Уникальная форма сверхновой раскрыта всего через день после обнаружения

Наблюдения с помощью Очень Большого Телескопа Европейской Южной обсерватории (VLT ESO) позволили зафиксировать взрывную смерть звезды в тот самый момент, когда ударная волна еще прорывалась сквозь поверхность. Впервые астрономам удалось раскрыть форму взрыва на его самой ранней, быстротечной стадии.

Уже через сутки эту краткую начальную фазу наблюдать было бы невозможно, а она помогает ответить на целый ряд вопросов о том, как массивные звезды вспыхивают как сверхновые.

Когда в ночь на 10 апреля 2024 года был замечен взрыв сверхновой SN 2024ggi, доцент Университета Цинхуа Ян И, ведущий автор нового исследования, только приземлился в Сан-Франциско после долгого перелета. Он понимал, что нужно действовать быстро.

Спустя двенадцать часов он отправил заявку на наблюдения в ESO, которая после очень быстрого процесса одобрения была выполнена: 11 апреля на сверхновую был нацелен телескоп VLT в Чили, всего через 26 часов после первоначального обнаружения.

Редкая астрономическая возможность

SN 2024ggi находится в галактике NGC 3621 в направлении созвездия Гидры, на расстоянии «всего» 22 миллиона световых лет, что по астрономическим меркам совсем близко. Обладая большим телескопом и подходящим инструментом, международная команда знала, что у них есть редкий шанс раскрыть форму взрыва вскоре после его возникновения.

«Первые наблюдения на VLT запечатлели фазу, в которой вещество, ускоренное взрывом вблизи центра звезды, выстрелило сквозь ее поверхность. В течение нескольких часов геометрию звезды и ее взрыва можно было наблюдать совместно, что и было сделано», — говорит астроном ESO Дитрих Бааде из Германии.

«Геометрия взрыва сверхновой дает фундаментальную информацию об эволюции звезд и физических процессах, ведущих к этим космическим фейерверкам», — добавляет Ян.

Понимание механики сверхновых

Точные механизмы, стоящие за взрывами сверхновых массивных звезд (тех, что более чем в восемь раз тяжелее Солнца), остаются предметом дискуссий и представляют собой один из фундаментальных вопросов, на которые ищет ответ научный мир. Звездой-предшественницей этой сверхновой был красный сверхгигант массой от 12 до 15 солнечных масс и радиусом в 500 раз больше солнечного, что делает SN 2024ggi классическим примером взрыва массивной звезды.

Известно, что в течение своей жизни типичная звезда сохраняет сферическую форму благодаря очень точному равновесию между гравитационной силой, которая стремится ее сжать, и давлением термоядерной реакции, распирающей светило изнутри. Когда топливо иссякает, в работе реактора начинаются перебои.

Для массивных звезд это знаменует начало сверхновой: ядро умирающей звезды коллапсирует, окружающие его слои вещества падают и отскакивают. Взрывная волна от отскока распространяется наружу, разрушая звезду.

Когда ударная волна прорывается сквозь поверхность, она высвобождает колоссальное количество энергии — в результате сверхновая резко увеличивает яркость и становится видимой. В течение короткой фазы первоначальную форму «прорыва» можно изучать — до того, как взрыв начнет взаимодействовать с веществом, окружающим умирающую звезду.

Скрытая геометрия взрыва

Именно этого астрономам теперь впервые удалось добиться с помощью VLT ESO, используя метод спектрополяриметрии.

«Спектрополяриметрия предоставляет информацию о геометрии взрыва, которую не могут дать другие виды наблюдений, потому что угловые масштабы слишком малы», — объясняет профессор Ван Лифань из Техасского университета A&M, который начинал свою карьеру в астрономии как студент в ESO.

Хотя взорвавшаяся звезда выглядит как точка, поляризация ее света несет скрытые подсказки о ее геометрии, которые ученые сумели расшифровать, о чем рассказали в Science Advances.

Единственный инструмент в Южном полушарии, способный определить форму сверхновой посредством таких измерений, — прибор FORS2, установленный на VLT. С его помощью астрономы обнаружили, что первоначальный выброс вещества был похож на оливу. По мере распространения взрыва и столкновения выбросов с веществом вокруг звезды их форма уплощалась, но ось симметрии оставалась прежней.

Последствия для моделей сверхновых и науки

«Эти находки предполагают наличие общего физического механизма, который управляет взрывом многих массивных звезд, проявляющего хорошо определенную осевую симметрию и действующего в больших масштабах», — считает Ян.

Обладая этими знаниями, астрономы уже могут исключить некоторые из текущих моделей сверхновых, а в оставшиеся добавить новую информацию, углубляя понимание мощной гибели массивных звезд.