Пояснено походження кілець наднової 1987А • Сергій Попов • Новини науки на "Елементи" • Астрономічна наукова картинка дня

Пояснено походження кілець наднової 1987А

Мал. 1. Результати моделювання структури кілець в наднової 1987А (зі статті Морріса та Подсядловского astro-ph / 0703317)

Минуло вже 20 років з моменту вибуху наднової 1987А в Великій Магеллановій хмарі, але таємниця трьох кілець навколо місця вибуху, що нагадують за формою пісочний годинник, до сих пір не розкрита. Астрофізики Томас Морріс (Thomas Morris) і Філіп Подcядловскій (Philipp Podsiadlowski) з Оксфордського університету (Велика Британія) побудували тривимірну чисельну модель, що пояснює властивості потрійної системи кілець в залишку наднової 1987А тим, що вибухнула зірка колись утворилася в результаті злиття компонент подвійної системи.

23 лютого 1987 року Землі досяг світло від спалаху наднової у Великій Магеллановій хмарі, що отримала назву «наднова 1987A» (або SN 1987A – від supernova, SN). Звичайно, сама спалах стався приблизно за 160-170 тисяч років до цього – саме стільки часу потрібно, щоб світло подолав відстань, що розділяє нас і карликовий супутник нашої Галактики, але ми, швидше за звичкою, будемо говорити про «спалах 1987 року».

Це була перша наднова з часів Кеплера в 1604 році, видима неозброєним оком (SN 1604 – остання наднова, зафіксована в нашій Галактиці).Спостереження дозволили отримати масу інформації про наднової 1987A, що дало можливість істотно просунутися в розумінні фізики вибухів зірок. Завдяки близькості Великої Магелланової хмари вперше вдалося виявити на архівних знімках переднаднову, тобто яка вибухнула зірку – нею виявився блакитний надгігант Sanduleak -69 ° 202, описаний в 1969 році румуно-американським астрономом Ніком Сандуляком. (Заодно було спростовано припущення про те, що все наднові утворюються з червоних надгігантів.)

Крім того, в 1987 році працювали нейтринні детектори, тому вперше вчені змогли зареєструвати нейтрино сигнал від вибуху (за 3 години до того, як світло від спалаху досяг Землі, відразу кілька нейтронних обсерваторій зафіксували значне перевищення нейтринного фону). Але і це ще не все. Протягом 20 років, що минули з моменту вибуху (ще раз підкреслю умовність цієї фрази), вчені стежать за еволюцією залишку наднової. Всім відомі красиві зображення цього об'єкта. Особливо вражає потрійна система кілець, висвітили в залишку наднової (до того ж абсолютно випадково на залишок спроектувати дві зірочки, які перетворили два кільця в персні з діамантами). Як же ці кільця утворилися?

Мал. 2. Щоб зрозуміти структуру кілець SN 1987A, потрібно подумки відтворити її тривимірне зображення. Уявіть собі пісочний годинник (насправді, аналогія з пісочного годинника неповна, оскільки не вистачає стінок годин). Менше, більш яскраве кільце в центрі відповідає «талії» годин. А два великих кільця зверху і знизу розташовані на відстані приблизно 0,4 пса (приблизно 1,3 світлового року) від площини внутрішнього кільця. Всі кільця знаходяться приблизно на одній осі. (Фото з сайту hubblesite.org)

Кільця не були викинуті під час вибуху наднової, інакше вони повинні були б миттєво з'явитися на відстані в кілька світлових місяців. (Відстань зовнішніх кілець від місця вибуху становить понад світлового року, а внутрішнього – трохи більше світлового півроку, і кінематика кілець відома.) Значить, вони існували і до спалаху. Просто вибух «підсвітив» їх. Телескоп «Хаббл», запущений в квітні 1990 року, «побачив» внутрішнє кільце навколо наднової вже 23-24 серпня 1990 року. Два зовнішніх, менш яскравих, кільця вперше були виявлені на знімках «Хаббла» в 1994 році.

