сверхновая типа Ia

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.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

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.

Глубоко под землёй, в тишине криостата (охлаждаемого контейнера), лежат кристаллы из свинца, который когда-то был частью древнеримского корабля. Этот материал почти не фонит — за две тысячи лет нестабильные изотопы в нём распались, и теперь он идеально чист для охоты на редчайшие события.

Шестого августа 1181 года китайские астрономы заметили в созвездии Кассиопеи новую звезду. Она сияла 185 дней, медленно угасая, и исчезла, оставив лишь запись в летописях. Сегодня на её месте — горячий белый карлик (сжатое звёздное ядро без ядерных реакций), разогретый до десятков тысяч градусов. Это остаток тусклой сверхновой редкого типа Iax.

Охотник за древним светом — телескоп Джеймс Уэбб — навёл свои зеркала на крошечный участок неба и засёк странный маячок. Объект с рабочим именем beacon_1420-$$5253_{4770}$$ вспыхнул и погас. Сначала его записали в кандидаты на самую далёкую галактику — будто бы мы видим её всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

Массивная звезда не просто гаснет — она взрывается сверхновой, оставляя расширяющийся остаток и бешено вращающуюся нейтронную звезду — пульсар. В этой космической буре рождаются удивительные узоры, и система «Нимбус» — «Гром» стала их ослепительной иллюстрацией.

Вселенная полна невидимого. Мы знаем о тёмной материи по вращению галактик и гравитационным линзам, но её природа ускользает уже век.

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.

Сверхновые типа Ia — финальные, ослепительные аккорды в симфонии звёздной эволюции: когда белый карлик переступает предел, предсказанный Чандрасекаром, он взрывается так ярко, что на миг затмевает целую галактику.

Две выгоревшие звезды размером с Землю — но каждая тяжелее Солнца — кружатся всё ближе, пока одна не врезается в другую. Удар запускает термоядерный взрыв, и рождается сверхновая типа Ia. Такие вспышки служат космическими маяками для измерения расстояний во Вселенной. Однако детали их возникновения до сих пор вызывают споры.

Костёр, который всегда разгорается до одной и той же температуры — бросите ли вы спичку в центр полена или подожжёте сразу несколько щепок по краям. Примерно так ведут себя сверхновые типа Ia — космические взрывы, которые астрономы используют как линейку для измерения расстояний во Вселенной.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

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.

Маяк мерцает строго раз в секунду. Если он движется по кругу, его вспышки приходят то чуть раньше, то чуть позже — и выдают невидимого напарника. Именно так астрономы разоблачили скрытого компаньона у звезды IY Лиры. IY Лиры — пульсирующая переменная звезда в толстом диске Галактики. Её блеск меняется с периодом около полусуток: звезда ритмично раздувается и сжимается.

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.

В 1987 году астрономы увидели вспышку сверхновой в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Это был редкий подарок: взрыв произошёл достаточно близко, чтобы поймать не только свет, но и нейтрино (почти неуловимые частицы, проходящие сквозь Землю насквозь).

Be-звёзды — это быстро вращающиеся светила, окружённые ярким газовым диском. Обычно их раскручивает звезда-компаньон: вещество, перетекая с соседки, закручивает звезду, словно пулю в нарезном стволе — аналогия, упрощённо передающая передачу углового момента через аккрецию. Однако встречаются и одинокие Be-звёзды без пары, и их происхождение долго оставалось загадкой.

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.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

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.

В глубине созвездия Орла спрятана туманность, похожая на раздувающийся пузырь. Её надувает крошечная звезда размером с город — пульсар, который делает несколько оборотов в секунду и теряет энергию вращения. Обычно такие пузыри светятся ровно настолько, насколько силён их пульсар. Но этот пузырь, получивший имя «Ускоритель Орла», оказался ярче, чем положено.

В недрах умирающей звезды перед взрывом сверхновой идут ядерные реакции, которые определяют, какие химические элементы разлетятся по космосу. Одна из таких реакций — столкновение ядра кислорода с протоном, после которого рождается ядро азота и альфа-частица (ядро гелия).

В глубинах Галактики иногда рождаются звёзды-беглянки. Их выбрасывает из привычного места чудовищная сила — взрыв сверхновой. Одна из таких странниц найдена недавно: звезда из класса LP 40-365, осколок белого карлика, пережившего неполный взрыв.

