Международная группа учёных рассказала об обнаружении нового класса звёзд, представляющих собой недостающее звено в эволюции двойных систем, в конце жизни которых происходит столкновение нейтронных звёзд.

Источник изображений: uni-heidelberg.de

Считается, что при сопровождающем такое столкновение взрыве — килоновой — возникают условия для формирования элементов тяжелее железа: серебра, золота и платины, которые не могут возникать в звёздных ядрах. Поэтому слияния нейтронных звёзд жизненно важны для распространения тяжёлых элементов во Вселенной. Недостающим звеном эволюции килоновых являются входящие в двойные системы звёзды, внешние слои водорода которых поглощаются звездой-компаньоном. «Пострадавшая» при этом процессе звезда остаётся с обнажёнными плотными горячими слоями гелия, образовавшегося в результате синтеза водорода.

Астрономам уже известно о существовании малых и, напротив, массивных обнажённых звёздах (звёздах Вольфа — Райе), но они либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы оказаться в системах, производящих килоновые. Ранее не удавалось обнаружить гелиевые звёзды с массой от двух до восьми солнечных. Из-за этого даже выдвигалась гипотеза о «разрыве масс гелиевых звёзд» и возникали вопросы, могут ли модели жизненного цикла массивных звёзд быть ошибочными. Теперь же международной группе учёных под руководством доцента Университета Торонто Марии Друт (Maria Drout) удалось обнаружить 25 возможных примеров объектов, представляющих это недостающее звено эволюции.

Обнажённые гелиевые звезды промежуточной массы начинают жизненный цикл как гиганты с массой от 8 до 25 солнечных. Они находятся в двойных системах с компаньонами, которые постепенно захватывают их внешние слои. Когда у такой звезды заканчивается топливо для ядерного синтеза, она производит взрыв — сверхновую, при котором выбрасывается относительно небольшое количество вещества, но остаётся ядро в виде нейтронной звезды. В этот момент они меняются местами в паре, и уже новая нейтронная звезда начинает поглощать своего компаньона, который тоже в какой-то момент производит сверхновую.

Эволюция двойных систем с обнажёнными звёздами

Образуется двойная система нейтронных звёзд, состоящая из пары тесно связанных «мертвецов», излучающих при вращении вокруг друг друга гравитационные волны. Эти гравитационные волны уносят с собой момент импульса двойной системы, нейтронные звёзды закручиваются по спирали всё быстрее, пока они не столкнутся и не произведут килоновую. Но для обнаруженных учёными объектов этот сценарий располагается ещё в отдалённом будущем.

Астрономы предполагают, что есть причина, по которой обнаружить обнажённые звёзды промежуточной массы так трудно. Свет, излучаемый ими в видимом диапазоне, перебивается светом сжигающих водород компаньонов. Чтобы обойти это ограничение, исследователи начали искать их в ультрафиолетовом диапазоне, и поиски начали с расположенных неподалёку от Млечного Пути карликовых галактик — Большого и Малого Магеллановых Облаков. В результате удалось обнаружить 25 объектов, которые произведут сверхновые и пары нейтронных звёзд с последующим слиянием.

Одна из таких звёзд сильно отличается от того, что ожидали увидеть учёные: она пока ещё не полностью растеряла внешний водородный слой, и если подобный механизм характерен для других объектов промежуточной массы, то они могут казаться намного больше и холоднее, чем есть на самом деле. Это значит, что звёзды нового класса, возможно, всё время прятались у всех на виду.

Анализируя данные, полученные обсерваториями LIGO и VIRGO, которые изучают гравитационные волны, а также проектом CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), исследователи, вероятно, нашли доказательства первого в истории наблюдения блицара.

Источник изображения: Aman Pal / unsplash.com

Блицар — считающееся гипотетическим астрономическое событие, вызванное коллапсом чрезмерно массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Событие происходит в результате случившегося ранее слияния двух нейтронных звёзд — они порождают нестабильную промежуточную нейтронную звезду, которая вращается настолько быстро, что только центробежные силы удерживают её от немедленного превращения в чёрную дыру. Однако сильные магнитные поля со временем замедляют её вращение, она всё-таки становится чёрной дырой и уходит за горизонт событий. В результате этого коллапса космическая «динамо-машина» уничтожается, и энергия магнитных полей высвобождается в виде быстрого радиовсплеска в широком диапазоне — это и есть блицар.

Учёные предположили, что такое событие, возможно, уже было зафиксировано ранее. Повторяющиеся быстрые радиовсплески обычно связываются с магнетарами — нейтронными звёздами с чрезвычайно сильными магнитными полями. Но если событие носит единичный характер, можно предположить, что породившие его условия уничтожили источник. Поэтому было решено объединить данные обсерваторий LIGO и VIRGO, наблюдающих гравитационные волны, и проекта CHIME, который эффективно фиксирует быстрые радиовсплески. Данные отфильтровали по относительно простому принципу: искомое событие должно было произойти в одной области неба примерно в одно время, причём гравитационная активность должна была быть зафиксирована раньше, чем радиоизлучение. Из 21 слияния нейтронных звёзд, обнаруженного в гравитационных волнах, одно совпало с быстрым радиовсплеском. Причём событие GW190425 (гравитационные волны) произошло за 2,5 часа до FRB 20190425A (быстрый радиовсплеск).

