Нестандартные свечи Вселенной

Нестандартные свечи Вселенной

Ольга Закутняя

В середине февраля журнал Nature опубликовал статью д.ф. -м.н. Марата Гильфанова (Институт космических исследования РАН, Институт астрофизики Общества им. Макса Планка, Германия) и его аспиранта Акоша Богдана (Институт астрофизики Общества им. Макса Планка, Германия), посвященную возможным предшественникам взрывов сверхновых типа Ia («An upper limit on the contribution of accreting white dwarfs to the type Ia supernova rate», Nature, Vol.463, 7283). Из полученных результатов следует, что наиболее вероятным источником взрывов многих сверхновых типа Ia является слияние двух белых карликов, входящих в одну двойную систему.

Хотя сама статья занимает всего две страницы (с библиографией) в разделе «Letters», в NASA сочли возможным провести специальную пресс-конференцию с авторами исследования, приуроченную к выходу журнала. Что же столь важного в полученном результате?

X-ray: NASA/CXC/MPA/M.Gilfanov & A.Bogdan; Infrared: NASA/JPL-Caltech/SSC; Optical: DSS Составное изображение галактики МЗ1 (Туманности Андромеды). Разными цветами показаны изображения, полученные на разных длинах волн. Желтый цвет — изображение в рентгеновском диапазоне (данные орбитальной рентгеновской обсерватории Chandra), голубой — в оптическом (обзор DSS), красный — в инфракрасном (данные космического телескопа Spitzer). На вставке отдельно показано изображение, полученное Chandra. Оно покрывает только центральную часть галактики. На сайте http://chandra.harvard.edu/photo/2010/type1а/ можно увидеть составные элементы этого изображения.

В исследовании предложен и проверен на данных рентгеновской орбитальной обсерватории «Чандра» метод определения источников взрывов сверхновых типа Ia. Такие сверхновые часто называют «стандартными свечами» — их светимость практически одинакова, поэтому их наблюдаемая яркость зависит только от расстояния до них. Кроме этого, они чрезвычайно ярки, поэтому их можно видеть на больших расстояниях, сравнимых с размером наблюдаемой части Вселенной. Находя такие сверхновые и измеряя их красные смещения и расстояния до них, можно определять скорость расширения Вселенной в разные моменты времени в прошлом. На основании таких измерений в 1998 г. был сделан вывод о существовании темной энергии.

Общепринятым механизмом появления такой сверхновой считается термоядерный взрыв белого карлика, масса которого превысила критическое значение — так называемый предел Чандрасекара, примерно равный 1,4 массы Солнца. Белые карлики — это сверхплотные останки звезд, полностью истративших термоядерное топливо в процессе эволюции и сжавшихся до очень малых размеров при относительно большой массе (порядка массы Солнца).

NASA/CXC/M.Weiss Слияние двух белых карликов в двойной системе, приводящее к взрыву сверхновой типа 1а.

До сих пор оставалось неясным, как именно происходит накопление массы и достижение критического «порога». Наиболее вероятными считались две гипотезы. В первой предполагается, что белый карлик — будущая сверхновая — находится в двойной системе с нормальной звездой и постепенно перетягивает на себя вещество компаньона. Процесс перехода вещества называется аккрецией, а сам сценарий — аккреционным.

Вторая гипотеза рассматривает слияние двух белых карликов в двойной системе.

Попытки различить эти два сценария и понять, какой из них более распространен, до сих пор основывались на теоретических расчетах взрывов белых карликов в разных сценариях и сравнении результатов этих расчетов с наблюдениями сверхновых. Другой путь — исследование эволюции звезд в двойных системах с целью определить, насколько многочисленны системы того или иного типа в галактиках.

Идея, которую высказал и проверил экспериментально Марат Гильфанов, состояла в том, что эти два сценария можно различить по внешним проявлениям активности белых карликов, предшественников сверхновых, задолго до взрыва сверхновой. А именно, он обратил внимание на то, что теория предсказывает принципиально разные рентгеновские светимости до взрыва в каждом из этих сценариев.

Аккреционный сценарий предсказывает, что в течение нескольких миллионов лет до взрыва аккрецирующий белый карлик является ярким источником излучения в рентгеновском диапазоне. В противоположность этому, два белых карлика в двойной системе ведут себя «электромагнитно тихо»: они почти не излучают ни в одном из диапазонов электромагнитного спектра, вплоть до самого последнего момента перед слиянием и взрывом.

NASA/CXC/M.Weiss) Иллюстрация процесса аккреции вещества на белый карлик, приводящего к взрыву сверхновой типа 1а.

Важно, что частота вспышек сверхновых в галактике в среднем пропорциональна ее массе, которую можно оценить экспериментально. Следующий шаг — определить число двойных систем с белым карликом, которое требуется аккреционным сценарием для наблюдаемой частоты взрывов сверхновых. Далее уже нетрудно предсказать общую светимость аккрецирующих белых карликов — предшественников сверхновых в галактике и сравнить ее с той, что наблюдается на самом деле.

Идея оказалась достаточно простой, чтобы первые выкладки для галактики Туманность Андромеды (М31) были сделаны практически сразу. Детальные же вычисления с учетом различных режимов аккреции на белые карлики, возможного разброса возраста звездного населения в галактиках, а также работа с данными наблюдений обсерваторией «Чандра» заняли почти год.

