Впервые в космосе: разделённые звёзды-близнецы воссоединились в результате сверхновых
Астрономы впервые зафиксировали уникальное космическое событие, которое меняет наше понимание эволюции двойных звезд.
Долгое время наука не могла подтвердить теорию о том, что звезды-близнецы способны воссоединиться после смерти в виде перекрывающихся остатков сверхновых.
Новые данные гамма-телескопов наконец позволили обнаружить скрытый источник излучения и связать его с известной туманностью Медуза.
Это открытие подтверждает, что массивные двойные системы могут взрываться с интервалом всего в несколько десятков тысяч лет.
Исследователи использовали многоволновой анализ, чтобы отделить сигналы двух разных катастроф в одном участке неба.
В данной статье мы подробно разберем механизм этого воссоединения и физические процессы, стоящие за гамма-излучением.
Читайте дальше, чтобы узнать, как именно ученые доказали родство этих древних космических объектов.
Ключевым словом нашего исследования стали «разделенные звезды-близнецы», чья история завершилась неожиданным финалом.
Оглавление:
Ранее мы никогда не наблюдали, чтобы система из двух двойных звёзд одновременно взорвалась сверхновой.
Некогда скрытый источник гамма-лучей только что обнаружил первую такую сверхновую.
- Звезды обычно не рождаются поодиночке, а образуют большие группы из сотен или даже тысяч звёзд, причём примерно половина этих звёзд в конечном итоге оказывается связанной вместе в многозвёздные системы;
- Для самых массивных звёзд двойные системы являются скорее нормой, чем исключением, и эти звёзды часто сопоставимы по массе, а не несоответствуют ей, поэтому им суждено погибнуть в результате взрывов сверхновых;
- Впервые удалось установить связь нового остатка сверхновой с более старым остатком в том же комплексе Млечного Пути, что стало первым в истории воссоединением сверхновых разделившихся звезд-близнецов.
Этот многоволновой снимок области вокруг комплекса IC 443 (туманность Медуза (Jellyfish Nebula)) выявляет множество протяженных структур в гамма-излучении и других высокоэнергетических диапазонах. Хотя яркая пузыреобразная структура справа является наиболее заметной, существуют свидетельства, особенно полученные из данных гамма-излучения, которые указывают на наличие перекрывающегося, более раннего остатка сверхновой почти в той же области неба. Если это подтвердится, это будет первое обнаружение двух сверхновых, происходящих из одной и той же системы-прародителя.
Где-то там, во Вселенной, снова и снова разыгрывается похожая космическая история: жизненные циклы звезд.
Массивное холодное облако газообразного вещества под действием собственной гравитации начинает сжиматься.
По мере того, как сгустки внутри этого газа становятся плотнее, облако фрагментируется, и каждый фрагмент коллапсирует на пути к превращению в протозвезду.
Самые массивные и плотные сгустки изначально быстрее всего притягивают окружающую материю, превращаясь в самые массивные из этих новых звёзд, и около 50% всех таких звёзд в конечном итоге развиваются в многозвёздные (двойные, тройные или более крупные) системы.
Когда звезда формируется с массой более 8-10 солнечных масс, ей изначально суждено погибнуть в результате взрыва сверхновой с коллапсом ядра: одного из самых мощных катаклизмов, происходящих во Вселенной.
И всё же, несмотря на то, что:
- Бинарные системы распространены;
- Звезды со схожими массами часто встречаются вместе (особенно при больших массах);
- и что самые массивные звезды живут меньше всего времени, прежде чем умереть.
Мы никогда раньше не наблюдали и не отслеживали «сверхновые-близнецы»: события, когда две сверхновые с коллапсом ядра произошли из одной и той же исходной системы.
В замечательном новом исследовании, проведенном ученым из Стэнфорда Мильтиадисом Михаилидисом (Miltiadis Michailidis), две разные сверхновые были связаны — посредством гамма-излучения — в одном и том же огромном комплексе молекулярных облаков.
