Выдающийся успех российских астрономов: оперативные наблюдения сверхновой SN2014J, вспыхнувшей в январе 2014 года, позволили подтвердить теоретическую концепцию о том, что такое сверхновые типа Ia. Зафиксированное гамма-излучение кобальта-56 убедительно показывает, что сверхновые — это гигантские термоядерные взрывы белых карликов, сверхплотных остатков звезд.

Российские астрономы в Nature

Результаты работы российских ученых были опубликована в ночь на четверг в журнале Nature. Среди 11 авторов статьи — пять астрономов из России, в их числе Евгений Чуразов (ведущий автор статьи), академик РАН Рашид Сюняев, Сергей Гребенев и Сергей Сазонов, представляющие Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН), а также Николай Чугай из Института астрономии РАН (ИНАСАН).
Сверхновая звезда вспыхнула в галактике M82 (Сигара), расположенной в созвездии Большая Медведица, в январе. Галактика M82 находится на расстоянии 12 млн световых лет от нашей Галактики и имеет видимую звездную величину чуть менее 9. Сверхновая хорошо выделялась на фоне галактики, что делало возможным ее наблюдение посредством любительских телескопов. Эта сверхновая, получив обозначение SN2014J, самая близкая к Земле, начиная с 1987 года, когда наблюдался взрыв сверхновой в спутнике Млечного Пути — Большом Магеллановом Облаке.
Последняя на данный момент достоверно подтвержденная сверхновая в нашей Галактике вспыхнула в 1604 году в созвездии Змееносца. Возможно, в 1680 году сверхновая вспыхивала в созвездии Кассиопея.О том, что российскими учеными проведено такое исследование, «Газета.Ru» сообщала еще в мае, когда авторы опубликовали результаты наблюдений на сайте электронных препринтов arxiv.org.
«SN2014J — близкая сверхновая типа Ia. Соответственно, это идеальный объект для изучения. Стандартная модель гласит, что сверхновые этого типа — это взрывы белых карликов, достигших чандрасекаровского предела. Расчеты примерно говорят, сколько и какие элементы должны образовываться при таких взрывах. Некоторые образующиеся изотопы радиоактивны, вдобавок от некоторых можно ожидать мощных спектральных линий в жестком диапазоне спектра», — рассказал тогда «Газете.Ru» ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ доктор физико-математических наук Сергей Попов, не принимавший участия в исследовании. — В своей работе авторы использовали спутник INTEGRAL для поиска гамма-линий кобальта-56. «И они (гамма-линии. — «Газета.Ru») были обнаружены! Это позволяет оценить количество кобальта, а значит, и проверить модели взрыва. Новые данные наблюдений находятся в хорошем согласии с предсказаниями стандартной модели взрыва белого карлика», — пояснил Попов, отметив, что это «очень важное открытие».
Тогда же авторы работ сообщили «Газете.Ru», что статья направлена в журнал Nature.
Исследованию сверхновой была посвящена недавняя работа, опубликованная в журнале Science, о которой так же рассказывала «Газета.Ru». Ее авторы, среди которых был сотрудник ИКИ РАН Сергей Гребенев, впервые смогли наблюдать на ранней стадии сверхновой гамма-излучение в линиях распада никеля-56 и кобальта-56. Тогда же Сергей Гребенев рассказал чуть больше о нынешней статье, которая вышла в Nature. «Статья относится к более поздней стадии разлета оболочки — около 60–70 дней после вспышки, когда оболочка уже заметно просветлилась, а никель полностью распался в кобальт. В этом смысле там меньше неожиданного с точки зрения теории. Хотя это все же первая регистрация гамма-излучения от распада кобальта-56 в сверхновой типа Ia!.
Результаты этой статьи более важны для измерения основных параметров взрыва по сравнению с нашей статьей в Science, поскольку там наблюдаемое излучение формируется во всем объеме оболочки сверхновой.
В то же время выбрать точный сценарий взрыва из нескольких возможных эти наблюдения, похоже, еще не позволят. Критически важными могут оказаться более поздние наблюдения обсерватории INTEGRAL, проведенные уже после сдачи статьи в печать».