Незвичайні властивості самої наднової (хімічні аномалії) укупі з даними по зірці-праматері давно наводили вчених на думку про те, що блакитний надгігант Sk -69 ° 202 був утворений в результаті злиття двох масивних зірок.Але довести це дуже непросто. Можливо, успішне пояснення властивостей кілець за допомогою тривимірного моделювання частково послужить таким доказом.

Протягом свого життя зірки активно втрачають речовина. Всім відомі красиві планетарні туманності, що мають часом досить химерну форму. Всі ці чудеса природи утворюються через витікань зоряної речовини, які можуть відбуватися в кілька етапів, причому потоки можуть бути сферично несиметричними. Не є винятком і герої нашої розповіді – кільця SN 1987A.

Витікання речовини від предсверхновой і стало причиною появи як внутрішнього, так і обох зовнішніх кілець. За минулі 20 років будувалося безліч моделей, які намагалися пояснити походження кілець. Однак вони не враховували особливості розподілу речовини навколо зірки перед вибухом. Ймовірно, тому жодна модель не могла пояснити весь набір спостережуваних параметрів. Морісу і Подсядловскому, схоже, це вдалося.

У моделі Морріса та Подсядловского, яку ми будемо обговорювати, більш потужне випромінювання відповідає більшій щільності газу. Поява цих ущільнень автори моделі пов'язують з тим, що предсверхновой з'явилася як результат злиття двох зірок.У моделі розглядається подвійна система, що складається із зірок з масами приблизно 15 і 5 сонячних. Більш масивна зірка еволюціонує швидше. Водень в ядрі вигорає, і вона йде з головної послідовності (див. Діаграма Герцшпрунга-Рассела). Потім зірка розширюється, і починається перенесення речовини з одного компонента подвійної системи на інший (див. Рис. 3, панель a).

Мал. 3. Модель Морріса та Подсядловского. Така еволюційна схема привела, зокрема, до формування кілець. панельa: Починається нестійкий перенесення речовини з однієї зірки на іншу. Утворюється загальна оболонка (панельb). На цій стадії менш масивна зірка (вона зліва) знаходиться ще на стадії головної послідовності (MS), в той час як друга, більш масивна і, відповідно, швидше еволюціонує зірка, вже сформувала в собі вуглецево-кисневе (CO) ядро. Зірки зближуються всередині загальної оболонки, і частина речовини оболонки розсіюється (панельc). Нарешті, злиття закінчується (панельd: темно синій колір – це ущільнення, тобто зародки кілець; блакитний – речовина, скинуте при злитті; червоний – речовина, скинуте при перетворенні червоного гіганта в блакитний; жовтий – вітер блакитного гіганта). Після 1000-річної релаксації виникає блакитний гігант. До цього моменту розсіюється оболонка вже сформувала навколо складну структуру, яка містить "зародки" трьох кілець. Швидкий і потужні вітер гіганта піддуває всю цю структуру. Перед вибухом наднової, що стався через приблизно 20 000 років після злиття, весь набір кілець вже готовий. Залишається тільки ионизовать речовина в них потужним потоком ультрафіолету. (Рис. З обговорюваної статті astro-ph / 0703317)

Перенесення мас в такій системі нестійкий: друга зірка не може «засвоїти» все падаюче на неї речовина, оскільки темп перенесення занадто великий, і воно «переливається через край». Формується так звана «загальна оболонка» – тобто подвійна система виявляється зануреною в хмару газу. У такій ситуації компоненти подвійної починають зближуватися (рис. 3, панель b), Оскільки кутовий момент несеться з системи разом з речовиною оболонки. Частина речовини загальної оболонки викидається (рис. 3, панель c). Нарешті, зірки зливаються.