Возможно, мы только что стали свидетелями воссоединения первой пары звезд-близнецов, разделившихся, когда первая взорвалась сверхновой, и воссоединившихся, когда вторая взорвалась сверхновой чуть позже.
Вот история.
Плотные ядра протозвездного скопления G333.23–0.06, идентифицированные ALMA, демонстрируют убедительные доказательства высокой степени множественности внутри этих ядер. Двойные ядра встречаются часто, а группы множественных двойных систем, образующие четвертичные системы, также довольно распространены. Внутри также обнаруживаются триплетные и квинтуплетные системы, в то время как для этих массивных скоплений одиночные звезды встречаются довольно редко. Ожидается, что звезды, образующиеся в туманностях по всей Вселенной, включая туманность Орла (Eagle Nebula), обладают схожими комковатыми, фрагментированными свойствами.
На изображении выше вы видите реальные кадры множества протозвездных ядер, формирующихся в одной и той же скрытой области звездообразования.
Это одно из самых высококачественных изображений протозвезд, находящихся в стадии формирования в пылевой, скрытой области звездообразующей туманности: оно стало доступно только благодаря невероятной мощности обсерватории ALMA.
На более поздних стадиях развития мы можем наблюдать новорожденные звездные скопления, а также одиночные, двойные, тройные и многократные системы, которые в конечном итоге возникают из этих плотных звездных яслей.
Механизм разделения и воссоединения звезд-близнецов
Из всех образующихся звёзд именно самые массивные быстрее всего сжигают своё топливо и погибают в результате коллапса ядра сверхновой за минимальное время.
Для массивной двойной звезды это означает, что более массивная звезда погибает первой, и ожидается, что её взрывная волна от сверхновой «вытолкнет» её компаньона через межзвёздное пространство.
Однако, если менее массивная звезда близка к более массивной по массе и продолжительности жизни, то до её гибели в результате сверхновой может пройти совсем немного времени.
Если остаток от первой сверхновой ещё не исчез, эти два остатка сверхновых — от звёзд, которые изначально были братьями — могут перекрыться, что приведёт к великолепному воссоединению.
Благодаря более чем 15-летним данным телескопа Fermi/LAT, охватывающим гамма-излучение неба, можно создавать карты высокого разрешения и высокой чувствительности. В правой части изображения, почти на 180 градусов противоположной от положения галактического центра, находится область, содержащая IC 443: увеличенная на врезке, она является предметом недавнего исследования, выявившего два перекрывающихся остатка сверхновой в одном и том же участке неба.
Наблюдение за подобными явлениями происходит не визуально, с помощью видимого нами света, а в диапазоне самых высоких энергий: гамма-излучения.
Космический гамма-телескоп «Ферми», запущенный НАСА в 2008 году, является нашим самым большим, самым чувствительным и самым высокоразрешающим гамма-телескопом, когда-либо открывавшим нам глаза на Вселенную, предоставляя беспрецедентный обзор нашей галактики (и за её пределами) в диапазоне самых высоких энергий.
Пульсары, чёрные дыры и остатки сверхновых выделяются в этом диапазоне энергий, причём один конкретный регион, направленный почти прямо от центра галактики, содержит несколько примечательных источников гамма-излучения:
- IC 443 — яркий остаток сверхновой, также известный как туманность Медуза.
- Крабовидная туманность, пульсар внутри остатка сверхновой, и
- Геминга — один из самых ярких и близких к нам пульсаров.
Однако, если внимательно присмотреться к IC 443 и области вокруг него в различных диапазонах длин волн, вы обнаружите, что это не просто изолированный остаток сверхновой где-то в глубоком космосе, а скорее объект, взаимодействующий со своим окружением.
Рядом находится область звездообразования, заполненная ионизированным водородом, Sharpless 249, с которой взаимодействует остаток сверхновой, а также другая близлежащая оболочка сверхновой: G189.6+3.3.
На этом снимке видна туманность Медуза, также известная как IC 443, представляющая собой заметный и недавно образовавшийся остаток сверхновой, расположенный в направлении, противоположном центру галактики. Находясь в космосе рядом с Крабовидной туманностью и пульсаром Геминга, она оказывается частью гораздо более крупного комплекса, особенности которого выявляются в ходе многоволновых исследований этого региона.