Что происходит в сверхновых?

Считается, что сверхновые типа Ia являются результатом термоядерного взрыва углеродно-кислородного белого карлика, в процессе которого синтезируется большое количество радиоактивного никеля-56. После взрыва происходит цепочка распадов: никель превращается в кобальт-56, который затем распадается в железо (56Ni — 56Co — 56Fe, см. рис.), в ходе чего рождаются многочисленные гамма-фотоны. Они взаимодействуют с расширяющейся оболочкой сверхновой, нагревают ее и обеспечивают мощное оптическое свечение оболочки.

Именно яркость и предсказуемое поведение оптических кривых блеска подарили сверхновым типа Ia название «стандартные свечи», которые используют для вычисления расстояний между объектами во Вселенной.
Однако, хотя уже открыты сотни таких сверхновых в разных галактиках, их гамма-излучение ни разу не было зарегистрировано. В результате исследователи имели дело лишь с оптическим излучением — результатом переработки гамма-лучей во внешних слоях разлетающейся оболочки. За всю космическую эру, то есть более полувека, не произошло ни одного взрыва сверхновой типа Iа ни в одной из ближайших к нам галактик.
И вот это произошло в январе 2014 года в виде сверхновой SN2014J в галактике M82.
Она оказалась достаточно близко (11 млн световых лет), чтобы орбитальная обсерватория INTEGRAL смогла впервые напрямую обнаружить излучение в двух самых ярких гамма-линиях и полностью подтвердить теоретическую концепцию сверхновых типа Ia как гигантских термоядерных взрывов.
Важность этого события не только в том, что подтвердились теоретические предсказания. Несмотря на долгую историю наблюдений и численных экспериментов, детальная физика взрывов сверхновых типа Ia и эволюция компактной звезды-предшественника до взрыва остается предметом горячих споров. В большинстве моделей оболочка сверхновой остается непрозрачной для гамма-излучения на протяжении 10—20 дней после взрыва — иными словами, в это время ее нельзя увидеть в гамма-лучах. Со временем оболочка становится более прозрачной и большая часть гамма-квантов проходит сквозь нее, и они могут быть зарегистрированы орбитальными обсерваториями.

Наблюдения на INTEGRAL

«Нам очень повезло, и прежде всего потому, что в распоряжении ученых ИКИ РАН была орбитальная обсерватория INTEGRAL, — говорит главный научный сотрудник ИКИ РАН академик Рашид Сюняев, научный руководитель от России международной обсерватории INTEGRAL. — Мы благодарны Российскому научному комитету проекта INTEGRAL за согласие прервать регулярную программу наблюдений и потратить миллион секунд из российской квоты наблюдательного времени на наблюдения этой сверхновой. Именно в ходе этих наблюдений мы увидели первые признаки распада радиоактивного кобальта в спектре гамма-излучения сверхновой».
После взрыва гамма-фотоны, порожденные распадом никеля и кобальта, распространяются через вещество оболочки и теряют свою энергию в результате комптоновского рассеяния и эффекта отдачи.
Никель-56 распадается в кобальт-56 всего за десять дней. В это время вещество сверхновой еще непрозрачно для гамма-квантов, и только излучение радиоактивного никеля, расположенного во внешней части разлетающейся оболочки, имеет шанс выйти из оболочки. Последующий распад кобальта-56 в железо-56 занимает гораздо больше времени (~111 дней), и к моменту, когда расширяющаяся оболочка становится почти прозрачной, кобальт-56 доминирует, превращая сверхновую типа Ia в долгоживущий источник гамма-линий кобальта.

