Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

23 февраля 1987 года астрономы получили редкую возможность увидеть сверхновую “в действии”. В обсерватории Лас-Кампанас в Чили ночная смена только приступила к работе. Тогда здесь работали по старинке: ученые находились рядом с телескопом, а не за сотни миль от него в комфортабельном офисе с высокоскоростным интернетом. Дежурные Ян Шелтон и Оскар Дуальде сканировали небо. Неожиданно Шелтон заметил вспышку света в карликовой галактике – Большом Магеллановом Облаке. По космическим масштабам это недалеко от Млечного Пути, на расстоянии примерно 168 тысяч световых лет от Земли. Вспышка оказалась настолько яркой, что ее можно было увидеть невооруженным глазом. Шелтон быстро задокументировал наблюдение. (Позднее он узнал, что еще один астроном из Новой Зеландии тоже наблюдал эту вспышку.) Ученые сверились с каталогом и увидели, что на месте вспышки раньше была массивная, неожиданно исчезнувшая звезда: перестал существовать голубой сверхгигант Сандулик -69º 202, обычно сиявший на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Он взорвался сверхновой II типа с коллапсирующим ядром, которая позднее стала называться SN 1987А. Это самая близкая к Земле сверхновая, звезду-предшественницу которой можно было наблюдать более четырехсот лет.
За три часа до того, как астрономы в Чили и в Новой Зеландии заметили вспышку в оптическом диапазоне, три детектора нейтрино – Kamiokande II в Японии, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) в Огайо на берегу озера Эри и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в России – зарегистрировали в общей сложности около двух десятков нейтрино. Это намного больше, чем любая из этих трех обсерваторий обнаруживала когда-либо ранее. До этого нейтринный механизм взрыва сверхновой был лишь теорией, получившей теперь наглядное доказательство14.
Однако убедительно доказать, что именно нейтрино “обеспечивают” энергией взрыв сверхновой, гораздо труднее. Ученые пробовали делать трехмерное компьютерное моделирование нейтринного механизма коллапсирующего ядра звезды, но это очень дорого и долго: даже один вычислительный эксперимент может занять несколько месяцев. И наблюдения не слишком помогают понять механизм взрыва сверхновой. “Дело в том, – говорит Стивен Смартт из Университета Квинс в Белфасте, – что вы видите только момент прохождения ударной волны через поверхность звезды-предшественницы”. Наблюдаемое свечение определяется радиусом звезды и количеством материала вокруг нее, а эти характеристики не слишком полезны для понимания механизма взрыва. “Решить этот вопрос можно, измерив кинетическую энергию выброшенного вещества, зная его движение и сравнивая энергию ударной волны и энергию взрыва звезды, – говорит Смартт. – Но это и теоретически трудно сделать, а обследовать непосредственно центр взрыва практически невозможно”.
Уже более тридцати пяти лет ученые изучают эволюцию SN 1987A. Они видели в реальном времени переход от небулярной стадии к остатку сверхновой. Большая загадка – отсутствующая нейтронная звезда: в соответствии с размером звезды-предшественницы (порядка двадцати масс Солнца) она, согласно теории, должна находиться в центре остатка сверхновой. Нейтринные наблюдения свидетельствовали, что на месте ядра исходной звезды действительно образовался компактный объект. Но астрономы ничего не нашли. Одно из возможных объяснений состоит в том, что там просто слишком много “мусора”, скрывающего ядро за плотными тучами пыли и газа. Или, возможно, магнитное поле нейтронной звезды, если она есть, либо слишком сильное, либо слишком слабое для того, чтобы стало возможно образование обычного пульсара. С другой стороны, возможно, на молодую нейтронную звезду упало слишком много выброшенного вещества – так много, что ее масса увеличилась до точки невозврата, вызвав дальнейший коллапс в черную дыру.
