Ослепительная сверхновая - первая в своем роде

На этой схематичной иллюстрации материала, выброшенного из SN 2007bi, радиоактивное никелевое ядро (белым) распадается в кобальт, излучая гамма-лучи и позитроны, которые возбуждают окружающие слои (желтым), богатые тяжелыми элементами - такими, как железо. Внешние слои (темно-серым) - легкие элементы - такие, как кислород и углерод, где должен также находиться гелий, остаются неосвещенными, и не видны в видимом спектре.

Лаборатория Беркли,
2 декабря 2009 года

Беркли, Калифорния – Впервые в поле зрения роботизированного телескопа попала сверхяркая, сверхдолгая сверхновая SN 2007bi. Оказалось, что эта - первая обнаруженная звезда из того самого, первого поколения, населявшего раннюю Вселенную. Взрыв произошел в близкой галактике - карлике, которые еще плохо изучены. Тем самым, эта необычная сверхновая обещает стать первой из целой череды подобных событий, которые еще предстоит открыть.

SN 2007bi нашли в начале 2007 года в Фабрике Близких Сверхновых Национальной Лаборатории Беркли. Спектр сверхновой оказался очень необычным, и в течение следующих полутора лет ученые Беркли сотрудничали с Научным Институтом Вайзмана Израиля с целью сбора и анализа данных по мере затухания сверхновой.

Анализ показал, что это была звезда-гигант массой в 200 масс Солнца, содержавшая кроме водорода и гелия еще и другие элементы - как самые первые звезды Вселенной.

“Скорее всего здесь произошло так называемая парная нестабильность потому, что ядро звезды само по себе весило около 100 масс Солнца,” говорит астрофизик Петер Нюгент (Nugent). “В сверхвысоких температурах внутри звезды, энергичные гамма-лучи создали пары электронов и позитронов, которые сливали наружу давление, противостоящее сжатию звезды.”

“SN 2007bi была взрывом чрезвычайно массивной звезды,” говорит Алекс Филлипенко, профессор астрономии в Университете Беркли, чья команда помогала получать, анализировать и интерпретировать данные. “Но вместо того, чтобы превратиться в черную дыру как многие другие массивные звезды, ее ядро перешло в режим разгона термоядерной реакции, которая разорвала ее на куски. Такое поведение предсказывалось несколько десятилетий назад теоретиками, но до сих пор его еще не наблюдали напрямую.”

SN 2007bi - первая сверхновая с подтвержденной парной нестабильностью. Исследователи описывают свои результаты в номере журнала Nature от 3 декабря.

По следам неизвестного зверя

SN 2007bi была обнаружена на снимках, полученных в рамках исследования Паломар-Квест - автоматизированного поиска с помощью широкоугольного телескопа Осчин (Oschin) в Паломарской обсерватории Калифорнийском Института Технологии и с помощью SNfactory была определена как необычная сверхновая. SNfactory уже открыла тысячи сверхновых всех типов и накопила тысячи их спектров, но, в основном, концентрировалась на сверхновых типа Ia - стандартных свечах, использовавшихся для изучения истории расширения Вселенной. Но SN 2007bi оказалась не типа Ia. Для начала, она была в 10 раз ярче.

“Разгон термоядерных процессов в центре SN 2007bi напоминает то, что наблюдается при взрывах белых карликов как сверхновых типа Ia,” говорит Филлипенко, “но в гораздо большем масштабе и с гораздо большей энергией.”

“Это открытие - замечательный пример того, как мы можем использовать поиск SNfactory не только для космологии,” говорит Грег Олдерин (Greg Aldering), лидер проекта SNfactory. “Лаборатория Беркли и Кафедра Астрономии в Калтехе договорились, что Лаборатория займется сверхновыми типа Ia, а Калтех - всеми другими типами.”

Нугент связался с Гал-Ямом (Gal-Yam), в то время докторантом Калтеха, руководителем исследования сверхновых всех других типов. “Я спросил - вам интересно? Он сказал - конечно!” Затем Нугент связался с Филлипенко, который как раз собирался провести ночь наблюдений на 10-метровом телескопе Кек 1 во время саммита на Гаваях. И Филлипенко немедленно перенастроился, чтобы получить оптический спектр необычной сверхновой.

Исследователи Калтеха последовательно получали дополнительные спектры с помощью телескопа Кек, так же как команда Паоло Маццали из Института Астрофизики Макса Планка, использовавшей ОБТ в Чили.