Используя не только данные Fermi, но и данные Planck и MWISP в микроволновом/радиодиапазоне, данные Digitized Sky Survey в оптическом диапазоне, данные WISE в инфракрасном диапазоне, данные Swift в ультрафиолетовом диапазоне и данные eROSITA в рентгеновском диапазоне, мы можем увидеть огромный масштаб взаимодействия IC 443 с окружающей средой.
Чем больше различных наборов данных мы включаем, тем больше деталей выявляется не только в этом регионе пространства, но и тем точнее мы можем реконструировать взаимодействие между различными источниками энергии и различными областями в этом объеме нашей Млечной Галактики.
Роль гамма-излучения в обнаружении скрытых остатков
Поскольку в этом регионе пространства находится множество остатков сверхновых — остатков, которые могут быть разделены многими световыми годами в космосе, но лишь несколькими десятками тысяч лет по времени взрыва, — существует замечательный сценарий, заслуживающий рассмотрения.
Возможно ли, что:
- Первоначально существовала двойная система массивных звёзд.
- Там, где взорвалась первая, более массивная звезда,
- отправляя спутника в стремительное путешествие в космосе.
- Где, спустя десятки тысяч лет, взорвалась вторая звезда.
- И наконец, остатки расширились и взаимодействовали.
Воссоединение этих товарищей после их гибели?
Многоволновое изображение этого региона, безусловно, указывает именно на такой сценарий.
По мере добавления всё большего количества данных к исходному набору оптических данных (жёлтый цвет) начинают проявляться дополнительные особенности. Красным и коричневым цветом обозначены данные о длинноволновом радиоизлучении и инфракрасном излучении, бирюзовым — данные о высокоэнергетическом свете, локализованном над IC 443. Затем, в более широком смысле, наблюдаются дополнительные высокоэнергетические фотоны, особенно в гамма-диапазоне спектра. Именно анализ этих данных впервые выявил скрытое присутствие второго, более раннего события сверхновой.
Обычно не понимают, почему это так, и почему гамма-лучи являются таким важным элементом в этой картине.
Даже при невероятных энергиях, которые возникают при коллапсе ядра сверхновой, включая ядерные процессы, такие как захват электронов, образование нейтрино и ударная волна высокой энергии, ни одно из этих событий не производит излучение на самых высоких энергиях: гамма-лучи.
Вместо этого существует только два механизма, которые могут привести к этому:
- столкновения высокоэнергетических протонов с межзвездным газом,
- или высокоэнергетические электроны, которые сталкиваются с низкоэнергетическими фотонами и преобразуют их в гамма-лучи.
Кроме того, гамма-лучи бывают как низкоэнергетическими, так и высокоэнергетическими, и эти разные энергии кодируют разные фрагменты информации.
Считается, что низкоэнергетические гамма-лучи исходят преимущественно из одного яркого гамма-излучающего маяка на небе: в данном случае, IC 443.
Это объясняется тем, что при таких низких энергиях весь регион выглядит смешанным, причем IC 443 — это место, где сигналы излучения кажутся наиболее сильными.
Однако при более высоких энергиях гамма-излучения можно увидеть отдельные, отчетливые структуры: структуры, которые становятся еще более заметными, если вычесть гамма-излучение от IC443.
Эта анимация показывает гамма-излучение низкой энергии (слева) и гамма-излучение высокой энергии (справа) в этом комплексе, при этом излучение от остатка сверхновой IC 443 вычтено там, где исчезает основной розовый свет. То, что осталось, свидетельствует о существовании второго, более старого остатка сверхновой, расположенного левее первого, что совпадает с ярким гамма-излучением, которое все еще сохраняется.
На изображении выше слева показана гамма-активность низкой энергии, а справа — гамма-активность высокой энергии.
Яркое розовое свечение вокруг пузырька (IC 443) демонстрирует суммарное гамма-излучение, включая IC 443.