К сожалению, изучающих гравитационные волны обсерваторий пока недостаточно много, и учёные пока не берутся заявлять с полной уверенностью, что это был блицар — они утверждают, что быстрый радиовсплеск с 70-процентной вероятностью произошёл в области слияния нейтронных звёзд. Вероятность случайного совпадения двух этих событий оценивается как 0,004. По данным детекторов гравитационных волн, до слияния нейтронные звезды имели 1,35 и 2,0 масс Солнца, а после него образовался объект в 3,2 массы Солнца. При этом невращающаяся нейтронная звезда должна быть не тяжелее, чем 2,6–3,0 массы Солнца, чтобы не коллапсировать в чёрную дыру. Дальнейшее изучение подобных объектов и событий поможет уточнить теоретические значения этих величин.

Группа американских учёных рассказала о двойной звёздной системе, которая через несколько миллионов лет произведёт килоновую — взрыв, сопровождаемый слиянием двух нейтронных звёзд. Излучаемая при таком взрыве энергия может в тысячу раз превосходить показатели рождения новой.

Источник изображения: noirlab.edu

Одна из звёзд в двойной системе на расстоянии 11 400 световых лет от нас является нейтронной и носит название SGR 0755-2933. В конце своей жизни звезда отдала своему компаньону настолько много вещества, что ей самой уже не хватило материала, чтобы завершить свою жизнь ярким взрывом сверхновой. Вместо этого на закате своей «карьеры» она произвела «тихую» сверхновую — это редкое космическое событие, — после чего превратилась в нейтронную звезду.

Вторая звезда в изученной паре носит название CPD-29 2176 и обращается вокруг своего компаньона с периодом в 60 земных дней. Систему в созвездии Корма случайно обнаружила студентка Авиационного университета Эмбри-Риддл (США, шт. Аризона) Кларисса Павао (Clarissa Pavao) при изучении данных Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. Внимание исследователей привлекла необычно правильная круговая орбита массивной звезды — произведённый её звездой-компаньоном «тихий» взрыв сверхновой оказался недостаточно мощным, чтобы выбросить компаньона на вытянутую эллиптическую орбиту, типичную для подобных двойных систем.

«Тихая» сверхновая SGR 0755-2933 вспыхнула несколько миллионов лет назад, и астрономы считают, что у CPD-29 2176 есть в распоряжении ещё как минимум миллион лет, после чего она сама произведёт сверхновую и превратится в нейтронную звезду. После этого две нейтронные звезды в течение ещё нескольких миллионов лет будут сближаться друг с другом и столкнутся, произведя взрыв килоновой. Ранее считалось, что во всей нашей галактике Млечный Путь таких систем одна или две, сейчас же учёные увеличили их оценочное число до десяти.

В результате подобных взрывов образуются огромные количества тяжёлых элементов: платины, ксенона, урана и золота, которые просто выбрасываются в пространство. Астрономы считают, что после таких событий вещества зависают в межзвёздной среде и впоследствии образуют астероиды — в результате их падения на Землю по мере её формирования появились драгоценные металлы, которые мы видим сегодня.

Американские учёные рассказали о двух сверхтяжёлых нейтронных звёздах, продолжительность жизни которых составила считанные доли секунды, после чего они превратились в чёрные дыры. Данные об этом обнаружились в архивах данных, собранных космической гамма-обсерваторией «Комптон» ), выведенной из эксплуатации ещё в 2000 году.

Источник изображения: nasa.gov

Когда звезды в определённом диапазоне масс взрываются и формируют сверхновые, они оставляют после себя сверхплотное ядро — нейтронную звезду с диаметром в десятки километров при массе, близкой к солнечной. Часто такое бывает в двойных системах — в конечном итоге две нейтронные звезды формируют один объект. Характер этого объекта зависит от его массы: если она немногим превышает две солнечных, то объект под действием собственной гравитации схлопывается в чёрную дыру, в противном случае остаётся нейтронная звезда.

В новом исследовании американским учёным удалось обнаружить сигналы объектов промежуточной стадии — сверхтяжёлых нейтронных звёзд, которые существуют менее секунды. Согласно компьютерному моделированию, при образовании сверхтяжёлой нейтронной звезды в её гравитационных волнах возникают квазипериодические колебания, зафиксировать которые пока не может ни одна современная обсерватория. Тогда учёные предположили, что их след можно обнаружить и в гамма-диапазоне.

Для проверки этой идеи исследователи изучили данные 700 коротких гамма-всплесков, зафиксированных за последние десятилетия, и обнаружили в архивах космической гамма-обсерватории «Комптон» два события с квазипериодическими колебаниями — одно произошло в июле 1991 года, а второе пришлось на ноябрь 1993 года. По подсчётам учёных, обнаруженные сверхтяжёлые нейтронные звёзды имели массу, в 2,5 раза превышающую солнечную, и существовали не более 300 мс, после чего схлопывались в чёрные дыры. И вращались они со скоростью почти 78 000 об/мин — для сравнения, самый быстрый пульсар показывает около 43 000 об/мин.

Авторы исследования надеются, что будущие детекторы гравитационных волн будут достаточно чувствительными, чтобы собственными силами обнаруживать признаки сверхтяжёлых нейтронных звёзд — можно будет лучше изучить эти недолговечные объекты.