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.

Как считают учёные, взрыв близкой сверхновой рядом с Солнцем на заре формирования нашей звезды мог поставить точку в истории формирования нашей звёздной системы — если бы не облако молекулярного газа, выступившего в роли своеобразного щита.

Иллюстрация. Источник изображения: NASA

Учёные пришли к такому мнению после изучения изотопов элементов, обнаруженных в метеоритах. Обычно такие объекты являются фрагментами астероидов, сформировавшихся из материалов, находившихся рядом, когда формировалась звезда и другие планеты. Таким образом, метеориты являются своеобразными остатками, позволяющими исследователям реконструировать эволюцию Солнечной системы.

Изучение радиоактивных изотопов алюминия в образцах метеоритов позволило установить, что около 4,6 млрд лет назад в системе появился дополнительный радиоактивный алюминий — лучшим объяснением этому, по мнению учёных, является «впрыск» материала от взорвавшейся рядом сверхновой.

По данным исследователей Национальной астрономической обсерватории Японии, находившаяся во «младенчестве» Солнечная система, вероятно, действительно пережила такой взрыв, а окружавший её «кокон» защитил от полного уничтожения. Взрывы сверхновых обычно случаются, когда у массивных умирающих звёзд заканчивается топливо для ядерного синтеза и их ядра больше не могут противостоять гравитационному коллапсу. Это и приводит к взрыву, благодаря которому в космос выбрасываются элементы, накапливавшиеся во время жизни звезды. Материалы становятся кирпичиками следующего поколения звёзд — но достаточно мощный взрыв может негативно повлиять на находящуюся рядом звезду и зарождающуюся планетную систему.

Поскольку звёзды обычно рождаются в гигантских облаках молекулярного газа, по мнению учёных, у взорвавшейся сверхновой ушло около 300 тыс. лет, чтобы «взломать» плотную защиту, окружавшую Солнечную систему. Метеориты, богатые радиоактивными изотопами, в своё время откололись от астероидов, родившихся в первые 100 тыс. лет существования Солнечной системы, когда она всё ещё находилась в плотном газовом «коконе», который защищал её от жёсткой радиации — радиация могла негативно сказаться на формировании планет вроде Земли. Новые результаты свидетельствуют о том, что плотные «нити», сформировавшиеся из окружавшего систему газа, могли задержать и доставить в регион, близкий к Солнцу, и радиоактивные изотопы. Ожидается, что открытие станет критически важным для понимания процесса формирования и эволюции звёзд и их планетарных систем.

Например, подобные «нити» могут играть важную роль в защите молодой Солнечной системы от жёсткой радиации соседних звёзд, которая могла бы «испарить» протозвёздный диск, что повлияло бы на его конечный размер, в результате это обязательно сказалось бы на формировании планет в диске.

Четыре года назад одна из ярчайших звёзд нашего неба — Бетельгейзе — резко потеряла в яркости, что позже назвали Великим Потускнением. С тех пор астрономы стали уделять этой звезде максимальное внимание, чтобы на её примере отточить модели эволюции некоторого типа звёзд. Главной интригой остаётся точность прогноза о превращении Бетельгейзе в сверхновую. Раньше на это давали десятки тысяч лет, но есть мнение, что она рванёт очень и очень скоро.

Масштабы Бетельгейзе: фотосфера звезды распространялась бы до орбиты Юпитера. Источник изображения: ESO

Бетельгейзе — это красный сверхгигант в созвездии Ориона на удалении 650 световых лет от Земли. Считается, что это звезда типа O. Звезда находится на грани превращения в сверхновую. Но когда она перейдёт эту грань зависит от целого ряда факторов и один из них — это реальные размеры звезды, о чём учёные спорят несколько десятилетий.

Согласно последним измерениям, Бетельгейзе скорее маленькая для звёзд типа O, чем большая. Это означает, что на превращение её в сверхновую могут уйти многие десятки тысяч лет. Однако исследователи из Университета Тохоку в Японии и Женевского университета в Швейцарии заново проанализировали все данные по Бетельгейзе и пришли к выводу, что звезда может иметь намного больший размер и её судьба — это превратиться в сверхновую за тридцать-пятьдесят лет или около того.

