17.4K
Анализируя химический состав 42 звезд, проживающих в Млечном Пути и в соседних с ним галактиках, астрономы смогли проследить, как изменялось обилие марганца и железа в космосе за 13 миллиардов лет. Их количество, согласно наблюдениям, имеет тенденцию к неуклонному росту, но, что более важно, взаимное соотношение дуэта оставалось практически неизменным на протяжении всей истории Вселенной.
Эти результаты противоречат давней идеи о том, что прародителями сверхновых типа Ia в основном являются двойные системы, состоящие из белого карлика и «обычной» звезды. А это, в свою очередь, оказывает огромное влияние на результат расчета скорости расширения Вселенной, основанный на наблюдении данных «стандартных свечей», и указывает на необходимость его пересмотра.
История тяжелых элементов
С точки зрения химии, Вселенная возникла очень примитивной, и вскоре после Большого взрыва была заполнена лишь водородом и гелием. Основная часть более тяжелых элементов, наблюдаемых сегодня, синтезировалась в недрах звезд последние 13,5 миллиарда лет.
Однако металлы, такие как марганец и железо, образуются только в результате мощнейших взрывов сверхновых, знаменующих конец жизни массивных светил.
«Сверхновые рассеивают материю взрывающейся звезды, обогащая окружающее пространство тяжелыми элементами. А, учитывая, что звезды последующих поколений формируются из остатков предыдущих, они будут включать эти более тяжелые элементы, чьи следы можно отследить в их атмосфере. Кстати, тяжелые элементы в закрученном газовом диске вокруг новорожденной звезды являются химической основой для образования планет и, в случае с нашей Солнечной системой, в конечном счете для появления жизни на одной из них. Без этих элементов не было бы ни нас, ни Земли», – рассказывают авторы исследования, представленного в журнале Astronomy & Astrophysics.
Из-за такого рода кумулятивной химической истории, обилие элементов в атмосфере звезды является прямым показателем ее возраста.
Сверхновые с фундаментальным пределом
Для формирования марганца требуется впечатляюще высокая энергия, высвобождаемая при взрывах погибающих звезд, при этом различные типы сверхновых создают железо и марганец в разных соотношениях.
Наиболее интересный прародитель сверхновой в контексте данной работы – система из белого карлика и обычной звезды. Под действием гравитации остаток солнцеподобного светила вытягивает водород из соседки, накапливая его на своей поверхности и, как только белый карлик достигнет предельной массы, известной как «предел Чандрасекара», он станет нестабильным и произойдет термоядерный взрыв сверхновой типа Ia.
«Предельная масса вытекает из фундаментальных принципов физики. Учитывая это, в таком сценарии общая масса взрывающейся звезды, а, следовательно, и общая яркость взрыва, всегда примерно одинаковы», – отмечают авторы исследования.
Считалось, что сверхновые типа Ia являются хорошим инструментом для астрономов, прослеживающих расширение нашего космоса: наблюдая такой взрыв, они могут точно сказать, насколько фактически яркий источник, и, сравнив его «собственную» яркость с наблюдаемой здесь на Земле, рассчитать расстояние до события.
Затем, измерив красное смещение до галактики, в которой произошел взрыв (то есть как быстро она удаляется от нас), космологи могут вывести отношение красного смещения к расстоянию, говорящее о том, расширяется или сжимается наша Вселенная (сегодня считается, что верно первое утверждение).
За открытие ускоренного расширения Вселенной Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт в 2011 году были удостоены Нобелевской премии по физике. А объясняется этот процесс сегодня тем, что космос заполнен необычным ингредиентом, называемым «темной энергией».
Другой взгляд на сверхновые типа Ia
Однако, эту увлекательную историю об ускоренном расширении Вселенной, возможно, придется переписать.
В рамках предыдущих, менее точных измерений обилия марганца, астрономы пришли к выводу, что прародителями значительной части сверхновых типа Ia являются системы из белого карлика, поглощающего водород с компаньона. Однако, чтобы объяснить, почему соотношение марганца и железа постоянно на протяжении всей истории Вселенной, все должно быть по-другому.
«Существует несколько других процессов, приводящих к вспышке сверхновой типа Ia. Для наблюдателей, измеряющих кривую света взрыва, эти сценарии неотличимы», – добавляют авторы исследования.
В первом случае звезда накапливает материю со спутника, что приводит к ядерной нестабильности во внешней гелиевой оболочке, вызывающей смещение центра взрыва и фронта детонации. Этот горящий фронт распространяется в ядро звезды со сверхзвуковой скоростью, вызывая еще одну детонацию в углерод-кислородном ядре белого карлика. Такой сценарий известен как двойная детонация сверхновой типа Ia.
Во втором случае главными героями являются два белых карлика, вращающихся плотно друг к другу. К тому времени, когда звезды становятся настолько близки, что, по сути, их внешний газ закручивается вокруг них как общая оболочка, гравитационные волны, испускаемые вращающейся двойной системой, все больше и больше их сближают. В результате слияния двух белых карликов происходит термоядерный взрыв.
И последнее, но не менее важное: дуэты из белых карликов также могут испытывать двойную детонацию.
Во всех этих альтернативных сценариях яркость взрыва не является физической постоянной. Вспышки с двойной детонацией не требуют, чтобы звезда достигла предела массы Чандрасекара: фактически, они взрываются при более низких массах и поэтому называются суб-чандрасекарскими взрывами. При слиянии же совокупный взрывающийся объект может быть меньше или больше по массе, чем предел Чандрасекара.
«Это плохая новость для космологов, которые полагаются на сверхновые Ia как на «стандартные свечи», где такие взрывы должны иметь равномерную, хорошо определенную собственную яркость. Что еще хуже, чтобы объяснить наблюдаемое постоянное соотношение марганца к железу, три четверти всех взрывов сверхновых типа Ia в нашей Галактике должны происходить в компактных бинарных системах белых карликов или из-за двойных детонаций. Нестандартные сверхновые типа Ia являются правилом, а не исключением», – утверждают авторы исследования.
Что дальше?
Нет никаких сомнений в том, что эти данные о сверхновых типа Ia для Млечного Пути и его окружения будут перепроверены неоднократно. Но даже сейчас уже есть первые подтверждения: группа астрономов из Калифорнийского технологического института (США) получила аналогичные результаты для ряда карликовых галактик.
Следующий выпуск данных спутника Европейского космического агентства «Gaia», намеченный на 2021 год, даст дополнительную информацию о распространенности двойных белых карликов. Затем космический детектор гравитационных волн LISA, запуск которого в настоящее время запланирован на 2034 год, сможет обнаруживать гравитационные волны от слияния белых карликов, что позволит непосредственно проверить предсказания данной работы.
«Тем временем космологи будут заняты проверкой того, какие последствия новый тип сверхновых может иметь для их выводов о Вселенной в целом. В одном отношении ожидаемые поправки можно даже приветствовать: в настоящее время существует расхождение между постоянной Хаббла, измеренной с помощью сверхновых типа Ia, и постоянной Хаббла, измеренной с помощью космического микроволнового фона. Новые результаты могут помочь нам сделать текущие космологические модели и наблюдения более согласованными. В целом, это впечатляющая демонстрация тесной связи астрономических исследований», – заключили авторы исследования.