Взрывы на самом краю

Большинство звезд умирают предсказуемым путем, однако астрономы обнаружили растущее число необычных сверхновых, которые ставят под сомнение общепринятую картину.

9 сентября 2018 г. телескоп-робот во время рутинной процедуры сканирования ночного неба обнаружил нечто похожее на новую звезду. В течение нескольких следующих часов яркость «звезды» возросла в десять раз, и программа, написанная мною для выявления необычных событий в космосе, подала сигнал. В Калифорнии была ночь, я спала, но мои коллеги на другом конце света быстро отреагировали на полученное уведомление. 12 часов спустя мы получили достаточное количество дополнительных данных с телескопов на Земле и в космосе, чтобы подтвердить, что взорвалась звезда — сверхновая — в далекой галактике. Но это была не просто сверхновая.

Объединив данные с разных телескопов, мы пришли к выводу, что после того как звезда сияла миллионы лет, она совершила нечто удивительное и загадочное: внезапно извергла со своей поверхности слои газа, образовав вокруг себя кокон. Спустя примерно неделю звезда взорвалась. Продукты взрыва столкнулись с коконом, вызвав необычайно яркую и короткую вспышку света. Поскольку взрыв произошел в далекой галактике (свету потребовался почти 1 млрд лет, чтобы достичь Земли), он был слишком тусклым, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, но достаточно ярким для наших обсерваторий. Путем ретроспективного поиска данных телескопа нам даже удалось обнаружить эту звезду в процессе разлета за две недели до того, как она взорвалась, когда ее яркость была в 100 раз меньше яркости самого взрыва.

Это было лишь одно из нескольких недавних открытий, которые показали нам, что звезды умирают удивительно по-разному. Иногда, например, фрагмент ядра звезды, оставшийся после взрыва сверхновой, сохраняет активность и после ее коллапса — он может испускать струю вещества, движущуюся с гиперрелятивистскими скоростями, а сама релятивистская струя может вызвать взрыв звезды с энергией большей, чем у обычной сверхновой. Иногда в последние дни или годы жизни звезда выбрасывает значительную часть своего газа в серии сильнейших извержений. Судя по всему, такие крайние проявления смерти редки, но тот факт, что они вообще имеют место, говорит нам о том, что мы многого еще не понимаем в фундаментальных принципах того, как живут и умирают звезды.

В настоящее время мы с коллегами собираем коллекцию необычных звездных финалов, которые подвергают сомнению наши традиционные представления. Мы постепенно получаем возможность задавать фундаментальные вопросы и отвечать на них. Какие факторы определяют то, как умирает звезда? Почему одни звезды заканчивают свою жизнь извержениями или релятивистскими струями, а другие просто взрываются?

Новая звезда

История рождения, жизни и смерти звезды — это повествование о противоборствующих силах. Звезды образуются в межзвездных облаках газообразного водорода, когда силы гравитации притягивают частицы облака друг к другу достаточно сильно, чтобы преодолеть препятствующее этому давление магнитных полей и движущихся с высокими скоростями частиц газа. Когда фрагмент облака сжимается, его плотность возрастает на 20 порядков и он нагревается до миллионов градусов — температур достаточно высоких, чтобы атомы водорода сталкивались и соединялись друг с другом, образуя гелий. Началась реакция синтеза, и новая звезда родилась.

Как и облако, звезда сама по себе поле битвы: сила тяжести стремится ее сжать, а вызванное ядерным синтезом давление препятствует этому. Характер эволюции звезды зависит от ее температуры, которая, в свою очередь, зависит от ее массы. Чем тяжелее звезда, тем тяжелее элементы, которые она может выковать, и тем быстрее она сжигает свое топливо. Самые легкие звезды превращают водород в гелий и на этом останавливаются — Солнцу более 4 млрд лет, и оно все еще сжигает свой водород. Жизненный цикл более массивных звезд намного короче, всего примерно 10 млн лет, но при этом они производят гораздо более длинную цепочку элементов: кислород, углерод, неон, азот, магний, кремний и даже железо.

От массы звезды зависит также и то, как она умрет. Легкие звезды — те, что весят меньше приблизительно восьмикратной массы Солнца, — умирают относительно мирно. После того как запасы ядерного топлива израсходованы, эти звезды выбрасывают свои внешние слои в космос, образуя красивые планетарные туманности и оставляя ядра обнаженными в виде белых карликов — горячих плотных объектов с массой примерно в половину солнечной и размером лишь слегка больше Земли.