Відразу після злиття повинно утворитися щось «велике і пухке». Це червоний надгігант – зірка з відносно холодними (а тому червоними) зовнішніми шарами і гігантським радіусом, який становить близько 1500 сонячних.Основна маса зірки (12 з 20 сонячних мас) зосереджена в гігантській розрідженій оболонці. Після злиття утворилася зірка швидко обертається (звичайно, швидко лише для свого гігантського розміру). Тому форма її НЕ сферична. Частина речовини відтікає, несучи надлишкову кутовий момент. Зірка змінює свій вигляд. Вона стискається, і через 1000 років після злиття виникає блакитний гігант (блакитний колір пов'язаний з високою температурою в зовнішніх шарах). Він набагато компактніше і легше, ніж червоний надгігант. Адже кілька сонячних мас може бути втрачено зіркою за рахунок відтікає речовини.

Мал. 4. Розподіл речовини навколо зірки перед вибухом. Чорними точками показано речовина зоряного вітру блакитного гіганта. Блакитним та зеленим – речовина оболонки. Ущільнення, показані зеленим на (X, Z) = (0,4, 0,4) і симетрично на (X, Z) = (0,4, -0,4) стануть зовнішніми кільцями (ми дивимося на праву половину зрізу в меридіональної площині). Ущільнення в екваторіальній площині на X = 0,2 пса стане внутрішнім кільцем. Polar axis – полярна вісь, equatorial plane – екваторіальна площина (все відносно зірки, екватор зірки збігається з орбітальної площиною подвійний, яка злилася).Зірка знаходиться в точці (0, 0). Мал. з обговорюваної статті astro-ph / 0703317

У процесі злиття і скидання частини загальної оболонки – тобто ще до появи блакитного гіганта – вже утворилися «зародки» внутрішнього і зовнішніх кілець. Блакитний гігант починає випускати потужний зоряний вітер, набагато швидший, ніж вітер червоного гіганта. Речовина вітру стикається з речовиною скинутої оболонки (рис. 3 панель d). Області високої щільності виносяться вітром блакитного гіганта на більшу відстань. Так утворюються зовнішні кільця. Внутрішнє кільце набуває свій остаточний вигляд завдяки взаємодії вітру блакитного гіганта з речовиною, що витік раніше в екваторіальній площині.

На рис. 4 показано розподіл речовини через 20 000 років після злиття (що відповідає моменту вибуху). Чорними точками показано речовина вітру, кольором – речовина туманності. На малюнку зображена тільки половина системи, друга симетрична їй. Щоб уявити всю систему, дзеркально відобразіть малюнок щодо осі Z. Зірка знаходиться в точці (0,0). Все готово до вибуху.

Тепер, щоб отримати зображення на рис. 1, необхідно тільки «підсвітити» отриману структуру вибухом наднової і вибрати правильний ракурс.Адже, хоча ущільнення навколо предсверхновой існували і до вибуху, побачити із Землі їх було неможливо. Спалах наднової за рахунок потужного ультрафіолетового випромінювання призводить до іонізації речовини цих ущільнень. Саме так з'являються яскраві кільця.

Особливо цікаво подивитися на всю цю картину виникнення кілець в русі. Зробити це можна тут і тут. Один з фільмів (merger.mpg або S1, в залежності від того, з якого сайту ви їх завантажуєте) показує, як в результаті злиття відбувається формування структури навколо зірки. Другий фільм (wind.mpg або S2) демонструє, як вітер блакитного гіганта врізається в сформовану структуру. Дія першого фільму відбувається на масштабі всього лише 12 років. Другий фільм розповідає про історію тривалістю 20 000 років.

Порівняння результату моделювання (рис. 1) з фотографією системи кілець (рис. 2) говорить про те, що автори впоралися зі своїм завданням. Крім пояснення зовнішнього вигляду всієї системи їм вдалося також описати кінематичні властивості кілець. А це вже серйозні аргументи на користь того, що розглянута модель вірна. І значить, наднова 1987А зобов'язана своїми дивовижними властивостями злиття двох зірок.

джерело: T. Morris, Ph. Podsiadlowski.The Triple-Ring Nebula around SN 1987A: Fingerprint of a Binary Merger // astro-ph / 0704317.

Сергій Попов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: