Пояснено походження кілець наднової 1987A

Ріс. 1. Результати моделювання структури кілець у надновій 1987A (зі статті Морріса і Подсядловського astro-ph/0703317)

Минуло вже 20 років з моменту вибуху наднової 1987A у Великій Магеллановій хмарі, але таємниця трьох кілець навколо місця вибуху, що нагадують за формою пісочний годинник, досі не розкрита. Астрофізики Томас Морріс (Thomas Morris) і Філіп Підсядловський (Philipp Podsiadlowski) з Оксфордського університету (Великобританія) побудували тривимірну чисельну модель, що пояснює властивості потрійної системи кілець у залишку наднової 1987A тим, що зірка колись утворилася в результаті злиття компонент подвійної системи.

23 лютого 1987 року Землі досягло світла від спалаху наднової у Великій Магеллановій хмарі, що отримала назву «наднова 1987A» (або SN 1987A — від supernova, SN). Звичайно, сам спалах стався приблизно за 160-170 тисяч років до цього — саме стільки часу потрібно, щоб світло подолало відстань, що розділяє нас і карликовий супутник нашої Галактики, але ми, швидше за звичкою, будемо говорити про «спалах 1987 року».

Це була перша наднова з часів Кеплера 1604 року, видима неозброєним оком (SN 1604 — остання наднова, зафіксована в нашій Галактиці). Спостереження дозволили отримати масу інформації про наднову 1987A, що дало можливість істотно просунутися в розумінні фізики вибухів зірок. Завдяки близькості Великої Магелланової хмари вперше вдалося виявити на архівних знімках передсверхнову, тобто зірку — нею виявився блакитний надгігант Sanduleak -69 ° 202, описаний у 1969 році румуно-американським астрономом Ніком Сандуляком. (Заодно було спростовано припущення про те, що всі наднові утворюються з червоних надгігантів.)

Крім того, в 1987 році працювали нейтринні детектори, тому вперше вчені змогли зареєструвати нейтринний сигнал від вибуху (за 3 години до того, як світло від спалаху досягло Землі, відразу кілька нейтринних обсерваторій зафіксували значне перевищення нейтринного фону). Але і це ще не все. Протягом 20 років, що минули з моменту вибуху (ще раз підкреслю умовність цієї фрази), вчені стежать за еволюцією залишку наднової. Всім відомі найкрасивіші зображення цього об’єкта. Особливо вражає потрійна система кілець, що висвітилися в залишку наднової (до того ж абсолютно випадково на залишок спроектувалися дві зірочки, що перетворили два кільця на персні з діамантами). Як ці кільця утворилися?

Рис, 2. Щоб зрозуміти структуру кілець SN 1987A, потрібно подумки відтворити її тривимірне зображення. Уявіть собі пісочний годинник (насправді, аналогія з пісочним годинником неповна, оскільки не вистачає стінок годин). Менше, більш яскраве кільце в центрі відповідає «талії» годин. А два великих кільця зверху і знизу розташовані на відстані приблизно 0,4 парсека (приблизно 1,3 світлового року) від площини внутрішнього кільця. Всі кільця знаходяться приблизно на одній осі. (Фото з сайту hubblesite.org)

Кільця не були викинуті при вибуху наднової, інакше вони повинні були б миттєво з’явитися на відстані в кілька світлових місяців. (Відстань зовнішніх кілець від місця вибуху становить більше світлового року, а внутрішнього — трохи більше світлового півроку, і кінематика кілець відома.) Значить, вони існували і до спалаху. Просто вибух «підсвітив» їх. Телескоп «Хаббл», запущений у квітні 1990 року, «побачив» внутрішнє кільце навколо наднової вже 23-24 серпня 1990 року. Два зовнішніх, менш яскравих, кільця вперше були виявлені на знімках «Хаббла» в 1994 році.