Однако более массивные звезды из-за огромных температуры и давления в их ядрах ожидает неистовый финал. Примерно к тому времени, когда цепочка ядерных превращений внутри них доходит до железа, температура там становится настолько высокой, что все рушится: ядра атомов железа могут начать распадаться на более мелкие части. Цепочка реакций синтеза обрывается, и давление внутри звезды падает. Гравитация берет верх, и ядро сжимается до тех пор, пока составляющие его атомы не оказываются настолько близко друг к другу, что в действие вступают другие препятствующие дальнейшему сжатию силы — ядерные. На этом этапе ядро звезды превратилось в нейтронную звезду — экзотическое плотное состояние материи, главным образом состоящей из нейтронов. Если масса звезды достаточно велика (скажем, в 20 раз больше массы Солнца), гравитация преодолевает даже ядерное взаимодействие и нейтронная звезда продолжит сжиматься и превратится в черную дыру. В любом случае часть энергии, высвобождаемой при коллапсе ядра, выбрасывает внешние слои звезды в космос, вызывая настолько яркий взрыв, что он на несколько дней затмевает все остальные звезды в галактике.

Люди наблюдали сверхновые невооруженным глазом на протяжении тысяч лет. В 1572 г. датский астроном Тихо Браге заметил новую звезду в созвездии Кассиопея. Она была столь же яркой, как Венера, и оставалось такой же яркой в течение нескольких месяцев, прежде чем навсегда померкнуть. Он написал, что был настолько потрясен, что не верил собственным глазам. Сегодня отголоски взрыва — то, что от него осталось, — все еще видны и получили название Остаток сверхновой Тихо Браге.

Чтобы сверхновая была достаточно яркой, так что ее можно было бы увидеть невооруженным глазом, она должна находиться в Млечном Пути, как сверхновая Тихо Браге, или же в одной из ее галактик-спутников, а это случается редко. Возможно, при жизни мне не удастся увидеть сверхновую без телескопа, хотя я надеюсь на это. В прошлом веке астрономы начали использовать телескопы для поиска сверхновых за пределами Млечного Пути при помощи многократных наблюдений за одним и тем же набором галактик и поиска изменений, называемых переходными явлениями — транзиентами. Сегодня наши телескопы роботизированы и оснащены новейшими камерами, что позволяет нам ежегодно обнаруживать тысячи сверхновых.

Первым признаком того, что некоторые звезды умирают экстремальным образом, было открытие в 1960-х гг. гамма-всплесков (GRB), названных так из-за сопутствующих этому ярких вспышек гамма-излучения. Мы полагаем, что наблюдаем это явление, когда массивная звезда коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру, при этом новорожденный компактный объект испускает узкую струю вещества, которая успешно выходит из ядра сквозь то, что осталось от звезды, и по чистой случайности направлена в сторону Земли.

Что могло стать причиной такой струи? Основная идея в следующем. Когда у обычной звезды заканчивается топливо и она умирает, ее ядро схлопывается в нейтронную звезду или черную дыру, и это конец. Однако в случае гамма-всплеска «мертвец» остается активным. Может быть, нарождающаяся черная дыра поглощает массу из диска окружающего вещества, высвобождая при этом энергию. Возможно также, что вновь образовавшаяся нейтронная звезда быстро вращается, а мощное магнитное поле действует как тормоз, высвобождая энергию по мере замедления вращения звезды. В любом случае этот механизм выбрасывает наружу энергию, которая, «сворачиваясь» в релятивистскую струю чрезвычайно горячей плазмы, выходит из центра звезды через падающее на нее вещество и сияет гамма-лучами.

Прохождение релятивистской струи через звезду приводит к тому, что она взрывается особого рода сверхновой, получившей название «тип Ic-BL», энергия взрыва которой в десять раз больше, чем у обычной сверхновой. Когда струя рассекает окружающие газ и пыль, она излучает во всем спектре электромагнитных волн; это явление называют «послесвечением». Его трудно заметить, поскольку хотя оно и в 1 тыс. раз ярче, чем типичная сверхновая, но в 100 раз более быстротечно: появляется и исчезает всего за несколько часов. Лучший способ попытаться обнаружить послесвечение — дождаться, когда спутник зафиксирует гамма-всплеск, и сразу же направить телескоп на область всплеска, указанную спутником.

