кривые блеска сверхновых

В тихом переулке галактики, где звёзды редки и стары, вдруг вспыхивает свет, ярче целой галактики. Это сверхновая типа Ia — термоядерный взрыв белого карлика, который астрономы используют как стандартную свечу для измерения космических расстояний. Но среди этих свечей есть редкие «бракованные» — подтип 2003fg, который светит слишком ярко и может сбить космологическую линейку.

После взрыва сверхновой в центре остаётся компактный объект размером с город — новорождённая нейтронная звезда. Это экстремальное состояние вещества: звезда горячая, сжатая до ядерной плотности и дрожит, как колокол после удара.

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

17 сверхновых из выборки ZTF DR2 зажглись с опережением графика. В первые часы и дни после взрыва они испускали больше света, чем предписывают стандартные модели. Астрономы сравнивают это с бикфордовым шнуром: прежде чем ослепительная вспышка разорвет небо, по внешним слоям пробегает огонек-предвестник.

Веками астрономы всматривались в ночное небо, ловя малейшие изменения блеска звёзд. Эти неравномерные ряды — кривые блеска — словно нотные станы: каждая звезда исполняет свою уникальную мелодию. Но сегодня потоки данных с телескопов вроде обзора Веры Рубин (LSST) превратились в оглушительную какофонию — миллиарды «записей» еженощно.

Массивная звезда заканчивает жизнь грандиозным обвалом: ядро сжимается в нейтронную звезду или чёрную дыру, а внешние слои разлетаются ослепительной сверхновой.

В созвездии Скорпиона, в 3000 световых годах от Земли, мёртвая звезда крадёт вещество у живой. Белый карлик в системе IGR J17014-4306 — сверхплотный углеродно-кислородный шар массой с Солнце, но размером с Землю — перетягивает водород с обычной звезды-компаньона.

В апреле 2021 года в галактике, удалённой на 35 мегапарсек, вспыхнула сверхновая SN 2021foa. Она сразу озадачила астрономов: её спектр лихорадочно переключался между линиями водорода и гелия — будто звезда в агонии судорожно сбрасывала внешние слои.

Кастрюля с кипящей кашей, где вместо крупы — слои кислорода и кремния, а огонь под ней вот-вот погаснет, и звезда схлопнется сама в себя. До сих пор повара-астрофизики пользовались упрощённым рецептом: считали, что пузыри и завихрения в каше подчиняются одной и той же средней температуре по всей глубине. Но реальная каша оказалась капризнее.

Фонарик светит не ровным кругом, а ярким пятном в центре и размытым ореолом по краям. Если его быстро выключить, последними погаснут именно края — и по тому, как угасает свет, можно догадаться о форме отражателя. Примерно так устроен гамма-всплеск: когда коллапсирующая звезда выбрасывает узкую струю плазмы, мы видим лишь её сердцевину, а всё остальное скрыто.

Спичка вспыхивает с двух концов. Сначала загорается головка, а через мгновение пламя охватывает и саму деревянную палочку. Нечто подобное, возможно, происходит в некоторых сверхновых типа Ia — только вместо спички белый карлик (звезда размером с Землю), а вместо огня — термоядерный взрыв.

Две лампы в витрине: одна светит холодным голубоватым светом, другая — чуть теплее, желтее. Примерно так же выглядят два типа сверхновых — Ib и Ic, — когда астрономы смотрят на них в телескоп. Обе вспыхивают в конце жизни массивной звезды, которая успела сдуть с себя водородную оболочку, как одуванчик теряет пушинки.

Взрыв сверхновой — это катастрофическая гибель массивной звезды, оставляющей после себя расширяющееся газовое облако, своего рода «ударный кокон». Если в окрестностях много водорода, ударная волна расходится сквозь него, словно эхо от далёкого выстрела, постепенно теряя энергию.

Солнечное пятно — тёмный остров на раскалённой поверхности — дышит. Каждые три минуты от него расходится волна, бежит по невидимой магнитной арке и заставляет плазму над соседним пятном вспыхивать радиосигналом. Семь таких вспышек подряд поймали радиотелескопы 14 февраля 2024 года. Цепочка всплесков повторялась с периодом около 160 секунд.

Вспышка гамма-лучей — это как выстрел из космической пушки. Сначала короткая вспышка света, потом затухание. Но внутри этой вспышки всё не так просто: её цвет и яркость меняются не одновременно. Учёные взяли 20 одиночных вспышек, которые поймал спутник «Ферми», и разложили их по времени.

Глубоко под японской горой Икено стоит цистерна с пятьюдесятью тысячами тонн чистейшей воды. В ней ловят нейтрино — частицы-призраки, которые прошивают Землю насквозь, почти не замечая её. Когда в нашей галактике взрывается звезда, нейтрино приходят первыми, за часы до света.

Далёкий фонарь светит сквозь неровное стекло. Стекло искривляет лучи, и вместо одного огонька на стене появляются несколько — одни ярче, другие слабее. Примерно так же массивная галактика искривляет свет взорвавшейся звезды. Взрыв был один, а на снимках вышло четыре светящиеся точки. Астрономы заметили первую точку случайно: в данных телескопа ZTF появился голубой огонёк рядом с далёкой галактикой.

