Астроархеология сверхновых: предшественник Сверхновой Тихо не был горячим аккрецирующим белым карликом

25 Сен 2017

Международная команда ученых из Австралии, США, Европы и России прояснила происхождение Сверхновой Тихо (SN 1572). Исследование, опубликованное 25 сентября в международном журнале Nature Astronomy [1], опровергает общепринятую точку зрения, что вспышка этой сверхновой была связана со взрывом белого карлика, масса которого достигла предела Чандрасекара за счет аккреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе. В числе авторов статьи — ведущий научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН член-корреспондент РАН Марат Гильфанов.

Сверхновые типа Ia называют «стандартными свечами» современной наблюдательной космологии, поскольку их абсолютная светимость в пике можно определить с хорошей точностью. Благодаря этому свойству с их помощью можно измерять расстояния во Вселенной на космологических масштабах. Им же принадлежит важнейшая роль в химической эволюции галактик — одних из основных поставщиков железа во Вселенной.

И вместе с тем происхождение этих космических взрывов огромной энергии остается неразрешенной загадкой. Практически известно, что сверхновые Ia — результат термоядерного взрыва углеродно-кислородного белого карлика при достижении им критической массы  — так называемого предела Чандрасекара. Он составляет примерно 1,4 солнечной массы. Но неизвестно, как именно белый карлик «набирает» массу и как происходит детонация. Эта проблема — «проблема предшественников сверхновых типа Ia» остаётся одной из важнейших нерешенных загадок современной астрофизики. Ведь, как уже говорилось выше, именно сверхновые типа Ia позволяют исследователям построить шкалу расстояний на космологических масштабах и тем самым выступают в качестве «краеугольного камня» современной наблюдательной космологии.

Художественное изображение белого карлика, медленно увеличивающего свою массу за счет аккреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе (с) David A. Hardy & PPARC Есть две наиболее популярные теории. Первая предполагает, что белый карлик в тесной двойной системе с обыкновенной звездой медленно увеличивает свою массу за счет акреции вещества звезды-компаньона. Это происходит на протяжении многих миллионов лет, пока не будет достигнут предел Чандрасекара. Вторая теория — взрыв происходит при слиянии двух белых карликов в компактной двойной системе.

Важно, что эти два сценария кардинально различаются по уровню электромагнитного излучения, которое производит предшественник сверхновой на протяжении миллионов лет до взрыва.

Аккрецирующий белый карлик — мощный источник излучения в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. Оно способно ионизовать окружающую межзвездную среду до расстояний ~10–100 парсек, создавая так называемую сферу Стрёмгрена (по имени датского астронома Бенгта Стрёмгрена). После взрыва белого карлика источник ионизующего излучения, естественно, исчезает, но межзвездному газу требуется значительное время для того, чтобы снова стать нейтральным. Гигантская ионизованная туманность будет существовать вокруг сверхновой на протяжении порядка 100 тысяч лет после взрыва. Таком образом, если удастся обнаружить даже небольшие количества нейтрального газа вблизи сверхновой Ia, то исследователи получат серьезные ограничения на температуру и светимость звезды за десятки тысяч лет до взрыва.

Рентгеновское изображение остатка вспышки сверхновой Тихо (SN 1572) (с) X-ray: NASA/CXC/Rutgers/K.Eriksen et al.; Optical: DSS

445 лет назад астроном Тихо Браге обнаружил на небе новую звезду. В момент появления она былa ярче Венеры, затем на протяжении года ее яркость постепенно спадала. Сегоня мы знаем, что Тихо Браге наблюдал термоядерный взрыв белого карлика — вспышку сверхновой Ia.

Благодаря ее истории и близости к Солнцу, остаток сверхновой Тихо сегодня один из наиболее исследованных. В частности, мы знаем из оптических наблюдений, что сейчас он расширяется в практически нейтральном газе. Таким образом, можно исключить существование у сверхновой Тихо горячего и яркого предшественника — такого, который смог бы создать сферу Стремгрена больше, чем остаток вспышки в настоящее время, а это составляет порядка 3 парсек (или почти 100 триллионов километров). При этом в качестве инструмента исследования окружающего газа использовалась, фактически, сама сверхновая, а вернее, взаимодействие ударной волны с окружающим нейтральным газом, в ходе которого рождается излучения определённой длины волны.

Полученные ограничения настолько сильны, что позволяют ограничить не только светимость самого белого карлика, но и аккреционного диска вокруг него. Поэтому из списка возможных предшественников сверхновой Тихо можно исключить как белый карлик со стационарным термоядерным горением водорода на поверхности, так и повторную новую (белый карлик, уже набравший массу Чандрасекара, но аккрецирующий достаточно медленно) — два основных типа объектов в классическом аккреционном сценарии.  С другой стороны, отсутствие ионизованной сферы Стрёмгрена вокруг остатка вспышки сверхновой Тихо совместимо со сценарием сливающихся белых карликов в компактной двойной системе и не исключает и другие более экзотические сценарии.

-  Новость сайта отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН

- О.З.

График зависимости доли ионизованного водорода от расстояния до центрального объекта остатка сверхновой, вычисленной для разных начальных светимостей. Рисунок из статьи Woods et al., Nature Astronomy (2017)

График зависимости доли ионизованного водорода от расстояния до центрального объекта остатка сверхновой, вычисленной для разных начальных светимостей. Рисунок из статьи Woods et al., Nature Astronomy (2017)

Дополнительная информация: 
  1. Woods T.E., P. Ghavamian, C. Badenes & M. Gilfanov No hot and luminous progenitor for Tycho’s supernova Nature Astronomy (2017) doi:10.1038/s41550-017-0263-5 / вернуться
  2. Астроархеология Сверхновых: ученые заглянули в прошлое Сверхновой Тихо Браге. Сайт отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН