Чрезвычайно яркие сверхновые как индикаторы появления кварковых звёзд

Пятеро астрофизиков из Университета Калгари (Канада) и Национального автономного университета Мексики показали, что вспышки сверхновых, имеющие исключительно высокую светимость, могут сигнализировать о появлении кварковых звёзд.

Класс чрезвычайно ярких сверхновых (super-luminous supernovae, SLSN), корректного описания которых классическая теория не даёт, был выделен совсем недавно, в 2011 году. Такие вспышки имеют как минимум на порядок более высокую яркость, чем обычные взрывы типа Ia, не содержат следов водорода в спектрах и долго сохраняют значительный поток излучения в УФ-области. К ним примыкают сверхновые с аналогичными характеристиками (скажем, SN 2006gy), в спектрах которых водород всё же прослеживается.

Теоретики пытались моделировать необычные сверхновые самыми разными способами, предполагая, к примеру, что звезда в момент взрыва могла находиться в плотном и очень массивном (~20 солнечных масс) «коконе». В другой известной модели взрыв приводит к образованию магнетара (быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем), преобразование вращательной энергии которого обеспечивает рост яркости. Наконец, существует рассмотренная нами в 2009-м теория сверхновых, нестабильных по отношению к образованию пар. Она формулируется только для самых массивных светил, гамма-кванты в недрах которых приобретают энергию, достаточную для формирования (электронно-позитронных) пар. Часть фотонов в этом процессе теряется, лучевое давление, противодействовавшее гравитационному сжатию звезды, падает, и всё заканчивается вспышкой, которая тоже может иметь гигантскую мощность.

У каждой модели есть свои сильные стороны, но ни одну из них нельзя назвать универсальной, хорошо подходящей для описания всех найденных SLSN.

Заинтересовавшие авторов кварковые звёзды сами по себе являются чисто гипотетическими объектами и должны состоять из «странной» uds-материи, смеси u-, d- и s-кварков. Её, согласно вычислениям известнейшего американского физика и математика Эдварда Виттена, можно представить как истинно основное состояние ядерного вещества. Если это действительно так, то описанные теоретиками превращения нейтронных звёзд в кварковые будут вполне естественным этапом звёздной эволюции.

Связать кварковые звёзды с SLSN не слишком сложно, и основную часть работы ещё десять лет назад проделали трое учёных из Дании и Индии, предложившие модель «кварковой новой» (см. видео ниже). В их расчётах процесс перехода к кварковой звезде становился взрывным, и внешний слой бывшего нейтронного светила выбрасывался в пространство. Остаётся лишь предположить, что выброшенное вещество вскоре сталкивается с расширяющейся оболочкой сверхновой, которая создала нейтронную звезду, и за счёт этого поднимает яркость наблюдаемой вспышки.

Влияние длительности интервала между сверхновой и «кварковой новой» на форму световой кривой, снятой в полосе R — красном диапазоне (иллюстрация авторов работы).

Взяв такую модель, в которой светимость сверхновой увеличивает следующая за ней «кварковая новая», канадско-мексиканская группа постаралась воспроизвести световые кривые сразу восьми недавно зарегистрированных вспышек. В эту группу вошли уже упомянутая сверхновая SN 2006gy, а также эквивалентные ей по яркости объекты SN 2005ap, SN 2006tf, SN 2007bi, SN 2008es, SN 2008fz, PTF09cnd и PTF10cwr.

Как выяснилось, сильно изменить форму расчётной световой кривой способен лишь один параметр модели — длительность временнóго интервала, разделяющего моменты взрывов сверхновой и «кварковой новой». При небольшой задержке оболочка, с которой сталкивается вещество нейтронной звезды, имеет малый диаметр и высокую плотность, в результате чего световая кривая становится более «узкой», то есть светимость сверхновой, достигая огромного значения, довольно быстро спадает. В противном случае пиковая светимость чуть уменьшается, но и процесс падения яркости растягивается.

Вторым — и последним — свободным параметром стала масса исходного светила, при взрыве которого рождается нейтронная звезда. Выбирая массу и временную задержку из реалистичных интервалов, авторы создали достаточно точные копии всех световых кривых. Кроме того, модель воспроизвела некоторые спектральные особенности вспышек, показав, что кварковые звёзды действительно могут участвовать в создании SLSN.

www