Як формуються двійкові зіркові системи? Астрономи нарешті вирішують таємницю

Вражаючий вибух наднової, більш ніж в мільярд разів яскравіше нашого сонця, ознаменував народження нейтронної зірки, що обертається навколо її гарячого і щільного супутника. Тепер ці два щільні залишки приречені на спіраль в один мільярд років, згодом зливаючись і поступаючись одних з найважчих відомих елементів у Всесвіті.

Вибух стався в галактиці, подібній до нашого власного Чумацького Шляху, віддаленого майже на 920 мільйонів світлових років. Невеликий телескоп на обсерваторії Паломара в Каліфорнії виявив перші фотони з наднової - названої “iPTF 14gqr” - лише за кілька годин після вибуху, коли вона була більш ніж в 10 разів гарячішою, ніж поверхня нашого сонця. Коли яскравість наднової розвивалася протягом наступних двох тижнів, міжнародна група астрономів використовувала дані для відстеження походження вибуху до масивної зірки радіусом 500 рази від сонця.

Але це не тільки гігантські розміри зірки зробили це відкриття особливо цікавим. Незвичайним було те, що зірка також здавалася найлегшою з усіх відомих гігантських зірок. Ця масивна зірка була позбавлена ​​майже всієї його маси, можливо, щільним орбітальним партнером. Коли вона вибухнула, вона залишила за собою новонароджену нейтронну зірку, яка продовжувала обертатися навколо свого супутника.

Розуміння утворення подвійних зоряних систем, в яких дві супер щільні зірки обертаються один на одного, завжди було головоломкою. Ці швидкоплинні наднові, які дають ці щільні бінарні зіркові системи, рідкісні і важко знайти, тому що вони швидко з'являються і зникають на небі - приблизно в п'ять разів швидше, ніж типова наднова.

Це перше спостереження «ультра-знятої» наднової, яку ми з колегами деталізували в новому дослідженні, не тільки дає змогу зрозуміти формування цих систем, але також показує кінцеві етапи життя цих унікальних масових зірок, які були розграбували всю їхню масу перед смертю.

Вирішення давньої таємниці

Зірки, народжені більш ніж у вісім разів більше маси Сонця, швидко закінчуються паливом і піддаються гравітації в кінці свого життя - руйнуються на себе і вибухають у надновій. Коли це відбувається, всі зовнішні шари зірки - кілька разів більше маси Сонця - розкидані.

Коли я почав працювати з моїм радником, Мансі Каслівал, як новий аспірант, я вирішив вивчити наднові, які швидко зникають у яскравості. Видобуваючи базу даних подій, виявлених iPTF, я зіткнувся з iPTF 14gqr, швидко затухаючою надновою зіркою, яка була виявлена ​​більш ніж за рік до цього, але істинна фізична природа якої залишалася таємничою.

Дані були незрозумілими, оскільки наші попередні моделі припускали, що ця наднова була спричинена смертю гігантської масивної зірки, однак вибух сам по собі був досить невиразним. Вона викинула лише п'яту частину маси Сонця, а її енергія складала лише десяту частину типової наднової. Де були всі відсутні речовини і енергія?

Підказки вказували на те, що вибухаюча зірка повинна була позбутися майже всієї своєї первісної маси до вибуху. Але що може вкрасти стільки матерії від цієї гігантської зірки? Можливо, невидимий бінарний компаньйон?

Я почав читати про рідкісні двійкові сценарії зірок, коли я вперше зіткнувся з ідеєю "ультра-знятих наднових".

Ультра-розірвані супернові

Коли масивна зірка має щільну і близьку бінарну зірку-компаньйон, інтенсивне гравітаційне тяжіння супутника може позбавити його нічого не підозрюючого сусіда майже всієї його маси, перш ніж він вибухне - отже, термін "ультра-роздягнутий".

Ультра-знята наднова залишає за нейтронною зіркою, швидко обертається щільний зоряний труп, що містить трохи більше, ніж маса Сонця, забитого в область розміром з центром Лос-Анджелеса. Ця нейтронна зірка потрапила в щільну орбіту навколо свого супутника. Супутник, можливо, є іншою нейтронною зіркою, або навіть білим карликом або чорною дірою, сформованою з масивної зірки, яка померла кілька мільйонів років до свого супутника.

Такі подвійні системи були важливим полем астрофізичного дослідження протягом декількох десятиліть. Багато таких систем ми безпосередньо спостерігали в нашій власній галактиці за допомогою оптичних і радіотелескопів. Перше непряме виявлення гравітаційних хвиль відбулося за спостереженнями системи подвійної нейтронної зірки. Зовсім недавно, перше злиття подвійної нейтронної зіркової системи було виявлено як у передових LIGO, так і в електромагнітних хвилях у 2017 році, що дало астрономам унікальне уявлення про роботу гравітації і походження важких елементів у Всесвіті.

Тим не менш, вона давно залишилася загадкою, як формують бінарні зірки. Відомо, що у вибухах наднових утворюються нейтронні зірки. Але для того, щоб отримати двійкові нейтронні зірки, потрібно почати двійкову з двох масивних зірок. Тим не менш, це вимагає точного балансу сил, щоб переконатися, що двійкові нейтронні зірки залишаються достатньо стабільними, щоб пережити два бурхливих вибуху, які створюють систему.

Кілька рядків непрямих доказів свідчать, що вони утворюються в дуже рідкісному класі слабких ультра-знятих вибухів наднових зірок. Але ці слабкі вибухи поки уникли прямого виявлення. Це перше спостереження, що свідчить про ультра-зняту наднову зірку, відкриває можливість для розуміння формування жорстких бінарних систем нейтронних зірок.

Сканування Небес для Дитячих вибухів

Наша наднова була виявлена ​​під час проміжного дослідження Palomar Transient Factory (iPTF). Автоматизований огляд iPTF використовував велику камеру, встановлену на 1-метровому телескопі, щоб фотографувати небо кожну ніч і сканувати «нові зірки». Першочерговим завданням пошуку було виявлення дитячих наднових зірок і визначення походження.

Всякий раз, коли виявляється нова зірка, робот-оглядач негайно сповіщає про чергових астрономів, що знаходяться в зовсім іншому часовому поясі, щоб простежити. Ця стратегія, разом з глобальною мережею телескопів, дозволила нам зловити декілька вибухаючих зірок у дії і зрозуміти, як вони виглядають перед тим, як вони вибухнули. Насправді, виявлення рідкісних ультра-знятих наднових моментів після вибуху було щасливим збігом!

Ця єдина подія дала нам перший погляд на масу і енергію, що виділяються в таких вибухах, життєвий цикл масивних зірок і формування подвійних зірок. Проте з більшої вибірки цих подій можна більше дізнатися.

З Zwicky Transient Facilty - спадкоємцем iPTF, який може сканувати небеса в 10 разів швидше - і глобальну мережу телескопів під назвою GROWTH, ми сподіваємося спостерігати більше ультра-роздягнених вибухів, починаючи новий епізод у нашому розумінні цих унікальних зоряних систем..

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Kishalay De. Читайте оригінальну статтю тут.