Нет объяснения: повторно вспыхнувшая сверхновая удивила астрономов невероятным выбросом энергии

8 ноября 2017 года были опубликованы результаты наблюдений сверхновой iPTF14hls, вспыхнувшей в 2014 году. И это очень странные результаты. Вспышка сохраняла блеск как минимум 600 дней, в то время как обычно светимость уже через 100 дней ощутимо ослабевает. Кроме того, за этот период случилось пять повторных всплесков излучения, чего тоже быть не должно. Наконец, всё это время выброшенная взрывом оболочка имела почти постоянную скорость расширения, а ведь последней за те же 100 дней было положено уменьшиться в три раза. К тому же и выделившаяся энергия больше, чем у всех известных сверхновых подобного типа. Объяснений случившемуся у астрономов нет.

Звёзды живут долго, но и у них однажды подходит к концу термоядерное топливо. Если звезда была достаточно массивной, то её жизнь заканчивается впечатляющим катаклизмом – вспышкой сверхновой. Как же получается, что смерть в самом буквальном смысле оказывается намного ярче жизни? Для того чтобы дать ответ на этот вопрос, нужно немного рассказать о том, что творится внутри звезды.

Великому русскому физику П. Н. Лебедеву в своё время потребовались тонкие эксперименты, чтобы измерить давление света . В привычных для нас условиях это неощутимая величина. Но, например, когда спускаемый аппарат с космонавтами входит в плотные слои атмосферы, вокруг него образуется облако горячей плазмы. И её излучение давит на обшивку не меньше, чем сам раскалённый газ. А уж внутри звёзд давление вообще создаётся в основном неистовым излучением, вклад вещества пренебрежимо мал.

Именно напор фотонов предохраняет звезду от того, чтобы "схлопнуться" под действием собственной гравитации. Когда поток излучения из недр светила иссякает, происходит катастрофа.

Ядро звезды сжимается, не в силах противостоять собственному тяготению. Протоны сливаются с электронами и превращаются в нейтроны. Так образуется маленькая и чудовищно плотная нейтронная звезда, диаметром всего в несколько километров, но по массе сопоставимая с Солнцем.

В это время внешние слои звезды, которые тоже больше не поддерживаются спасительным потоком фотонов, падают на ядро. Как минимум восемь солнечных масс вещества испытывают колоссальный удар и отскакивают от ядра, как упругий мячик. Получив такой "пинок", они устремляются в пространство со скоростью от 10 до 30 тысяч километров в секунду. Эта огромная энергия в конце концов и переходит в излучение вспышки.

Классические модели показывают, что такой катаклизм в жизни светила происходит только один раз. В одну плазму нельзя войти дважды: оболочка уже разлетелась, а ядро схлопнулось. Звезды больше нет. Но эти представления, похоже, придётся пересматривать. В этом убеждает статья, опубликованная в журнале Nature большой группой астрономов.

Сверхновая iPTF14hls была обнаружена 22 сентября 2014 года в рамках проекта iPTF. Его цель – поиск вспышек сверхновых, переменных звёзд, комет, астероидов и прочих явлений, оживляющих спокойное и неизменное небо. Между 28 мая и 22 сентября наблюдений не велось, так что точная дата взрыва неизвестна. Не исключено, что он произошёл намного раньше, чем его заметили астрономы. Но, если так, то сделанные открытия становятся только грандиознее.

Вспышку отнесли к классу IIp. Это означает, что на её кривой блеска (это зависимость яркости вспышки от времени) есть почти плоский участок, плато. К тому же в её спектре есть характерные линии водорода, которые до сих пор наблюдались только во вспышках класса IIp.

Плато на графике – это свечение рекомбинирующего водорода. По мере того как раскалённое вспышкой вещество остывает примерно до 5-6 тысяч градусов Цельсия, электроны возвращаются на своё законное место у ядер атомов водорода. Этот процесс и называется рекомбинацией. При этом выделяется энергия. К тому же такой водород становится прозрачным для излучения внутренних, ещё не остывших областей вспышки.

Этот процесс и приводит к плато на кривой блеска. Однако для всех известных сверхновых типа IIp продолжительность этого плато составляет около 100 дней. К тому же этот участок графика действительно ровный, на нём нет всплесков.