Однако, когда розовое свечение исчезает, становится виден сигнал от IC 443, за вычетом основного излучения: это приводит к появлению множества структурных изменений, особенно на самых высоких энергиях гамма-излучения.
Эти сигналы регистрируются не одним прибором, а телескопами Fermi НАСА и eROSITA ЕКА.
Анализ данных телескопов Fermi и eROSITA
При более внимательном рассмотрении они обнаруживают, что IC 443 — не единственная структура, вносящая вклад в сигнал.
Вместо этого — и это очень важно — они указывают на наличие второго, независимого остатка сверхновой: G189.6+3.3, источника, который до недавнего времени был скрыт в тени гораздо более яркого остатка в его окрестностях: IC 443.
eROSITA обнаруживает оболочку этого остатка сверхновой, а форма, определяемая высокоэнергетическим гамма-излучением, указывает на происхождение изнутри остатка.
В частности, очень примечательной особенностью является яркая ионизированная волна на краю пузыря: это соответствует ударному фронту.
Насколько это возможно, мы можем считать это неопровержимым доказательством существования второй, недавней сверхновой.
На этом увеличенном изображении филамента, расположенного внутри комплекса IC 443, показан основной остаток сверхновой (справа), облако взаимодействующих нейтральных/ионизированных газов (в центре) и второй, более старый остаток сверхновой, расположенный слева от первого. Ударно-сжатый газ вдоль филамента, обозначенный фиолетовым цветом, виден в видимом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении.
Гамма-излучение, которое вы видите выше, заметно выделяющееся фиолетовым цветом, скопляется на северной границе остатка второй сверхновой: именно там, где оно пересекается с плотным облаком межзвездного вещества.
Возникает нить накала, и эта нить также видна в ультрафиолетовом и видимом свете, особенно в излучении альфа-водорода.
Тот факт, что эта нитевидная структура проявляется во множестве энергетических форм света: в гамма-лучах и рентгеновских лучах, в ультрафиолете, а также в результате ослабления возбуждения возбужденных атомов в видимом свете, указывает на одно: это радиационный удар.
Выбросы от второй сверхновой отрываются от места коллапса ядра чрезвычайно быстро, при этом наиболее быстро движущиеся выбросы идут впереди и первыми сталкиваются с веществом межзвездной среды.
При столкновении они замедляются: сначала производят гамма-лучи (поскольку изначально движутся быстро), а затем прекращают их производство после замедления.
Таким образом, если мы все-таки наблюдаем гамма-излучение из этой области, это кое-что нам говорит: должно происходить повторное ускорение вещества — возможно, ранее ускоренных протонов — которое и производит эти яркие характерные гамма-лучи.
На этом рисунке показан ударный фронт длинного, энергичного филамента, расположенного на северной границе более старой сверхновой, образовавшейся в результате коллапса ядра. Наибольшая интенсивность гамма-излучения исходит от края ударного фронта и совпадает с местом пересечения ударного фронта и молекулярного облака Sharpless 249 (показано пунктирной синей линией).
Физика ударных волн и протон-протонных взаимодействий
Это было подтверждено в новой статье Михаилидиса и др., в которой исследовалась модель облака столкновений для этого сценария.
По всей остаточной галактике электроны космических лучей сталкиваются с фотонами низкой энергии — из реликтового излучения, инфракрасного (теплового) излучения и непосредственно от звездного света — что может повысить энергию фотонов до высоких энергий, гамма-излучения.
Это приводит к образованию небольшого количества гамма-лучей на низких энергиях, но по мере увеличения энергии поток гамма-лучей возрастает.
Это приводит к относительно равномерному потоку гамма-лучей в пространстве, но зависящему от энергии: мало гамма-лучей низкой энергии, но больше гамма-лучей высокой энергии.
Однако на северной границе, где находится нитевидная структура, образовавшаяся в результате столкновения ударной волны с плотным молекулярным газом, взаимодействие протонов космических лучей с этим газом приводит к образованию гамма-лучей: но значительное их количество на низких и средних энергиях превышает количество гамма-лучей, образующихся в результате другого процесса (обратного комптоновского рассеяния).
