Странные сверхновые

Большая часть всех взрывающихся звезд относится к типу Ia. Эти сверхновые все имеют одинаковые свойства, в независимости от параметров породивших их звезд. Конечно, необходима некоторая однородность начальных данных – это должны быть двойные системы, состоящие из белого карлика и еще какой-то звезды. Однако величины, массы и расстояние между этими звездами могут изменяться в широких диапазонах, и тем не менее взрываться они будут одинаково.

Это постоянство свойств позволяет использовать взрывы сверхновых типа Ia как средство измерения расстояний во Вселенной. Именно поэтому благодаря им был открыт печальный факт – ускоренное расширение Вселенной. Среди сверхновых типа Ia, однако, есть два десятка немного отличающихся взрывов, особенности которых можно использовать, чтобы еще что-нибудь узнать о расширении всего мира и, значит, темной энергии, это расширение движущей.

Эти неудавшиеся сверхновые типа Ia, судя по всему, появляются, когда белый карлик оказывается неспособен взорваться полноценной сверхновой. «Они начинают термоядерное горение, но оказываются неспособны породить взрывную волну, которая прошла бы через всю звезду», – говорит Джордж Джордан, сотрудник Чикагского университета. Сверхновая типа Ia – как раз такой взрыв белого карлика, которые перетянул со своего компаньона достаточно материи, чтобы начать термоядерную реакцию. Она начинается благодаря экстремальным условиям на звезде – ее размер аналогичен земному, а вот масса – звездная. По достижении предела массы начинается взрыв звезды. Такие выводы были сделаны на основе результатов компьютерного моделирования, проведенного на суперкомпьютере Аргоннской национальной лаборатории. Все моделирование заняло два миллиона процессорочасов.

Обнаружить несостоявшуюся сверхновую типа Ia не так просто. Ее яркость в 10-100 раз меньше, чем у полноценного взрыва. Поэтому, несмотря на малое число открытых недовзрывов, их вклад в общее число сверхновых типа Ia оценивается в 15%. Первая такая звезда была обнаружена совсем недавно – в 2002 году. Названная SN 2002cx, эта сверхновая считается самой странной из всех открытых. Однако самая тусклая сверхновая звезда была открыта позже, в 2008 году. Если типичную сверхновую можно сравнить с обычной 60-ваттной лампой, то самую тусклую можно сравнить с незначительной частью освещения, предоставляемого небольшим светлячком.

В вычислительном центре Чикагского университета по отношению к взрывам сверхновых накоплен значительный опыт численного моделирования. При этом используется стандартный сценарий протекания взрыва. В нем белый карлик начинает термоядерное горение в центре. Оно быстро распространяется вверх, доходя до поверхности карлика. За выходом реакции на поверхность следует подъем в атмосферу продуктов реакции и их движение над поверхностью. Встреча двух или больше потоков продуктов создает взрывные волны, усиливающие реакцию.

«Мы взяли стандартный сценарий взрыва и изучили, что происходит, если перейти к предельным условиям», – говорит Джордан. Как оказалось, в сценарии неудавшегося взрыва около центра белого карлика возникает больше мест начала реакции, и в результате поначалу горение происходит активнее. Из-за более мощного горения звезда заметно расширяется, гравитация оказывается неспособной сдержать ее в рамках небольшого светила. Из-за этого давление и температура возрастают недостаточно для того, чтобы случился настоящий взрыв сверхновой.

Вместо того, чтобы взорваться, белый карлик лишь горит, и часть его массы выгорает и выбрасывается в открытый космос. В этом сценарий, полученный в ходе моделирования, оказался аналогичным наблюдаемым свойствам неполноценного взрыва. Однако моделирование также выявило ряд свойств белого карлика, которые пока что не наблюдались астрономами. Наиболее интересным результатом оказалась скорость белого карлика – в некоторых случаях моделирования его скорость может составить сотни километров в секунду. Возможность выброса белых карликов с такими скоростями ранее не даже не предполагалась.

Среди других свойств – химический состав поверхности, несимметричные свойства поверхности, что находится в разительном отличии от типичных сверхновых типа Ia. Несимметричность, в частности, проявляется в различии того, что мы видим, в зависимости от угла обзора двойной системы с Земли (или с помощью космического телескопа). Эта же несимметричность приводит и к ускорению белого карлика, получающего в одном направлении заметно больший толчок, нежели в других. Этот толчок может оказаться достаточно сильным, чтобы выбросить карлика из двойной системы. В будущем такие сверхбыстрые звезды могут даже покинуть галактику, освободившись и от ее гравитационного притяжения. Если же сила толчка недостаточна, чтобы разорвать связь двух звезд, орбита белого карлика становится в среднем более низкой и сильноэллиптичной, тогда как большая часть белых карликов на низких орбитах имеют очень малый эксцентриситет.

Химический состав поверхности неудавшейся сверхновой оказывается тяжелее состава нормального белого карлика. Типичный белый карлик состоит практически только из углерода и кислорода, тогда как при моделировании неудавшегося взрыва к составу поверхности добавились кальций, титан и железо. Из-за того, что не происходит взрыва сверхновой, разметающего по космосу элементы, образовавшиеся в ходе термоядерных реакций, значительная часть выброшенной звездой материи падает обратно на ее поверхность, что возвращает тяжелые элементы и провоцирует их дальнейший синтез. Белых карликов с такими свойствами пока найдено не было, однако, существуют звезды, странности которых могут быть объяснены результатами нового моделирования. Тем не менее, полноценной проверки результатов моделирования пока нет.