Маццали говорит, “Спектры Кек и ОБТ четко показали, что во время взрыва было выброшено огромное количество материала, включая рекордное количество радиоактивного никеля, который вызвал очень яркое свечение расширяющихся газов.”

Роллин Томас (Rollin Thomas), участник проекта SNfactory, помогал в анализе на ранних стадиях, используя суперкомпьютер Фарнклин в Национальном Вычислительном Центре Исследования Энергии (NERSC), чтобы запускать разработанный им код для генерации синтетических спектров и сравнения их с реальным спектром.

“Код использует сотни ядер для систематического теста большого количества упрощенных моделей сверхновых, проводя поиск среди них, подбирая параметры пока не найдется наилучшие значения,” говорит Томас. “Такой подход помогает понять нам новые типы кратковременных меняющихся условий, для которых еще нет теоретических моделей.” И модели однозначно показывают: SN 2007bi сверхновая с нестабильной парностью.

“Центральная часть большой звезды уже синтезировала кислород в конце своей жизни, и была при это очень горячей,” объясняет Филлипенко. “Затем фотоны с наибольшей энергией превратились в электрон-позитронные пары, уменьшая давление в ядре и вызывая его сжатие. Это привело к ядерному разгону и взрыву, создавшему большое количество радиоактивного никеля, распад которого насыщал энергией выброшенный газ и поддерживал видимость сверхновой еще долгое время.”

Гал-Ям организовал команду для наблюдения SN 2007bi и получения данных по мере ее медленного угасания в течение следующих 555 дней. Как говорит Гал-Ям, “По мере проведения последующих наблюдений, я вдруг понял, что это что-то новое. И действительно, это был фантастический пример того, как мы находим новые типы звездных взрывов.”

Поскольку в спектре нет линий водорода или гелия, эта сверхновая получила метку Ic по традиционной схеме классификации взрывов сверхновых. Только она значительно ярче, чем обычные сверхновые типа Ic, что напоминает Нугенту всего лишь один аналог - сверхновую типа SN 1999as, обнаруженную проектом Космология Сверхновых, но, только, к сожалению 3 недели спустя пика яркости.

Понимание сверхновых требует хорошие записи подъема и падения яркости или кривую яркости. Хотя SN 2007bi открыли более чем неделю спустя достигнутого пика, Нугент провел исследования по годам данных, сделанных NERSC. Он обнаружил, что Обследование Неба Каталина записало SN 2007bi до пика яркости, что дало достаточно данных для вычисления кривой подъема блеска - необычных 70 дней, что подтвердило определение взрыва как парная нестабильность.

Лаборатория окаменелостей ранней Вселенной

“Очень важно то, что это недвусмысленно показывает пример парно-нестабильной сверхновой, найденный в галактике-карлике,” говорит Нугент. “Эти невероятно маленькие, очень тусклые галактики, которые содержат немного элементов тяжелее, чем водород и гелий, тем самым они моделируют раннюю Вселенную.”

Галактики - карлики распространены повсеместно, но они очень тусклые и слабые – “на камере они занимают всего несколько пикселей,” говорит Нугент, “и с недавнего времени, с развитием проектов широкого поля - таких, как SNfactory, астрономы хотели бы восполнить пробелы в знаниях, связанные с этими галактиками”. Ожидается, что SN 2007bi сконцентрирует наше внимание на том, что Гал-Ям и его сотрудники называют “лабораториями окаменелостей для изучения ранней Вселенной.”

Филлипенко: “В будущем мы, возможно, не сможем уже открывать звезды первого поколения в ранней истории Вселенной с помощью взрывов - таких, как SN 2007bi – до того, как у нас появится возможность наблюдать звезды до их взрыва напрямую.”

Со вступлением в строй Паломарской Фабрики наблюдения кратковременных объектов - полностью автоматизированного исследования широкого поля для поиска кратковременных событий во Вселенной, проводимого Шри Кулкарни (Shri Kulkarni) из Калтеха, и с помощью Глубокого Исследования Неба, проводимого Нугентом в NERSC для обработки исторических данных от Паломар-Квест, SNfactory, Команды Близких к Земле Астероидов и других работ, сотрудничающие ученые ожидают найти еще больше сверхярких, сверхмассивных сверхновых, что откроет роль этих сверхновых в создании Вселенной такой, как мы ее сейчас знаем.