Свет от далёкой звезды летит к нам миллиарды лет, и за это время Вселенная успевает расшириться. Как проверить, что мы правильно понимаем этот путь?

В далёких галактиках живут старые звёзды, которые раздуваются и краснеют. Среди них есть две группы, похожие на маяки: одни только что вспыхнули гелиевым горением, другие уже сжигают углерод и кислород. Астрономы с помощью телескопа «Хаббл» заглянули в 92 галактики и сравнили яркость этих двух типов звёзд.

Красный гигант в созвездии Лебедя раздулся так, что его внешние слои перетекают на маленького, но тяжёлого соседа — белого карлика. Газ закручивается вокруг карлика, как вода вокруг слива в ванне, и падает на него. Но у CH Лебедя этот поток не спокойный: каждые 682.5 секунды рентгеновское излучение вспыхивает и гаснет. Это как маяк, который вращается и посылает луч.

Пара звёзд кружится друг вокруг друга. Одна из них — плотный белый карлик размером с Землю, но массой с Солнце. Его соседка — обычная звезда, которая перетекает на карлика своё вещество. Время от времени накопившийся газ вспыхивает, как гигантская водородная бомба, и звезда на время становится в тысячи раз ярче.

В 2013 и 2020 годах один и тот же телескоп на Гавайях смотрел на остаток взорвавшейся звезды — Кассиопею A. Снимки делали в свете раскалённого железа, как будто фотографировали невидимые потоки металла, летящие сквозь космос. За семь лет астрономы нашли 263 плотных сгустка — это обломки, выброшенные взрывом.

Молодую планету AU Mic b поймали в момент, когда она пряталась за своей звездой. Телескоп Spitzer следил за инфракрасным свечением: когда планета скрылась, общий свет системы чуть ослаб. Разница составила всего 171 часть на миллион — как одна капля чернил в десяти вёдрах воды. Но этого хватило, чтобы измерить температуру дневной стороны далёкого мира.

В кармане старого пиджака иногда находишь билет в кино трёхлетней давности. Время по нему не восстановить, но можно понять, куда ходил владелец. Так и с горячими субкарликами — крошечными звёздами на позднем этапе жизни, которые светят в основном в ультрафиолете. Их свет — как тот билет: рассказывает о прошлом, но прочитать его сложно.

Когда далёкая звезда взрывается, её свет летит к нам миллиарды лет. Астрономы измеряют, насколько тусклой она выглядит, и по этому вычисляют расстояние. Обычно для этого используют сложные модели с тёмной энергией и другими загадками.

Массивные звёзды завершают жизнь грандиозным взрывом — сверхновой. Их ядра сжимаются в нейтронную звезду — сверхплотный объект, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн, — или в чёрную дыру. Долгое время самый распространённый тип таких вспышек считали уделом одиночных светил. Однако сверхновая SN 2018gj нарушила это правило.

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.

Сверхновые типа Ia — своего рода «стандартные свечи» космологии: их пиковая светимость практически одинакова, что позволяет определять расстояние по видимому блеску: чем тусклее объект, тем он дальше. Такие сверхновые служат маркерами для измерения дистанций до удалённых галактик.

Астрономы применяют сверхновые типа Ia — термоядерные взрывы белых карликов — в роли «стандартных свечей»: их пиковая светимость долгое время считалась одинаковой во всех уголках Вселенной.

Светлячок вспыхивает на одну десятимиллиардную долю секунды где-то над сибирской тайгой. Увидеть такое невозможно, но установка TAIGA-HiSCORE, разбросанная по долине в Тункинском районе Бурятии, пыталась поймать именно такие вспышки — только не от насекомых, а из глубин космоса. Обычно эта система из множества светочувствительных детекторов ловит частицы космических лучей, которые врезаются в атмосферу Земли.

В тихой гавани Местного пузыря — разреженной полости горячего газа вокруг Солнца — недавно прогремел взрыв. Сверхновая вспыхнула в десятках парсек от нас, и её эхо до сих пор гуляет по окрестностям, меняя картину космических лучей. Долгое время считалось, что поток частиц из Галактики однороден, как свет от множества далёких фонарей.