Нестандартные свечи Вселенной

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).

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.

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.

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.

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