 

Наблюдения обсерватории ИНТЕГРАЛ сверхновой SN2014J // ИКИ РАН«Наблюдения обсерватории INTEGRAL между 50-м и 100-м днями с момента взрыва надежно зарегистрировали излучение в двух наиболее мощных гамма-линиях распада радиоактивного кобальта 56Co на энергиях 847 и 1237 кэВ, а также континуум на энергии в сотни кэВ», — говорит первый автор статьи, ведущий сотрудник ИКИ РАН член-корреспондент РАН Евгений Чуразов.
Зафиксированный поток свидетельствует, что радиоактивного никеля в процессе термоядерного взрыва звезды было синтезировано около 0,6 массы Солнца. На 75-й день светимость сверхновой в гамма-лучах уже в три раза превышала оптическую. Наблюдаемая ширина линий говорит о том, что характерная скорость разлета вещества сверхновой составляет около 10 000 км/с.«Все эти параметры неплохо согласуются с предсказаниями самых простых сценариев эволюции белых карликов, которые говорят, что взрыв происходит в результате постепенного повышения массы вплоть до чандрасекаровского предела в 1,4 массы Солнца, хотя нельзя отвергнуть и гипотезу о слиянии двух белых карликов», — отметил Евгений Чуразов.
Сравнение спектров, измеренных обсерваторией INTEGRAL, с моделями, основанными на детальном расчете нуклеосинтеза и динамики расширения оболочки в «канонических» сценариях с «чандрасекаровским» белым карликом, демонстрирует хорошее согласие теории и наблюдений.
В целом хорошее согласие с «каноническими» моделями позволяет предположить, что в гамма-лучах SN2014J является типичным представителем класса сверхновых типа Ia. К сожалению, интерпретация оптических наблюдений этой рекордно-близкой сверхновой осложнена тем, что оптическое излучение сильно поглощается пылью в галактике М82.

Российским астрономам везет

Сверхновая SN2014J продолжила историю изучения сверхновых российскими астрофизиками, которая уже знает случаи необычайного везения. 27 лет назад обсерватория «Рентген» на модуле «Квант» космической станции «Мир» открыла гамма-излучение от сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке. Это была сверхновая другого типа — типа II, которые рождаются в результате коллапса массивной звезды. Будучи отдаленной от Земли на расстояние «всего» 179 тыс. световых лет, SN1987A стала ближайшей сверхновой типа II в современную эпоху орбитальных обсерваторий.
«Нам необычайно повезло, когда в феврале 1987 года сверхновая второго типа вспыхнула почти одновременно с запуском обсерватории «Рентген» на модуле «Квант», — вспоминает Рашид Сюняев, научный руководитель международной обсерватории «Рентген». — Уже в августе 1987 года мы увидели жесткое рентгеновское излучение, которые предсказывали теории».«Мы надеемся, что успех обсерваторий «Рентген/Квант», «Гранат» и «Интеграл» будет продолжен обсерваторией «Спектр-Рентген-Гамма», — продолжает Рашид Сюняев. — Это совместный проект России и Германии, который позволит провести обзор всего неба в рентгеновских лучах с рекордной чувствительностью, позволяющей исследовать свойства темной энергии во Вселенной, изучать рост и эволюцию сверхмассивных черных дыр, вести поиск самых экзотических объектов во Вселенной. «Спектр-Рентген-Гамма» станет еще одной национальной обсерваторией, заявку на работу с данными которой сможет подать любой ученый из университетов и институтов страны.
Российским ученым принадлежат права на 50% научных данных обсерватории. Роскосмос и НПО имени С.А. Лавочкина объявили, что запуск обсерватории состоится в марте 2016-го.
Мы гордимся научными результатами наших рентгеновских и гамма-обсерваторий — на странице отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН вы можете найти все эти статьи. Мы уверены, что обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма» даст еще больший поток научных результатов и статей в ведущих научных изданиях. Надеемся, что это будет наука высокого класса».