Взрыв массивной звезды — событие яркое, но короткое. Сама вспышка длится недели, а вот нагретая ею пыль вокруг светится в инфракрасных лучах ещё долгие годы. Это как если бы вспышка фотоаппарата осветила комнату, а потом ещё долго тлели бы раскалённые пылинки в воздухе — только в космических масштабах.

Когда две нейтронные звезды сталкиваются, рождается килоновая — космический взрыв, который светится не только от жара, но и от распада свежесозданных тяжёлых элементов. Среди них неодим — редкоземельный металл, который в земных недрах прячется в минералах, а в космосе на короткое время становится главным дирижёром света.

Когда массивная звезда исчерпывает запасы термоядерного топлива, она сбрасывает внешнюю водородную оболочку и взрывается — как последний, отчаянный выдох. Такие события классифицируются как сверхновые типа Ib: взрыв с коллапсом ядра, в спектре которого отсутствуют линии водорода, но присутствуют линии гелия.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

Свет далёких звёзд, пробиваясь сквозь космическую пыль, теряет часть своей энергии. Пылинки поглощают и рассеивают свет, и по тому, как именно они это делают на разных длинах волн, можно судить об их составе и размерах. Астрономы называют это кривой поглощения пыли.

Когда массивная звезда взрывается, она выбрасывает в космос гигантские облака газа. Эти облака, называемые остатками сверхновых, могут растягиваться на сотни триллионов километров. Два таких облака — G107.7-5.1 и G150.3+4.5 — недавно изучили астрономы с помощью телескопа в Турции. Они разложили свет от этих облаков на цвета, как призма разлагает белый свет на радугу.

Когда два ядра свинца сталкиваются на огромной скорости, на миг рождается облако раскалённой материи — плотнее и горячее, чем в центре Солнца. Сквозь это облако летят струи частиц: узкие, как лазерные лучи, пучки, выбитые ударом. Детектор CMS ловит их следы и показывает, как струи меняются, продираясь сквозь горячий «туман».

Нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Они беспрепятственно проходят сквозь звезду, как пули сквозь туман. Когда массивная звезда готовится к взрыву, её ядро сжимается, температура растёт, и из неё начинают вылетать нейтрино.

Двадцать восемь секунд — столько времени понадобилось автоматической камере, чтобы навестись на вспышку в созвездии, до которого свет шёл больше девяти миллиардов лет. Телескоп в чешской обсерватории Ондржейов сработал как пожарная сигнализация: едва спутник засёк гамма-всплеск, робот развернул трубу и начал фотографировать небо каждые несколько секунд.

31 декабря 2023 года на Солнце случилась вспышка высшего класса — такая, что за несколько минут высвобождается энергия миллиардов атомных бомб. Вместе с ней с поверхности сорвался огромный протуберанец — облако раскалённого газа, которое понеслось в сторону от Солнца со скоростью почти 3000 километров в секунду.

В глубине умирающей звезды, которая в восемь раз тяжелее Солнца, за несколько дней до финального взрыва начинается тихая лихорадка. Ядро звезды сжимается и разогревается, и из него вырываются нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом.

Нейтронная звезда 1E 161348-5055 в остатке сверхновой RCW 103 пульсирует с периодом 6,67 часа. Это очень медленно для такого компактного объекта, и астрономы долго не могли понять, что происходит. Они предположили, что звезда не идеальный шар, а слегка сплюснута, и её ось вращения медленно покачивается, как у запущенного волчка.

Полное солнечное затмение — редкие минуты, когда Луна закрывает яркий диск Солнца и становится видна его внешняя атмосфера — корона. В белом свете корона протягивается на десятки радиусов Солнца, и на снимках видны тонкие структуры: вихревые кольца, волны, похожие на рябь на воде, и огромные выбросы плазмы.

В октябре 2022 года космический детектор GECAM-C зафиксировал мощнейший гамма-всплеск GRB 221009A — взрыв, который на короткое время стал самым ярким источником гамма-лучей в небе. Но самое интересное началось после: прибор поймал серию дополнительных вспышек, и одна из них оказалась рекордной.

Космические нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом и свободно проходящие сквозь Землю. Телескоп IceCube, расположенный во льдах Антарктиды, однажды зарегистрировал такое нейтрино, и его траектория совпала с инфракрасной вспышкой.

Некоторые сверхъяркие сверхновые — звёздные взрывы колоссальной мощности — демонстрируют в спектре отчётливую линию кислорода и быстрое расширение оболочки, тогда как другие лишены этих признаков. Долгое время астрофизики считали, что перед ними принципиально разные явления.

Гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной: умирающая звезда схлопывается в чёрную дыру — область с гравитацией такой силы, что даже свет не может её покинуть, выбрасывая потоки энергии. Нередко это случается после вспышки сверхновой — взрывного финала жизни массивной звезды.

9 октября 2022 года земные детекторы зафиксировали гамма-всплеск невиданной силы. GRB 221009A оказался настолько ярким, что его излучение ионизировало верхние слои ионосферы, а спутниковые приборы временно ослепли.