Разная скорость разлета облаков сверхновых типа Ia объясняется асимметричностью взрыва
|
Астрономы используют сверхновые типа Ia, благодаря их одинаковой оптической светимости, для определения расстояний до далеких галактик. Однако в последние годы выяснилось, что некоторые сверхновые выбрасывают свое вещество со скоростями, в полтора раза превышающими средние показатели. Японец Кеичи Маэда с соавторами предложил объяснение этому феномену, не требующее пересмотра устоявшейся теории.
Сверхновые типа Ia (supernovae Ia, SN Ia) часто называют стандартными свечами Вселенной. И вполне по заслугам. Каждая такая звезда на пике своей оптической светимости излучает примерно 1033 киловатт (полное излучение Солнца в миллиарды раз слабее!). Поэтому измерение яркости этих сверхновых позволяет вполне надежно оценивать их расстояние до Солнечной системы. Современная астрофотометрическая аппаратура обеспечивает регистрацию взрывов сверхновых этого типа на дистанциях, превышающих половину поперечника видимой Вселенной. Астрономы используют эту информацию для определения расстояний до очень далеких галактик, что позволяет получить сведения о динамике эволюции космического пространства. Именно анализ спектров излучения таких сверхновых 12 лет назад дал возможность обнаружить ускорение расширения Вселенной, которое чаще всего объясняют наличием темной энергии.
Правда, абсолютная пиковая яркость SN Ia постоянна лишь в первом приближении. На самом деле она варьирует, отклоняясь от среднего значения на 20–30%. Однако эти колебания можно принять в расчет посредством анализа световых кривых этих сверхновых (иначе говоря, изменений их блеска с течением времени), которые очень похожи друг на друга. В течение двух-трех недель после вспышки блеск звезды возрастает в несколько раз, проходит через кратковременный максимум и пару недель снижается в таком же темпе. Затем видимая яркость падает по плавной экспоненте, так что в конце концов звезда полностью исчезает из виду. Темпы снижения блеска хорошо коррелируют с пиковой светимостью — более яркие сверхновые затухают несколько медленней. Учет этого обстоятельства позволяет оценивать космологические расстояния с погрешностью не более 10%.
Еще лет десять назад такая точность считалась вполне достаточной, но сейчас космологи говорят о желательности ее повышения. Это и понятно: более прецизионные промеры космических расстояний порядка миллиардов световых лет позволят лучше оценить динамику изменения параметра Хаббла, определяющего темпы расширения Вселенной.
Здесь, однако, имеется трудность, ставшая очевидной в последние годы. Сверхновые типа Ia после взрыва превращаются в радиоактивные облака, которые разлетаются со скоростями порядка 10 тысяч км/с (значения этих скоростей определяются на базе измерения доплеровских сдвигов спектральных линий). Однако некоторые сверхновые выбрасывают свое вещество с куда большими скоростями, в полтора раза превышающими средние показатели. Их яркость тоже больше нормы, хотя разница и не особенно велика. Поэтому астрофизики заподозрили, что световые кривые сверхновых с особо быстрыми выбросами могут обладать систематическими аномалиями, которые ставят под сомнение возможность их использования для точной калибровки космологических расстояний.
Только что интернациональная группа астрофизиков выступила с результатами многолетнего исследования, которые представляют эту проблему в неожиданном свете. Трое сотрудников Института физики и математики Токийского университета вместе с коллегами из Чили, Италии, Дании, Швеции, ФРГ и США проанализировали как свежие, так и архивные данные о световых кривых десятков сверхновых типа Ia, описывающие поведение этих кривых на длительных промежутках времени, доходящих до нескольких лет (видимая яркость сверхновых при этом падала в сто с лишним раз по сравнению с максимумом). На этой стадии вещество сверхновых успевало разлететься на огромные расстояния и потому делалось сильно разреженным и вполне прозрачным. В результате ученые смогли восстановить геометрию первоначальных фронтов ударных волн, образовавшихся сразу после взрыва.
Кеичи Маэда (Keiichi Maeda) и его соавторы пришли к заключению, что различия в скоростях выбросов сверхновых объясняются просто вариациями угла зрения, под которым наблюдаются продукты взрыва. Они разлетаются в разные стороны с неодинаковыми скоростями, так что большая часть плазмы уходит в одном определенном направлении. Если мы наблюдаем такой асимметричный взрыв «в лоб», наши приборы регистрируют аномально высокую скорость взрывных выбросов. В альтернативной ситуации основная масса разлетевшегося вещества уходит в противоположном направлении, а земные приборы фиксируют взрывные потоки, движущиеся со сниженными скоростями. Так что сверхновые с «быстрыми» и «медленными» послевзрывными выбросами на самом деле ничем не отличаются друг от друга, просто мы видим их в разных перспективах. Судя по всему, это правило соблюдается для абсолютного большинства сверхновых типа Ia (исключения есть, но их немного). Это означает, что астрономы по-прежнему могут полагаться на них для калибровки космологических расстояний.
Выводы Маэды и его коллег хорошо согласуются с новыми теоретическими моделями рождения сверхновых типа Ia. Предшественники этих сверхновых — кислородно-углеродные белые карлики, масса которых лишь ненамного меньше предела Чандрасекара (1,38 солнечной массы). Чтобы превратиться в сверхновую, такой карлик должен иметь в соседях обычную звезду с сильно раздутой водородной атмосферой. Аккреция этого водорода на поверхность карлика может привести к тому, что масса карлика превзойдет эту границу, и он станет быстро сжиматься, разогревая свое ядро. Там начнутся высокотемпературные ядерные реакции, приводящие к синтезу элементов группы железа. Этот процесс ядерного горения порождает волны давления, направленные к поверхности белого карлика. В результате он теряет устойчивость и взрывается, превращаясь в расширяющееся плазменное облако, нагретое до миллиардов градусов.
Раньше считалось, что этот процесс начинается строго в центре карлика и порождает радиально симметричный взрыв. Однако новейшие модели утверждают, что очаг взрыва может быть несколько смещен от центра, в результате чего продукты взрыва уходят в одном преимущественном направлении. Именно этот эффект и обнаружили Маэда и его соавторы.
Источники:
1) K. Maeda, S. Benetti, M. Stritzinger, F. K. Ropke, G. Folatelli, J. Sollerman, S. Taubenberger, K. Nomoto, G. Leloudas, M. Hamuy, M. Tanaka, P. A. Mazzali, N. Elias-Rosa. An asymmetric explosion as the origin of spectral evolution diversity in type Ia supernovae // Nature. V. 466. P. 82–85. 01 July 2010. Doi:10.1038/nature09122.
2) Daniel Kasen. Astrophysics: The supernova has two faces // Nature. V. 466. P. 37–38. 01 July 2010. Doi:10.1038/466037a (популярный пересказ статьи).
Алексей Левин