Согласно нашим наблюдениям, яркость Бетельгейзе меняется с двумя более-менее выраженными периодами — коротким длительностью 420 дней и большим длительностью 2200 дня. Если для оценки скорости эволюции звезды использовать более короткий период, то это определяет её радиус примерно в 800-900 раз больше радиуса нашего Солнца. Японские и швейцарские астрономы показали, что опора на 2200-дневную периодичность может указывать на радиус Бетельгейзе примерно в 1300 раз больше радиуса Солнца, что вносит радикальные коррективы в прогнозирование судьбы этой звезды. Если они правы, Бетельгейзе превратится в сверхновую после 2050 года.

Около 20 лет назад в нашей галактике впервые была обнаружена одна из так называемых «убегающих» звёзд, скорость которых превышает галактическое притяжение. Это заставит такие звёзды рано или поздно покинуть галактику. Впоследствии астрономы обнаружили ещё несколько таких звёзд и продолжают находить новые. Среди четырёх новых открытий найдены два рекордсмена и один абсолютный чемпион, который движется на скорости в четыре раз выше галактической.

Источник изображения: Pixabay

Сегодня доминирует теория, что убегающие звёзды возникают после термоядерного взрыва белого карлика — это класс сверхновых Ia. Обычные сверхновые возникают после коллапса более массивных звёзд на закате их эволюции, тогда как сверхновые типа Ia появляются после накопления белым карликом критической массы.

Эту массу белый карлик ворует у звезды-партнёра по двойной системе. Если это лёгкий водород, то термоядерный взрыв происходит как обычно, но если вторая звезда по системе такой же белый карлик, то от него можно получить в основном более тяжёлый гелий и тогда происходит двойной термоядерный взрыв. Сначала термоядерная реакция возникает в оболочке, а затем происходит вторичная детонация ядра звезды. Это процесс называется Dynamically Driven Double-Degenerate Double-Detonation или D⁶.

«Убегающие» звёзды, как считается, появляются в результате двойной детонации белых карликов. Двойной термоядерный взрыв придаёт второй звезде в паре достаточное ускорение, чтобы та в итоге вышла за пределы галактики. Предполагалось, что в нашей галактике Млечный путь около 1000 таких звёзд. Часть из них могли приблудиться из других галактик, благо их скорости это позволяют. Но точно определить количество летящих в межзвёздном пространстве блуждающих звёзд было сложно.

Свежие данные европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia) позволили обнаружить четыре новых гиперскоростных звезды, две из которых оказались рекордсменами. Это J1235, движущаяся на относительной скорости 1694 км/с, и J0927 — летящая относительно Солнца на огромной скорости 2285 км/с.

Новое открытие с учётом ранее обнаруженных звёзд-беглецов в количестве 10 штук, позволило уточнить модель появления таких объектов и ещё прочнее связать их со сверхновыми типа Ia, что, в свою очередь, позволило по-новому рассчитать скорость рождения таких звезд. Скорость их появления оказалась хорошо согласованной со скоростью рождения сверхновых типа Ia. Поскольку сверхновые этого типа хорошо видны в телескопы и, более того, они являются «стандартными маяками» для определения расстояний в галактике, можно рассчитать, сколько всего в нашей галактике носится звёзд с безумной скоростью.

Расчёты показывают, что таких звёзд может быть миллионы, просто значительная часть из них — это слабосветящиеся объекты, и они пока не обнаружены. На этом фоне возникают опасения, что одна из таких пока необнаруженных звёзд может внезапно оказаться на пути Солнечной системы с весьма неприятными последствиями для Земли и нас с вами.

«Если значительная часть сверхновых типа Ia порождает звезду D⁶, то галактика [Млечный Путь], вероятно, запустила в межгалактическое пространство более 10 млн таких звезд, — пишут исследователи. — Интересным следствием этого является то, что должно существовать большое количество слабых, близких [к нам] звезд D⁶, запущенных из галактик по всему объёму пространства включая тот, в который входит Солнечная система».

Исследование было представлено в журнале Open Journal of Astrophysics и доступно на сайте arXiv.

Красный сверхгигант Бетельгейзе продолжает лихорадить после произошедшего в 2019 году титанического выброса коронарной массы в 400 млрд раз больше обычного выброса на нашем Солнце. После отмеченного четыре года назад Великого Потускнения в виде снижения светимости на 25–35 %, сегодня наблюдается резкий рост блеска. В апреле звезда достигла пика светимости в 156 % от первоначального. Неужели мы на пороге взрыва гигантской сверхновой всего в 700 световых годах от Земли?