Облака и нитевидная структура предоставляют множество мишеней для протон-протонных взаимодействий, что приводит к увеличению общего потока гамма-лучей.
Это объясняет, почему при анализе гамма-излучения мы видим гораздо большее общее количество гамма-фотонов в местах перекрытия нитевидной структуры и плотного молекулярного облака.
На рисунке (в центре) показаны данные по гамма-излучению, полученные с помощью телескопа Fermi-LAT, для недавно обнаруженного (и ранее наблюдавшегося) остатка сверхновой G189.6+3.3, который имеет существенные признаки гамма-излучения по всей своей длине, но с массивным усилением на северной границе: там видны плотное облако и наблюдаемая нить. В то время как вся туманность получает энергию в результате процесса (обратное комптоновское рассеяние), показанного справа, только северная граница подвержена усилению протон-протонного рассеяния, показанному слева, что значительно увеличивает общее количество гамма-фотонов.
Вероятность общего происхождения остатков сверхновых
Один из возможных поводов для беспокойства: насколько мы уверены, даже если увидим свидетельства существования двух остатков сверхновых, что эти остатки действительно перекрываются в трехмерном пространстве, а не просто сосуществуют вдоль одной линии зрения?
В конце концов, пульсар Геминга, находящийся неподалеку, расположен всего в 800 световых годах от нас, в то время как IC 443 и другие объекты в этом газовом облаке находятся на расстоянии около 5000-6000 световых лет.
Уверенность в их близости обусловлена тем, что даже если два остатка не взаимодействуют и не сталкиваются друг с другом, новый остаток сверхновой определенно взаимодействует с тем же молекулярным облаком, что и IC 433, и, следовательно, они находятся на сопоставимых расстояниях.
Вы также можете опасаться, что это, возможно, два несвязанных остатка сверхновых, а не остатки, чьи звезды-прародители имеют общую историю.
К сожалению, на этот вопрос мы не можем ответить однозначно, но мы можем (и то, что сделали Михаилидис и его команда в статье) провести моделирование, которое позволит нам оценить вероятность того, что это событие произошло по одному из двух различных сценариев.
- Могут ли произойти два несвязанных сверхновых, в результате чего на небе появятся два остатка, расположенные так близко друг к другу: независимо от того, находятся ли они в одном и том же трехмерном пространстве или просто вдоль одной линии зрения?
- Может ли образоваться двойная пара массивных звёзд достаточной массы, чтобы одна из них взорвалась сверхновой, отбросив другую, а затем, всего через десятки тысяч лет, вторая тоже взорвалась сверхновой?
Как оказалось, оба сценария правдоподобны, но с совершенно разными вероятностями.
Вероятность первого сценария во всех его вариациях составляет от 0,1% до 1,2%: не пренебрежимо мала, но и не особенно вероятна.
Второй сценарий, с другой стороны, чрезвычайно хорошо обоснован с физической точки зрения и может, в частности, возникнуть в результате взрыва звезды массой от 30 до 40 солнечных масс, в результате которого образовался вновь обнаруженный (и более старый) остаток, а затем, через 20 000–100 000 лет, звезда, которая изначально была примерно на 5 солнечных масс легче (от 25 до 35 солнечных масс), взорвалась бы сверхновой, образовав IC 443.
Вероятность второго сценария, согласно которому два остатка сверхновых родились в двойной системе, составляет приблизительно 99%.
Эта иллюстрация из четырех панелей начинается с массивной двойной системы, состоящей из двух массивных, но сопоставимых по массе звезд, вращающихся друг вокруг друга. Когда первая звезда погибает в результате коллапса ядра, ее менее массивный компаньон отбрасывается в сторону. Спустя десятки тысяч лет компаньон эволюционирует и взрывается, и два остатка сверхновой затем перекрываются: определенно вдоль одной линии зрения, а возможно, и в трехмерном пространстве.
Данные не подтверждают — и это интересно рассмотреть — сценарий, в котором более старый остаток взорвался первым, и по мере того, как вторая звезда несется сквозь пространство, а затем взрывается, ударная волна от второго взрыва догоняет первую.