Однако, дожидаясь, пока спутник зарегистрирует гамма-всплеск, вы ограничиваете виды явлений, которые можете обнаружить. Для формирования гамма-всплеска необходимо, чтобы многое пошло именно так, а не иначе: нужно, чтобы образовалась релятивистская струя, нужно, чтобы она прошла через звезду, а также чтобы она была направлена на вас. На самом деле рождение гамма-всплесков кажется крайне маловероятным: гамма-фотоны, испускаемые релятивистской струей, не выйдут наружу, если скорость струи будет меньше 99,995% скорости света. Но чтобы достичь таких скоростей, струе необходимо каким-то образом пройти через звезду, не увлекая за собой звездное вещество. А что если большая часть релятивистских струй действительно замедляются звездой и мы видим только небольшую их часть, те, которые проходят сквозь нее неослабленными? Другими словами, не исключено, что гамма-всплески представляют собой те редкие случаи, когда релятивистские струи проходят через свои звезды, не слишком замедлившись. Если бы дело обстояло так, было бы огромное количество экстремальных финалов звезд, которые никогда бы не заметили космические гамма-телескопы.

Для своей диссертации я намеревалась найти послесвечение, не полагаясь на сигнал со спутника. Мой план состоял в том, чтобы использовать Установку для поиска транзиентов им. Фрица Цвикки, роботизированный телескоп Паломарской обсерватории в Калифорнии, чтобы сканировать небо в поисках необычайно скоротечных, необычайно ярких световых точек, а затем действовать оперативно. Когда в мае 2018 г. я представила план работы над своей диссертацией, мои научные руководители предупредили, что, скорее всего, я не найду то, что ищу. Они убеждали меня не делать поспешных шагов, потому что могут возникнуть новые пути исследования. Спустя месяц именно это и произошло. И через два года, когда я закончила учебу, моя диссертация выглядела совсем не так, как я предполагала.

Священная корова

Начиная свою работу, я написала программу для поиска небесных явлений, яркость которых изменяется быстрее, чем у обычных сверхновых. Каждый день я рассматривала от десяти до ста разных кандидатов и пришла к выводу, что ни один из них не был тем, что я искала. Однако время от времени я сталкивалась с чем-то таким, что заставляло меня задуматься.

В июне 2018 г. я увидела отчет с роботизированного телескопа ATLAS, в котором сообщалось о странном событии, получившем название AT2018cow. AT означало «астрономический транзиент» (префикс, автоматически присваиваемый всем новым транзиентам), 2018 — год открытия, cow — это уникальная строка букв. Через пару дней появились сообщения о сходстве между этим событием и гамма-всплесками, но самих гамма-всплесков обнаружено не было. «Ага, — подумала я, — вот оно!» Поскольку объект AT2018cow был таким ярким и находился так близко, он вызвал пристальный интерес во всем мире и астрономы вели наблюдение за ним во всем электромагнитном спектре. Я сразу же решила провести наблюдения AT2018cow с помощью радиотелескопа Антенная решетка субмиллиметрового диапазона на острове Гавайи.

Объект AT2018cow ошеломил практически всех. Он развивался абсолютно не так, как любой наблюдаемый ранее космический взрыв. Мы были похожи на людей из классической притчи, которые пытаются распознать слона в темноте: один ощупывает его хобот и говорит, что это водосточная труба, другой ощупывает ухо и думает: это, должно быть, веер, а третий ощупывает ногу и говорит, что это дерево. Точно так же AT2018cow имеет общие характеристики с несколькими различными классами явлений, но составить полную картину было трудно.

Я и мои сотрудники проводили долгие дни и ночи, многократно просматривая наши данные, пытаясь понять, как их объяснить. Некоторые из этих моментов — коллективное вычисление свойств ударной волны на классной доске; член нашей команды, бегущий по коридору и размахивающий листом бумаги с новыми результатами; а также ошарашенный взгляд коллеги, когда мы получили изумительные данные новых измерений, — остаются бесценными воспоминаниями о моей учебе в аспирантуре. В итоге мы пришли к выводу, что у объекта AT2018cow есть два важных компонента. Первое — механизм передачи энергии, как при гамма-всплеске, но работающий гораздо дольше: недели, а не дни, как в обычном случае; сияние рентгеновских лучей, исходящее из эпицентра взрыва, оставалось ярким гораздо дольше, чем ожидалось. Второе — по какой-то причине в момент взрыва звезда была окружена коконом из газа и пыли, масса которого составляла около одной тысячной массы Солнца. Свидетельства существования кокона, полученные нами, — косвенные: когда звезда взорвалась, мы увидели вспышку излучения в оптическом и радиодиапазонах, которая, по всей видимости, указывает на то, что продукты взрыва столкнулись с веществом, окружающим звезду. Такие коконы были замечены и при взрывах других типов, но мы не знаем, откуда они там берутся, — возможно, сама звезда выбрасывает вещество незадолго до взрыва.

