса и Подсядловского astro-ph/0703317)

Прошло уже 20 лет с момента взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом облаке, но тайна трех колец вокруг места взрыва, напоминающих по форме песочные часы, до сих пор не раскрыта. Астрофизики Томас Моррис (Thomas Morris) и Филипп Подcядловский (Philipp Podsiadlowski) из Оксфордского университета (Великобритания) построили трехмерную численную модель, объясняющую свойства тройной системы колец в остатке сверхновой 1987А тем, что взорвавшаяся звезда некогда образовалась в результате слияния компонент двойной системы.

23 февраля 1987 года Земли достиг свет от вспышки сверхновой в Большом Магеллановом облаке, получившей название «сверхновая 1987A» (или SN 1987A — от supernova, SN). Конечно, сама вспышка произошла примерно за 160–170 тысяч лет до этого — именно столько времени нужно, чтобы свет преодолел расстояние, разделяющее нас и карликовый спутник нашей Галактики, но мы, скорее по привычке, будем говорить о «вспышке 1987 года».

Это была первая сверхновая со времен Кеплера в 1604 году, видимая невооруженным глазом (SN 1604 — последняя сверхновая, зафиксированная в нашей Галактике). Наблюдения позволили получить массу информации о сверхновой 1987A, что дало возможность существенно продвинуться в понимании физики взрывов звезд. Благодаря близости Большого Магелланова облака впервые удалось обнаружить на архивных снимках предсверхновую, то есть взорвавшуюся звезду — ею оказался голубой сверхгигант Sanduleak –69°202, описанный в 1969 году румыно-американским астрономом Ником Сандуляком. (Заодно было опровергнуто предположение о том, что все сверхновые образуются из красных сверхгигантов.)

Кроме того, в 1987 году работали нейтринные детекторы, поэтому впервые ученые смогли зарегистрировать нейтринный сигнал от взрыва (за 3 часа до того, как свет от вспышки достиг Земли, сразу несколько нейтринных обсерваторий зафиксировали значительное превышение нейтринного фона). Но и это еще не всё. В течение 20 лет, прошедших с момента взрыва (еще раз подчеркну условность этой фразы), ученые следят за эволюцией остатка сверхновой. Всем известны красивейшие изображения этого объекта. Особенно поражает тройная система колец, высветившихся в остатке сверхновой (к тому же совершенно случайно на остаток спроецировались две звездочки, превратившие два кольца в перстни с бриллиантами). Как же эти кольца образовались?

Рис. 2. Чтобы понять структуру колец SN 1987A, нужно мысленно воспроизвести ее трехмерное изображение. Представьте себе песочные часы (на самом деле, аналогия с песочными часами неполна, поскольку не хватает стенок часов). Меньшее, более яркое кольцо в центре соответствует «талии» часов. А два больших кольца сверху и снизу расположены на расстоянии примерно 0,4 парсека (примерно 1,3 светового года) от плоскости внутреннего кольца. Все кольца находятся примерно на одной оси. (Фото с сайта hubblesite.org)

Кольца не были выброшены при взрыве сверхновой, иначе они должны были бы мгновенно появиться на расстоянии в несколько световых месяцев. (Расстояние внешних колец от места взрыва составляет более светового года, а внутреннего — чуть более светового полугода, и кинематика колец известна.) Значит, они существовали и до вспышки. Просто взрыв «подсветил» их. Телескоп «Хаббл», запущенный в апреле 1990 года, «увидел» внутреннее кольцо вокруг взорвавшейся сверхновой уже 23-24 августа 1990 года. Два внешних, менее ярких, кольца впервые были обнаружены на снимках «Хаббла» в 1994 году.

Необычные свойства самой сверхновой (химические аномалии) вкупе с данными по звезде-прародительнице давно наводили ученых на мысль о том, что голубой сверхгигант Sk –69°202 был образован в результате слияния двух массивных звезд. Но доказать это очень непросто. Возможно, успешное объяснение свойств колец с помощью трехмерного моделирования отчасти послужит таким доказательством.

В течение своей жизни звезды активно теряют вещество. Всем известны красивейшие планетарные туманности, имеющие порой весьма причудливую форму. Все эти чудеса природы образуются из-за истечений звездного вещества, которые могут происходить в несколько этапов, причем потоки могут быть сферически несимметричными. Не являются исключением и герои нашего рассказа — кольца SN 1987A.

Истечение вещества от предсверхновой и стало причиной появления как внутреннего, так и обоих внешних колец. За прошедшие 20 лет строилось множество моделей, пытавшихся объяснить происхождение колец. Однако они не учитывали особенности распределения вещества вокруг звезды перед взрывом. Вероятно, поэтому ни одна модель не могла объяснить весь набор наблюдаемых параметров. Моррису и Подсядловскому, похоже, это удалось.

В модели Морриса и Подсядловского, которую мы будем обсуждать, более мощное излучение соответствует большей плотности газа. Появление этих уплотнений авторы модели связывают с тем, что предсверхновая появилась как результат слияния двух звезд. В модели рассматривается двойная система, состоящая из звезд с массами примерно 15 и 5 солнечных. Более массивная звезда эволюционирует быстрее. Водород в ядре выгорает, и она уходит с главной последовательности (см. Диаграмма Герцшпрунга—Рассела). Затем звезда расширяется, и начинается перенос вещества с одного компонента двойной системы на другой (см. рис. 3, панель a).