Незвичайні властивості найбільш наднової (хімічні аномалії) укупі з даними по зірці-прабатьківниці давно наводили вчених на думку про те, що блакитний надгігант Sk -69 ° 202 був утворений в результаті злиття двох масивних зірок. Але довести це дуже непросто. Можливо, успішне пояснення властивостей кілець за допомогою тривимірного моделювання почасти послужить таким доказом.

Протягом свого життя зірки активно втрачають речовину. Всім відомі найкрасивіші планетарні туманності, що мають часом вельми химерну форму. Всі ці чудеса природи утворюються через витоки зоряної речовини, які можуть відбуватися в кілька етапів, причому потоки можуть бути сферично несиметричними. Не є винятком і герої нашого оповідання — кільця SN 1987A.

Закінчення речовини від передсверхнової і стало причиною появи як внутрішньої, так і обох зовнішніх кілець. За минулі 20 років будувалося безліч моделей, які намагалися пояснити походження кілець. Однак вони не враховували особливості розподілу речовини навколо зірки перед вибухом. Ймовірно, тому жодна модель не могла пояснити весь набір спостережених параметрів. Моррісу і Підсядловському, схоже, це вдалося.

У моделі Морріса і Подсядловського, яку ми будемо обговорювати, більш потужне випромінювання відповідає більшій щільності газу. Поява цих ущільнень автори моделі пов’язують з тим, що передсверхнова з’явилася як результат злиття двох зірок. У моделі розглядається подвійна система, що складається з зірок з масами приблизно 15 і 5 сонячних. Більш масивна зірка еволюціонує швидше. Водень у ядрі вигоряє, і вона йде з головної послідовності (див. Діаграма Герцшпрунга — Рассела). Потім зірка розширюється, і починається перенесення речовини з одного компонента подвійної системи на інший (див. рис. 3, панель a).

Рис, 3. Модель Морріса і Підсядловського. Така еволюційна схема призвела, зокрема, до формування кілець. Панель a: починається нестійке перенесення речовини з однієї зірки на іншу. Утворюється загальна оболонка (панель b). На цій стадії менш масивна зірка (вона ліворуч) знаходиться ще на стадії головної послідовності (MS), в той час як друга, більш масивна і, відповідно, швидше еволюціонуюча зірка, вже сформувала всередині себе вуглецево-кисневе (CO) ядро. Зірки зближуються всередині загальної оболонки, і частина речовини оболонки розсіюється (панель c). Зрештою, злиття закінчується (панель d: темно-синій колір — це ущільнення, тобто зародки кілець; блакитний — речовина, скинута при злитті; червоний — речовина, скинута при перетворенні червоного гіганта на блакитний; жовтий — вітер блакитного гіганта). Після 1000-річної релаксації виникає блакитний гігант. До цього моменту оболонка, що розсіюється, вже сформувала навколо складну структуру, яка містить «зародки» трьох кілець. Швидкий і потужні вітер гіганта піддуває всю цю структуру. Перед вибухом надновий, який стався через приблизно 20 000 років після злиття, весь набір кілець вже готовий. Залишається тільки іонізувати речовину в них потужним потоком ультрафіолету. (Ріс. з обговорюваної статті astro-ph/0703317)

Перенесення мас у такій системі нестійке: друга зірка не може «засвоїти» все падаюче на неї речовину, оскільки темп перенесення занадто великий, і воно «переливається через край». Формується так звана «загальна оболонка» — тобто подвійна система виявляється зануреною в хмару газу. У такій ситуації компоненти подвійної починають зближуватися (рис. 3, панель b), оскільки кутовий момент забирається з системи разом з речовиною оболонки. Частина речовини викидається (рис. 3, панель c). Нарешті, зірки зливаються.