Однако это привело бы к другой морфологии или форме остатков, чем та, которую мы наблюдаем.
Двунаправленная форма выбросов, напротив, указывает на то, что ударная волна от IC 443 еще не догнала более раннюю сверхновую: она не проявляется в гамма-излучении, рентгеновском излучении или ультрафиолете.
Существует сомнительный (хотя, вероятно, ложный) признак, который мог бы указывать на эти взаимодействия, но он еще не подтвержден.
Значение открытия для современной астрофизики
С другой стороны, два связанных остатка сверхновых, которые перекрываются и происходят из одной и той же группы изначально связанных звезд, ранее никогда не были обнаружены.
Таким образом, эта система представляет собой первый сценарий-кандидат для звезд, которые:
- Родились вместе,
- Их разделила смерть первого из них.
- Затем умер второй.
- И теперь, десятки тысяч лет спустя, воссоединились, выбросив свои останки.
Ранее мы никогда не наблюдали двух остатков сверхновых, произошедших от прародителей в двойной системе.
По мере улучшения наших представлений о Вселенной — в разрешении, чувствительности, времени наблюдений и диапазоне длин волн — мы можем быть уверены, что будет появляться все больше и больше редких событий.
Со временем мы можем либо подтвердить, либо опровергнуть эту картину, но пока мы готовы наблюдать, мы будем все ближе и ближе подходить к пониманию того, как на самом деле ведет себя Вселенная: когда речь идет о распространенных, редких и даже уникальных событиях.
Часто задаваемые вопросы:
Что такое туманность Медуза и почему она важна для этого открытия?
Туманность Медуза, или IC 443, представляет собой яркий остаток сверхновой, который стал ключевым объектом исследования.
Именно вблизи неё ученые обнаружили следы второго, более древнего взрыва, что позволило выдвинуть гипотезу о двойной системе.
Без детального изучения этой туманности в гамма-диапазоне заметить скрытый соседний объект было бы невозможно.
Как именно гамма-лучи помогли найти второй остаток сверхновой?
Гамма-лучи высокой энергии позволили выделить структуры, которые не видны в оптическом или рентгеновском диапазоне.
Ученые вычли излучение известного остатка IC 443 из общих данных и обнаружили аномалию, указывающую на второй источник.
Этот метод фильтрации сигнала стал решающим фактором в идентификации скрытого объекта G189.6+3.3.
Почему звезды-близнецы взрываются не одновременно?
Даже в двойной системе звезды редко имеют абсолютно идентичную массу, что определяет скорость их эволюции.
Более массивная звезда сжигает топливо быстрее и взрывается первой, отбрасывая своего компаньона в пространство.
Второй звезде требуются дополнительные десятки тысяч лет, чтобы завершить свой жизненный цикл и стать сверхновой.
Насколько велика вероятность того, что это именно двойная система, а не совпадение?
Согласно расчетам ученых, вероятность случайного наложения двух независимых остатков составляет менее 1,2%.
В то же время модель последовательного взрыва двойной системы имеет вероятность около 99%.
Физические параметры звезд и расстояние между объектами идеально соответствуют теоретическим предсказаниям для родственных пар.
Какие телескопы использовались для подтверждения этой теории?
Основную роль сыграл гамма-телескоп «Fermi», предоставивший данные высокого разрешения за 15 лет наблюдений.
Дополнительную информацию дал рентгеновский телескоп eROSITA, который четко очертил границы второго остатка.
Также использовались данные обсерваторий ALMA, Planck, WISE и Swift для создания полной многоволновой картины региона.
Что означает термин «радиационный удар» в контексте этой статьи?
Этот термин описывает процесс, когда быстрые выбросы сверхновой сталкиваются с плотным межзвездным газом.
При торможении частиц происходит генерация гамма-излучения, которое и регистрируют наземные и орбитальные приборы.
Наличие такого удара подтверждается наблюдением характерных нитевидных структур в нескольких диапазонах спектра.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