Рис. 3. Модель Морриса и Подсядловского. Такая эволюционная схема привела, в частности, к формированию колец. Панель a: начинается неустойчивый перенос вещества с одной звезды на другую. Образуется общая оболочка (панель b). На этой стадии менее массивная звезда (она слева) находится еще на стадии главной последовательности (MS), в то время как вторая, более массивная и, соответственно, быстрее эволюционирующая звезда, уже сформировала внутри себя углеродно-кислородное (CO) ядро. Звезды сближаются внутри общей оболочки, и часть вещества оболочки рассеивается (панель c). Наконец, слияние заканчивается (панель d: темно-синий цвет — это уплотнения, то есть зародыши колец; голубой — вещество, сброшенное при слиянии; красный — вещество, сброшенное при превращении красного гиганта в голубой; желтый — ветер голубого гиганта). После 1000-летней релаксации возникает голубой гигант. К этому моменту рассеивающаяся оболочка уже сформировала вокруг сложную структуру, которая содержит «зародыши» трех колец. Быстрый и мощные ветер гиганта поддувает всю эту структуру. Перед взрывом сверхновой, который произошел спустя примерно 20 000 лет после слияния, весь набор колец уже готов. Остается только ионизовать вещество в них мощным потоком ультрафиолета. (Рис. из обсуждаемой статьи astro-ph/0703317)

Перенос масс в такой системе неустойчив: вторая звезда не может «усвоить» все падающее на нее вещество, поскольку темп переноса слишком велик, и оно «переливается через край». Формируется так называемая «общая оболочка» — то есть двойная система оказывается погруженной в облако газа. В такой ситуации компоненты двойной начинают сближаться (рис. 3, панель b), поскольку угловой момент уносится из системы вместе с веществом оболочки. Часть вещества общей оболочки выбрасывается (рис. 3, панель c). Наконец, звезды сливаются.

Сразу после слияния должно образоваться нечто «большое и рыхлое». Это красный сверхгигант — звезда с относительно холодными (а потому красными) внешними слоями и гигантским радиусом, который составляет около 1500 солнечных. Основная масса звезды (12 из 20 солнечных масс) сосредоточена в гигантской разреженной оболочке. После слияния образовавшаяся звезда быстро вращается (конечно, быстро лишь для своего гигантского размера). Поэтому форма ее не сферическая. Часть вещества оттекает, унося избыточный угловой момент. Звезда меняет свой облик. Она сжимается, и через 1000 лет после слияния возникает голубой гигант (голубой цвет связан с высокой температурой во внешних слоях). Он гораздо компактнее и легче, чем красный сверхгигант. Ведь несколько солнечных масс может быть потеряно звездой за счет оттекающего вещества.

Рис. 4. Распределение вещества вокруг звезды перед взрывом. Черными точками показано вещество звездного ветра голубого гиганта. Голубым и зеленым — вещество оболочки. Уплотнения, показанные зеленым на (X, Z) = (0,4, 0,4) и симметрично на (X, Z) = (0,4, –0,4) станут внешними кольцами (мы смотрим на правую половину среза в меридиональной плоскости). Уплотнение в экваториальной плоскости на X = 0,2 парсека станет внутренним кольцом. Polar axis — полярная ось, equatorial plane — экваториальная плоскость (все относительно звезды, экватор звезды совпадает с орбитальной плоскостью двойной, которая слилась). Звезда находится в точке (0, 0). Рис. из обсуждаемой статьи astro-ph/0703317

В процессе слияния и сброса части общей оболочки — то есть еще до появления голубого гиганта — уже образовались «зародыши» внутреннего и внешних колец. Голубой гигант начинает испускать мощный звездный ветер, гораздо более быстрый, чем ветер красного гиганта. Вещество ветра сталкивается с веществом сброшенной оболочки (рис. 3 панель d). Области высокой плотности выносятся ветром голубого гиганта на большее расстояние. Так образуются внешние кольца. Внутреннее кольцо приобретает свой окончательный облик благодаря взаимодействию ветра голубого гиганта с веществом, вытекшим ранее в экваториальной плоскости.

На рис. 4 показано распределение вещества через 20 000 лет после слияния (что соответствует моменту взрыва). Черными точками показано вещество ветра, цветом — вещество туманности. На рисунке изображена только половина системы, вторая симметрична ей. Чтобы представить всю систему, зеркально отразите рисунок относительно оси Z. Звезда находится в точке (0,0). Всё готово к взрыву.

Теперь, чтобы получить изображение на рис. 1, необходимо только «подсветить» полученную структуру взрывом сверхновой и выбрать правильный ракурс. Ведь, хотя уплотнения вокруг предсверхновой существовали и до взрыва, увидеть с Земли их было невозможно. Вспышка сверхновой за счет мощного ультрафиолетового излучения приводит к ионизации вещества этих уплотнений. Именно так появляются яркие кольца.

Особенно интересно посмотреть на всю эту картину возникновения колец в движении. Сделать это можно здесь и здесь. Один из фильмов (merger.mpg или S1, в зависимости от того, с какого сайта вы их скачиваете) показывает, как в результате слияния происходит формирование структуры вокруг звезды. Второй фильм (wind.mpg или S2) демонстрирует, как ветер голубого гиганта врезается в сформированную структуру. Действие первого фильма происходит на масштабе всего лишь 12 лет. Второй фильм рассказывает об истории продолжительностью 20 000 лет.

Сравнение результата моделирования (рис. 1) с фотографией системы колец (рис. 2) говорит о том, что авторы справились со своей задачей. Кроме объяснения внешнего вида всей системы им удалось также описать кинематические свойства колец. А это уже серьезные аргументы в пользу того, что рассмотренная модель верна. И значит, сверхновая 1987А обязана своими удивительными свойствами слиянию двух звезд.

Источник: T. Morris, Ph. Podsiadlowski. The Triple-Ring Nebula around SN 1987A: Fingerprint of a Binary Merger // astro-ph/0704317.

Сергей Попов

<< Назад