Масштабы звезды в нашей системе: фотосфера Бетельгейзе распространялась бы до орбиты Юпитера. Источник изображения: ESO

Бетельгейзе периодически меняет яркость уже очень долгое время. Описательные наблюдения за этим процессом ведутся свыше 200 лет. Астрономы отмечают два явных цикла в этом процессе — это цикл в 5,9 лет и 400-суточный цикл. О более длинном цикле говорить преждевременно, зато более короткий, похоже, сократился ещё вдвое — до примерно 200 суток, о чём говорится в новой статье Scientific American.

Бетельгейзе — самый крупный красный гигант из всех известных нам звёзд этого типа — обычно являлся 10-ой по яркости звездой на небе. Но после Великого Потускнения четыре года назад яркость звезды начала меняться с иным периодом и понемногу наращивала её. В этом году Бетельгейзе стала 7-й по яркости звездой — яркость увеличилась до 156 % от первоначальной. Впрочем, это было в апреле. На момент написания статьи яркость снизилась до 142 % от «нормальной».

Звезду продолжает лихорадить после Великого Потускнения, успокаивают астрономы. Тогда звезда выбросила невероятную по объёму массу своего вещества, что, во-первых, привело к значительному изменению её верхнего слоя и, во-вторых, дало возможность веществу остыть в пространстве и превратиться в пылевое облако, закрывшего звезду от наших взоров. Однако объём выброшенной массы оказался настолько большим, что внутри звезды начались сильные процессы конвекции. Она буквально кипит, как котёл с варевом. И именно это перемешивание вещества привело к временному повышению блеска.

По мнению авторов статьи, мы вряд ли находимся на пороге превращения Бетельгейзе в сверхновую. Яркость красного гиганта, скорее всего, придёт в норму к концу текущего десятилетия. При этом более короткий цикл изменения её яркости сократился примерно вдвое: с 400 суток до около 200. А превращения Бетельгейзе в сверхновую можно ждать ещё десятки и даже сотни тысяч лет. Для звезды это уже приговор, хотя для человека это вечность.

Используя данные рентгеновской обсерватории NASA «Чандра» (Chandra) и других телескопов учёные обнаружили неизвестную ранее угрозу для жизни на планетах земного типа. На определённой фазе процесса образования сверхновых исходящее от области взрыва рентгеновское излучение способно уничтожить биологическую жизнь на планетах в радиусе до 100 световых лет и больше. Раньше это явление не принималось во внимание. Но теперь к нему надо отнестись со всей серьёзностью.

Воздействие сверхновой и гибель жизни на планете земного типа в представлении художника. Источник изображения: NASA

Традиционно опасными для всего живого периодами в явлении сверхновых считались гамма-излучение в первые дни и месяцы после взрыва, а также поток высокоэнергичных частиц, приходящий через сотни и тысячи лет.

Новые наблюдения показали, что в процессе взрыва сверхновой возникает ещё одна угроза — поток рентгеновского излучения, который возникает в результате удара взрывной волны сверхновой звезды о плотный газ, окружающий взорвавшуюся звезду. Генерируемый процессом поток излучения может достичь обитаемой планеты в течение месяцев или лет и будет длиться десятилетиями, что приведёт к вымиранию биологической жизни на планетах земного типа.

Полученные данные проверены при наблюдении 31 сверхновой и последствий их взрывов. Наблюдения проводились в основном с помощью рентгеновской обсерватории NASA Chandra, и миссий Swift и NuSTAR, а также XMM-Newton Европейского космического агентства. Из данных следует, что планеты могут подвергнуться смертельным дозам радиации, находясь на расстоянии около 160 световых лет. На составном изображении ниже показаны четыре сверхновые в исследовании (SN 1979C, SN 1987A, SN 2010jl и SN 1994I).

Источник изображения: NASA/CXC/Univ. of Illinois/I. Brunton et al.

Среди представленных в наборе изображений четырёх сверхновых объект SN 2010jl произвёл наибольшее количество рентгеновского излучения. По оценкам авторов, эта сверхновая обеспечила смертельную дозу рентгеновского излучения для планет земного типа, находящихся на расстоянии менее 100 световых лет от неё.