Если теория верна, это первый случай, когда астрономы стали непосредственными свидетелями рождения компактного объекта вроде нейтронной звезды или черной дыры; большую часть времени «мертвец» полностью покрыт тем, что осталось от звезды. В случае AT2018cow мы полагаем, что действительно можем проследить события до компактного объекта, который породил это удивительно изменчивое и яркое рентгеновское излучение. Тем не менее у нас остается еще множество вопросов. Какого типа была взорвавшаяся звезда? Была ли источником энергии нейтронная звезда или черная дыра? Почему незадолго до взрыва звезда выбросила часть своего вещества? Для дальнейшего продвижения вперед нам нужно было найти похожие события, поэтому я и мои коллеги решили попытаться найти еще одну AT2018cow с помощью Установки для поиска транзиентов им. Фрица Цвикки.

Три месяца спустя, 9 сентября 2018 г., я подумала, что мы нашли его — яркий быстроразвивающийся взрыв. Сначала он очень походил на AT2018cow. Однако не прошло и недели, когда стало ясно, что это сверхновая типа Ic-BL, источник гамма-всплесков. Ее имя было SN2018gep. Я была взволнована. Конечно, это не был еще один из объектов типа AT2018cow, зато у нас наконец-то появилось нечто, что выглядело как гамма-всплеск. За пять дней мы собрали подробные данные наблюдений во всем спектре электромагнитного излучения. Мы изучали данные в поисках свидетельств существования релятивистской струи — но ничего не нашли. Вместо этого мы с коллегами снова пришли к выводу, что наблюдаем яркое, быстроразвивающееся оптическое излучение, вызванное столкновением продуктов взрыва с коконом из вещества. Это стало сюрпризом. Хотя коконы были замечены вокруг звезд других типов, они обычно не наблюдаются у сверхновых — источников гамма-всплесков. Наше открытие означает, что на пороге смерти звезды чаще выбрасывают газ, чем мы считали ранее. Мы знаем, что газ был утрачен в последние моменты жизни звезды, потому что во время взрыва он находился очень близко к звезде; если бы он был выброшен раньше, у него было бы время улететь подальше. Это означает, что звезда утратила значительную часть своей атмосферы в последние дни или недели своей жизни, после того как сияла миллионы или даже десятки миллионов лет. Таким образом, похоже, что сброс внешних слоев атмосферы знаменует смерть звезды.

И снова остались без ответа вопросы. Как широко эти предсмертные знамения распространены среди звезд различных типов? Каков их физический механизм? Я поняла, что у меня появилось новое направление исследований — не только гамма-всплески и релятивистские струи, но и признаки, предупреждающие о скором взрыве массивных звезд. Не исключено даже, что эти разные явления связаны между собой.

И лишь за шесть месяцев до защиты диссертации я наконец обнаружила послесвечение гамма-всплеска. 28 января 2020 г. проводился обычный обзор кандидатов для дальнейшего изучения, когда я заметила нечто многообещающее. Я понимала, что горячиться не стоит: за эти годы было очень много напрасных ожиданий. Я сразу же запросила проведение дополнительных наблюдений с помощью телескопа на острове Пальма (Канарские острова), и они подтвердили, что яркость этого источника быстро ослабевает, как и следовало ожидать от послесвечения. Той же ночью я запросила срочные наблюдения на 200-дюймовом Телескопе Хейла Паломарской обсерватории, которые показали, что источник все еще угасает. Следующей ночью я получила время для наблюдения с помощью рентгеновского космического телескопа «Свифт» и зарегистрировала рентгеновское излучение, исходящее от этого события, практически подтвердив, что это действительно послесвечение гамма-всплеска. На третью ночь я получила короткое окно для наблюдений на телескопе Обсерватории Кека на горе Мауна-Кеа (остров Гавайи) в надежде измерить, насколько далек был взрыв.