В итоговой статье описывались результаты исследования для шести близких эллиптических галактик. Выбор диктовался тем, что в таких галактиках сравнительно мало газа, который поглощает и тем самым заметно ослабляет мягкое рентгеновское излучение аккрецирующих белых карликов. Кроме них исследовалась центральная область (так называемый балдж) галактики Туманность Андромеды.

Для экспериментальной оценки масс галактик и их рентгеновской светимости использовались данные ближнего инфракрасного (обзор 2MASS и результаты орбитального телескопа Spitzer, NASA) и рентгеновского (орбитальная обсерватория Chandra, NASA) диапазонов.

X-Ray (NASA/CXC/MPA/M.Gilfanov & A.Bogdan), Infrared (2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF), Optical (DSS) Составное изображение эллиптической галактики М32 в созвездии Андромеды (использованы данные наблюдений в оптическом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах). Расстояние до галактики — около 1 мегапарсека.

В качестве параметров аккреционного сценария были выбраны следующие весьма консервативные значения: начальная масса белого карлика — 1,2 массы Солнца (более вероятны меньшие значения начальной массы, при которых рентгеновское излучение будет больше), темп аккреции — одна десятимиллионная массы Солнца в год. Частота вспышек сверхновых в типичной эллиптической галактике — примерно одна вспышка в 50100 лет. Соответственно, число аккрецирующих белых карликов в такой галактике должно составлять несколько тысяч.

Следующий шаг — вычисление их общей светимости на основе заданных параметров. А затем теоретически предсказанные значения рентгеновской светимости (диапазон 0,3–0,7 кэВ) сравнивались с реальными экспериментальным данными Chandra.

Оказалось, что предсказываемые в аккреционном сценарии светимости галактик в рентгеновском диапазоне превосходят наблюдаемые значения в 30–50 раз, при этом надо учитывать, что не все наблюдаемое излучение связано именно с белыми карликами). Следовательно, с достаточно высокой степенью уверенности можно утверждать, что аккреционный сценарий появления сверхновых в таких галактиках не работает, — доля сверхновых, появившихся таким способом, не превышает нескольких процентов. Поскольку единственной альтернативой в настоящее время является сценарий сливающихся белых карликов, он становится наиболее вероятным источником вспышек сверхновых типа Ia.

X-Ray (NASA/CXC/MPA/M.Gilfanov & A.Bogdan), Infrared (2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF), Optical (DSS) Составное изображение эллиптической галактики NGC 4278 в созвездии Волосы Вероники (использованы данные наблюдений в оптическом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах). Расстояние до галактики — приблизительно 16 мегапарсек.

Здесь само исследование заканчивается, но появляется множество новых вопросов.

Во-первых, дальнейшего рассмотрения требуют галактики других типов. Как подчеркивает сам Марат Гильфанов, полученный результат касается только эллиптических, т.е. сравнительно старых галактик. Это существенное уточнение: в спиральных галактиках рентгеновское излучение аккрецирующих белых карликов может быть «спрятано» за счет поглощения газом и пылью, которые в достаточном количестве присутствуют в таких галактиках. Впрочем, насколько этот процесс эффективен, еще предстоит исследовать. Во-первых, в спиральных — «молодых» галактиках, где много массивных короткоживущих звезд, может в принципе реализовываться режим аккреции, при котором белые карлики в аккреционном сценарии будут в основном излучать в ультрафиолетовом и оптическом диапазонах спектра. Поэтому в таких галактиках аккреционный сценарий может, по крайней мере теоретически, играть заметную роль.

Во-вторых, теоретический расчет основан на предсказаниях современной теории аккреции и термоядерного горения на поверхности белого карлика. Хотя в настоящее время нет серьезных оснований подвергать эту теорию сомнению, интересно более подробно исследовать экспериментальные данные по наблюдениям разных режимов аккреции на белые карлики.

В-третьих, предстоит внимательней изучить второй сценарий образования сверхновых Ia типа — сценарий сливающихся белых карликов в двойной системе. До сих пор ему уделялось сравнительно мало внимания: не в последнюю очередь потому, что такие двойные системы очень сложно наблюдать.

Четвертое следствие имеет отношение уже не столько к астрофизике, сколько к космологии, поскольку полученные результаты помогут лучше понять те вариации яркости «стандартных свечей», которые все-таки наблюдаются. И, что не менее важно, могут помочь откалибровать их более точно. Если в аккреционном сценарии взрыв сверхновой происходит при достижении определенной планки — предела Чандрасекара, то при слиянии двух белых карликов масса получающегося объекта может варьироваться в некоторых пределах, что сказывается и на светимости сверхновой.

Впрочем, кроме научной значимости не последнее место в оценке этой работы занимает ее исключительное изящество и, как ни странно, понятность широкой аудитории — не случайно новость о статье в Nature довольно активно обсуждалась на новостных сайтах. Идея, лежащая в основе работы, достаточно проста, а саму логику рассуждений и результат можно «на пальцах» объяснить и среднестатистическому «человеку с улицы». И одновременно при всей простоте для полного объяснения потребуется обстоятельный рассказ с множеством вспомогательных «сюжетов», начиная от теории звездной эволюции и заканчивая методами определения расстояний в космологии. А это в свою очередь — замечательный материал для научной популяризации.

Ольга Закутняя,

ИКИ РАН