Длительный поток рентгеновского излучения может серьёзно изменить химический состав атмосферы планеты. В частности, для похожей на Землю планеты этот процесс может привести к уничтожению значительной части озона, который защищает жизнь от опасного ультрафиолетового излучения звезды-хозяина. Это также может привести к гибели широкого спектра организмов, особенно морских, находящихся в основании пищевой цепи, что приведет к вымиранию.

В изменённом составе атмосферы начнёт преобладать диоксид азота, что проявит себя в виде образования коричневой дымки в воздухе. Растения на суше начнут погибать, и процесс рискует стать необратимым (это явление проиллюстрировано на заглавном изображении).

На Земле найдены изотопы, образование которых учёные объясняют избыточным гамма-излучением — это явный признак работы сверхновых. Тем самым последствия от взрывов могли сказаться на Земле в период от 2 до 8 млн лет назад. Оценки дают данные, что эти сверхновые находились на расстоянии от 65 до 500 световых лет от Земли.

В настоящее время Земля и Солнечная система находятся в безопасном пространстве с точки зрения потенциальных взрывов сверхновых, но масса других планет в Млечном Пути таковыми не являются. Поэтому такие высокоэнергетические события рискуют значительно сократить области в нашей галактике, известные как Галактическая зона обитаемости, где потенциально может существовать биологическая жизнь.

Авторы настоятельно рекомендуют проводить последующие наблюдения за взаимодействующими сверхновыми в течение месяцев и лет после взрыва, что позволит нам полнее оценить их опасность и степень влияния на близлежащие миры. Не стоит искать жизнь в радиационной пустыне, лишних ресурсов на это попросту нет.

Среди целого ряда целей для изучения в списке космической обсерватории «Джеймс Уэбб» (James Webb) значатся остатки сверхновых. Всё, что мы видим вокруг и из чего состоим сами, — всё рождено в звёздах. Каждый атом нашего тела когда-то был рождён звездой, и некоторые атомы были выброшены во Вселенную во взрывах сверхновых. В этих процессах остаётся много неизвестного земной науке, и «Джеймс Уэбб» стал инструментом для их познания.

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, D. D. Milisavljevic (Purdue)

Сверхновая в созвездии Кассиопея вспыхнула 340 лет назад. Это самые молодые остатки события такого рода в нашей галактике. Размеры остатков Cas A простираются на 10 световых лет и удалены от нас на 11 тыс. световых лет. Поскольку событие случилось сравнительно недавно, рассмотрение объекта — отличный способ узнать о характере, направлении и интенсивности разлёта остатков. Сверхчувствительные инфракрасные приборы «Уэбба» позволяют в деталях рассмотреть структуру газа и пыли после события и воссоздать историю звезды даже до момента её взрыва.

Остатки Кассиопея А ранее широко изучались рядом наземных и космических обсерваторий, включая рентгеновскую обсерваторию NASA «Чандра». Эти данные, полученные на разных длинах волн, были объединены с данными «Уэбба» для воссоздания детальной картины происшествия. Добавим, все изображения с «Уэбба» получены в невидимом для человеческого глаза диапазоне, и поэтому для общего использования и эстетики они специально раскрашиваются. По мере повышения частоты электромагнитного излучения объекта ему присваивают цвета от красного до синего.

На полученном «Уэббом» снимке Cas A сверху и слева по границам картинки мы видим завесы из материала оранжевого и красного цвета, рождённые излучением тёплой пыли. В этих областях выброшенное звездой вещество сталкивается с окружающим околозвездным газом и пылью. Ярко светящееся вещество звезды в виде пестрых нитей ярко-розового цвета лежит чуть глубже остывающей пыли и выделяется благодаря свечению смеси различных тяжелых элементов, таких как кислород, аргон и неон и других.

Во внутреннем пространстве объекта выделяется петля зелёного цвета, проходящая от центра к правому краю. В ней много пузырьков, природу которых учёные пока объяснить не могут, но отчаянно пытаются. Детальный разбор этого изображения — шанс приблизиться к пониманию происхождения космической пыли в межзвёздном пространстве. Её неожиданно много даже в молодых галактиках. Сверхновые — это один из предполагаемых источников космической пыли во Вселенной, но до конца этот вопрос так и не решён. Наблюдение за Cas A с помощью «Уэбба» позволит пролить толику света на эту загадку.

«Понимая процесс взрыва звёзд, мы читаем свою собственную историю происхождения», — говорят астрономы.