Никаких сигналов приближающейся смерти голубого сверхгиганта обнаружить не удалось, хотя ученые наблюдали сверхновую почти сразу после взрыва и знали, какая звезда была ее предшественницей15. Однако, кажется, по крайней мере некоторые звезды предупреждают нас о своей неминуемой кончине. Такую звезду астрономы обнаружили в 2013 году. Обычно новый интересный объект находят так: робот-телескоп сканирует ночное небо, а наблюдатели – дежурные астрономы – принимают поступающие данные и отбирают для последующего изучения те объекты, которые кажутся наиболее интересными и подходящими кандидатами в сверхновые. Таким образом, специалисты по возможности быстро стараются обнаружить космическое событие и начать его наблюдать. Когда, осветив сцену великолепным фейерверком, погиб красный сверхгигант, съемку неба в Северной Калифорнии вел дежурный обзорный робот-телескоп Palomar Transient Factory, а ровно через три часа после того, как свет вспышки сверхновой достиг Земли, ее заметили наблюдатели в Израиле. Звезда находилась в относительно близкой галактике и, что привлекло внимание, не была замечена накануне.
 
Так случилось, что на ту ночь одна из групп заранее забронировала время на телескопе Keck на Гавайях для каких-то других наблюдений. Офер Ярой из Института имени Вейцмана в Израиле поднял на ноги Дэна Перли, астрофизика из Калифорнийского технологического института, имевшего опыт работы с Keck. Перли немедленно попросил оператора телескопа на Гавайях направить телескоп на вспышку и в то же время быстро занял очередь для работы на орбитальном телескопе Swift, чтобы получить данные в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.
Используя щелевой спектрограф, Перли удалось получить последовательность из четырех спектров. Метод заключается в том, что собранный телескопом свет направляется в спектрограф, где проходит через щель определенной ширины, для того чтобы, с одной стороны, собрать как можно больше света от искомого объекта, а с другой – оставить за кадром близлежащие светила. “Сегодня, в начале 2020 года, это самые ранние спектры, полученные сразу после взрыва сверхновой”, – говорит Ярон.
До тех пор астрономы считали, что невозможно предсказать, взорвется ли звезда в ближайшие десять тысяч лет. Однако группа Ярона выяснила, что, возможно, в будущем мы сможем наблюдать сигналы-предвестники, указывающие на неизбежную смерть гигантской звезды в течение нескольких лет, а может, даже за несколько месяцев до взрыва сверхновой. Подобным сигналом может служить все более и более ускоряющееся извержение вещества из звезды. Это напоминает подземные толчки, обусловленные быстро поднимающейся наверх магмой, которые являются предвестниками извержения некоторых вулканов16.
Анализируя спектр сверхновой, получившей название SN 2013fs, Ярой и его коллеги обнаружили вокруг умирающей, взрывающейся звезды плотную газовую оболочку из так называемого околозвездного материала. Был ли там этот газ за сотни лет до взрыва, или это ранний предвестник взрыва? В модели коллапса ядра сверхновой предполагается, что до финального взрыва, глядя на звезду, нельзя определить, идет ли уже интенсивный внутренний коллапс ее ядра. Внешняя оболочка звезды, ее промежуточные слои остаются пугающе спокойными до конца – до тех пор, пока не произойдет падение вещества ядра звезды в ее центр. За считаные секунды это приводит к взрыву промежуточных слоев, которые устремляются к центру звезды. Но еще до Ярона другие ученые говорили, что, возможно, умирающие звезды теряют внешние слои газа раньше, чем происходит взрыв сверхновой.
В одном из исследований ученые проанализировали изображения, полученные при роботизированном обзоре шестнадцати сверхновых. Они обнаружили, что действительно до фактического взрыва пяти из них имели место небольшие вспышки. Статья Ярона показывает, что в последние моменты жизни звезды-предшественницы сверхновой, изучением которой занималась его группа, извержение газа происходило несколько раз, что привело к гораздо большей потере массы, чем когда-либо в предыдущие годы. Всего через пять дней после взрыва, когда ударная волна от взрыва сверхновой распространялась по межзвездному пространству, этот газ исчез.