С iPTF14hls же творилось что-то несусветное. Плато сохранялось 600 дней с момента начала наблюдений, а ведь неизвестно, когда на самом деле произошла вспышка. Кроме того, на этом участке графика образовалось минимум пять отдельных пиков, в которых светимость возрастала в полтора раза и достигала нескольких миллиардов светимостей Солнца. У сверхновых IIp такая энергия выделяется только в момент самой вспышки, а никак не на стадии послесвечения, да и то считается пределом для этого типа сверхновых. Ну а полная энергия, выделившаяся только за 450 дней наблюдений, намного больше, чем у любой известной сверхновой типа IIp.

Добавляет загадок и спектр вспышки. По нему можно определить, с какой скоростью разлетается вещество. Помогает расширение спектральных линий ("Вести.Наука" рассказывали, что это такое) из-за эффекта Доплера (и о нём мы тоже писали ).

Так вот, у вспышек класса IIp скорость, измеренная по линиям водорода и железа, в первые 100 дней уменьшается в три раза. А у iPTF14hls скорость по линиям поглощения водорода за 600 дней снизилась всего на 25%, с 8 до 6 тысяч километров в секунду. Линии железа вообще не показывают снижения скорости: всё те же 4000 км/с.

Как можно объяснить этакое диво? Похоже, что после вспышки действовал ещё один, дополнительный источник энергии, который постоянно "расталкивал" сброшенную звездой оболочку.

Но что это за источник? Откуда он взялся? Как он работает? Почему, в конце концов, наблюдатели никогда раньше не сталкивались ни с чем подобным? Ответа на этот вопрос у астрономов нет.

Есть ещё одна версия. Она предполагает, что линии поглощения в спектре принадлежат не излучающему веществу, а внешней и более холодной оболочке. Это можно объяснить, предположив, что произошёл не один взрыв, а как минимум два. Причём первый – примерно за 100 дней до вспышки, последствия которой предстали взору изумлённого человечества.

Кстати, некоторые старые снимки указывают ещё и на вспышку, в 1954 году, хотя по фотографиям того времени это нельзя сказать наверняка. Столкновение "новой" сброшенной оболочки со "старой" могло также стать причиной дополнительного излучения, объясняющей столь долгое плато на кривой блеска.

Это совсем не тривиальное предположение. Да, звёзды иногда сбрасывают кожу по частям, но не те, которые погибают во вспышках сверхновых, а гораздо более лёгкие.

Впрочем, некоторые экзотические модели всё-таки указывают на возможность таких повторных взрывов у очень больших звёзд: массой от 95 до 130 солнечных. И даже кривые блеска, предсказываемые этими теориями, довольно похожи на ту, что демонстрирует iPTF14hls. Ещё одним косвенным аргументом в их пользу служит то, что они требуют от звезды низкого содержания элементов тяжелее гелия, а именно это и наблюдается в данном случае.

Так, стало быть, объяснение найдено? Ничуть не бывало. Упомянутые модели хорошо объясняют форму кривой блеска, но не суммарную выделившуюся энергию. По расчётам, на все многократные взрывы должно приходиться не более 4 × 1051 эрг энергии. В то же время наблюдения показывают, что только в последней вспышке iPTF14hls выделилось не меньше 1052 эрг.

Это можно было бы объяснить, объявив, что взрыв не был симметричным. В сторону наблюдателя могло быть выброшено гораздо больше энергии, чем в любую другую. Но вот беда: в этом случае свет должен быть сильно поляризованным, а этого не наблюдается.

Впрочем, главная проблема даже не в этом. Модель столкновения нескольких оболочек очень плохо согласуется с наблюдаемым спектром вспышки. И от этого не избавиться, даже если "найти" дополнительную энергию.

Авторы заключают, что удовлетворительного объяснения случившемуся просто нет. Модели взрыва сверхновых, по крайней мере, типа IIp, придётся пересматривать.

А ведь именно вспышки типа IIp, наравне со вспышками типа Ia, используются астрономами в качестве "стандартных свечей" для определения расстояний во Вселенной. Мы писали о том, что пересмотр таких "измерительных линеек" может повлечь изменение наших представлений о видимой Вселенной.

Впрочем, учёным не привыкать отказываться от устаревших представлений под давлением новых данных. Вот и теории образования планет тоже придётся пересматривать. Тем и прекрасна наука, что власть факта она ставит выше самых дорогих сердцу идей. Это и позволило человечеству очнуться от средневекового сна и создать великую технологическую цивилизацию.