Відразу після злиття має утворитися щось «велике і пухке». Це червоний надгігант — зірка з відносно холодними (а тому червоними) зовнішніми шарами і гігантським радіусом, який становить близько 1500 сонячних. Основна маса зірки (12 з 20 сонячних мас) зосереджена в гігантській розрідженій оболонці. Після злиття зірка швидко обертається (звичайно, швидко лише для свого гігантського розміру). Тому форма її не сферична. Частина речовини відтікає, забираючи надмірний кутовий момент. Зірка змінює свій вигляд. Вона стискається, і через 1000 років після злиття виникає блакитний гігант (блакитний колір пов’язаний з високою температурою у зовнішніх шарах). Він набагато компактніший і легший, ніж червоний надгігант. Адже кілька сонячних мас може бути втрачено зіркою за рахунок відтікаючої речовини.

Рис, 4. Розподіл речовини навколо зірки перед вибухом. Чорними точками показано речовину зоряного вітру блакитного гіганта. Блакитним і зеленим — речовина оболонки. Ущільнення, показані зеленим на (X, Z) = (0,4, 0,4) і симетрично на (X, Z) = (0,4, -0,4) стануть зовнішніми кільцями (ми дивимося на праву половину зрізу в меридіональній площині). Ущільнення в екваторіальній площині на X = 0,2 парсека стане внутрішнім кільцем. Polar axis — полярна вісь, equatorial plane — екваторіальна площина (всі відносно зірки, екватор зірки збігається з орбітальною площиною подвійної, яка злилася). Зірка знаходиться в точці (0, 0). Ріс. з обговорюваної статті astro-ph/0703317

У процесі злиття і скидання частини загальної оболонки — тобто ще до появи блакитного гіганта — вже утворилися «зародки» внутрішнього і зовнішніх кілець. Блакитний гігант починає випускати потужний зоряний вітер, набагато швидший, ніж вітер червоного гіганта. Речовина вітру стикається з речовиною скинутої оболонки (рис. 3 панель d). Області високої щільності виносяться вітром блакитного гіганта на більшу відстань. Так утворюються зовнішні кільця. Внутрішнє кільце набуває свого остаточного вигляду завдяки взаємодії вітру блакитного гіганта з речовиною, що витекла раніше в екваторіальній площині.

На рис. 4 показано розподіл речовини через 20 000 років після злиття (що відповідає моменту вибуху). Чорними точками показано речовину вітру, кольором — речовину туманності. На малюнку зображена тільки половина системи, друга симетрична їй. Щоб представити всю систему, віддзеркаліть зображення відносно осі Z. Зірка знаходиться в точці (0,0). Все готово до вибуху.

Тепер, щоб отримати зображення на рис. 1, необхідно тільки «підсвітити» отриману структуру вибухом надновий і вибрати правильний ракурс. Адже, хоча ущільнення навколо передсверхнової існували і до вибуху, побачити з Землі їх було неможливо. Спалах надновий за рахунок потужного ультрафіолетового випромінювання призводить до іонізації речовини цих ущільнень. Саме так з’являються яскраві кільця.

Особливо цікаво подивитися на всю цю картину виникнення кілець у русі. Зробити це можна тут і тут. Один з фільмів (merger.mpg або S1, залежно від того, з якого сайту ви їх скачуєте) показує, як в результаті злиття відбувається формування структури навколо зірки. Другий фільм (wind.mpg або S2) демонструє, як вітер блакитного гіганта врізається в сформовану структуру. Дія першого фільму відбувається на масштабі всього лише 12 років. Другий фільм розповідає про історію тривалістю 20 000 років.

Порівняння результату моделювання (рис. 1) з фотографією системи кілець (рис. 2) говорить про те, що автори впоралися зі своїм завданням. Крім пояснення зовнішнього вигляду всієї системи їм вдалося також описати кінематичні властивості кілець. А це вже серйозні аргументи на користь того, що розглянута модель вірна. І значить, наднова 1987A зобов’язана своїми дивовижними властивостями злиттю двох зірок.

Джерело: T. Morris, Ph. Podsiadlowski. The Triple-Ring Nebula around SN 1987A: Fingerprint of a Binary Merger // astro-ph/0704317.

Сергій Попов