Я дремала в спальном мешке в зале дистанционных наблюдений в моем вузе, Калифорнийском технологическом институте, поставив будильник на четыре часа ночи. Но, когда пришло время, впала в панику: мне удалось выбить себе время для наблюдения в самом конце ночи, небо быстро становилось все ярче, источник был очень слабым и я жутко боялась опоздать. Я сделала все что могла. Когда для продолжения наблюдений стало слишком светло, я позвонила по скайпу своему коллеге Дэну Перли (Dan Perley) из Ливерпульского университета им. Джона Мурса и мы вместе просмотрели данные. Мне повезло. Источник был слабым, но в его спектре была заметна четкая деталь, позволившая нам измерить расстояние, которое оказалось гигантским: красное смещение составляло 2,9, то есть его свет во время путешествия через космос значительно покраснел. Когда взорвалась эта звезда, возраст Вселенной был всего 2,3 млрд лет. Фотонам, родившимся в результате взрыва, потребовалось 11,4 млрд лет, чтобы достичь Земли. Сегодня место вспышки находится от нас на расстоянии 21 млрд световых лет — взрыв произошел так давно, что с тех пор Вселенная значительно расширилась. Это было настоящей удачей.

Через несколько месяцев после обнаружения нашего первого послесвечения мы нашли второе. Чтобы объективно оценить этот результат, вспомним, что до того как вступила в строй Установка для поиска транзиентов им. Цвикки, только три послесвечения были обнаружены без регистрации гамма-всплеска, который и указывал астрономам, где нужно искать, а мы отыскали два всего за несколько месяцев. Теперь, когда наша стратегия поиска отработана и дала результаты, я надеюсь, мы сможем находить их регулярно. Тем не менее, даже имея на счету два события, я не могу окончательно дать ответ на вопросы, на которые собиралась ответить в самом начале. Трудно определить, представляет ли собой данное послесвечение нечто новое или же это просто обычный гамма-всплеск, который случайно пропустили спутники, регистрирующие гамма-излучение. Нам необходимо будет найти больше объектов такого рода, прежде чем мы сможем сказать, действительно ли наблюдаем разные явления.

Расширение каталога

С момента обнаружения неожиданного типа взрывов с новым механизмом инициирования, AT2018cow, мои поиски позволили выявить множество необычных звездных событий. Например, странная сверхновая типа Ic-BL (связанного с гамма-всплесками), продукты взрыва которой столкнулись с веществом кокона, не наделенная никакими признаками существования мощной релятивистской струи (приметы гамма-всплеска). Потом было еще одно событие, похожее на AT2018cow. Были обнаружены еще две сверхновые типа Ic-BL, которые, вероятно, испускали релятивистские струи, но менее мощные и более широкие, чем у традиционных гамма-всплесков. И, наконец, накануне окончания аспирантуры — два настоящих космологических послесвечения, одно из которых, как выяснилось, сопровождалось гамма-всплеском.

До сих пор мы, астрономы, походили на зоологов, которые вышли на относительно неизведанную территорию и описывают все виды животных (в данном случае взрывов), которых они видят. Следующим этапом будет систематика. Какова относительная частота взрывов каждого из типов? Происходят ли они в галактиках лишь одного определенного типа? Действительно ли эти разные категории взрывов — совершенно разные «виды» или просто разные проявления одного и того же явления?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам понадобится гораздо более обширный каталог. Через несколько лет Обсерватория им. Веры Рубин, строительство которой в настоящее время ведется в Чили, с помощью самой большой в мире цифровой камеры (3 млрд пикселей) каждую ночь будет фиксировать 10 млн потенциальных транзиентов — в десять раз больше, чем Установка для поиска транзиентов им. Цвикки регистрирует сейчас. Имея больше данных, я хотела бы исследовать вопрос, какие звезды прямо перед смертью теряют часть своей массы и как часто это происходит. Я хочу выяснить, как понять, что релятивистская струя «застряла» внутри звезды, и как распознать то слабое излучение, которое звезда испускает во время предсмертной агонии, чтобы предсказать, где и когда она взорвется. В конечном итоге я хотела бы прояснить вопросы о факторах, которые приводят к этим необычным финалам: возможно, такая впечатляющая и редкая смерть как-то связана со скоростью вращения звезды или историей ее взаимодействий с другими светилами.

Анна Хо (Anna Y.Q. Ho) — стипендиат Института фундаментальных исследований в науке им. Адольфа Миллера. Перевод: А.П. Кузнецов