Самый красивый остаток вспышки сверхновой в Галактике

Сегодня более 300 остатков вспышек сверхновых обнаружено в нашей Галактике по их радио-, оптическому или рентгеновскому излучению. Большинство известно по их координатам на небе или номеру в каталоге. Но некоторые получили собственные имена из-за своих уникальных свойств. Таков остаток вспышки сверхновой S147, известный под именем «Спагетти». На оптических изображениях в бальмеровской линии нейтрального водорода H-alpha этот объект выглядит как фантастически красивый клубок спутанных волокон – филаментов. Наблюдения телескопа еРОЗИТА обсерватории «Спектр-РГ» в рентгеновских лучах позволили астрофизикам ИКИ, ИНАСАН, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ИПФ РАН и их коллегам заглянуть в горячее ядро остатка вспышки сверхновой Спагетти и объяснить ее необычные свойства.

Вспышки сверхновых — это один из вариантов конечной стадии эволюции звезд. Для массивных звезд (в десятки раз массивнее Солнца), о которых пойдет речь далее, время жизни от момента рождения звезды до коллапса её ядра составляет десятки миллионов лет. Это короткий (по астрономическим меркам) период, и такие звезды взрываются вблизи той области, где звезда образовалась. Для нашей Галактики Млечный путь это означает, что такие вспышки должны наблюдаться непосредственно в её диске с частотой примерно раз в 100 лет.

Сам взрыв сверхновой — это впечатляющее явление, сопровождающее коллапс ядра массивной звезды и формирование нейтронной звезды или черной дыры. Выделяющаяся при этом энергия может наблюдаться как вспышка оптического излучения. Ближайшая к нам вспышка сверхновой в современную эпоху произошла в 1987 г. в галактике-спутнике Большое Магелланово облако. Если же говорить о сверхновых в самом Млечном Пути, то информация о них сохранилась в исторических хрониках, где они называются «звездами-гостьями» — яркими объектами, которые появлялись на небе на недели или месяцы, а потом исчезали. Самая недавняя в Галактике вспышка, наблюдавшаяся невооруженным глазом, произошла в 1604 г. Она известна как сверхновая Кеплера.

За краткой вспышкой следует гораздо более длительная фаза «остатка вспышки сверхновой». В этой фазе внешние оболочки массивной звезды разлетаются со скоростями в несколько тысяч километров в секунду и взаимодействуют с окружающей средой. Образующаяся ударная волна бежит по газу, разогревает его до температур в десятки миллионов градусов и порождает рентгеновское излучение газа.

Одновременно к центру остатка бежит обратная ударная волна, которая разогревает разлетающееся вещество звезды. При этом ускорение электронов на фронте обратной ударной волны вызывает синхротронное излучение в радиодиапазоне. С течением времени расширение замедляется, температура газа за фронтом ударной волны падает, яркое ультрафиолетовое и оптическое излучения заменяют рентгеновское и быстро охлаждают газ. Вскоре после этого остаток вспышки сверхновой перестает быть ярким источником, и газ остатка перемешивается с межзвездной средой, обогащая ее различными тяжелыми элементами. Фаза остатка длится около 100 000 лет.

Комбинация оптических (зеленый цвет), рентгеновских (синий) и радио- (красный) изображений остатка вспышки сверхновой Спагетти (S147). Стрелкой показано направление движения пульсара, вероятно возникшего в процессе взрыва сверхновой

Именно большой размер остатка и доминирование в спектре оптического излучения в S147/Спагетти привели к оценке его возраста порядка 100 000 лет. Излучение в оптической линии H-альфа, радиоизлучение релятивистских электронов и рентгеновское излучение горячего газа делают этот объект одним из красивейших остатков вспышек сверхновых. Впервые обнаруженный по излучению в оптическом диапазоне в обзоре Г. А. Шайна и В. Ф. Газе в 1952 г., S147 (S – сокращение от «Симеиз 147», ещё одно название сверхновой) стал кандидатом на «старейший» остаток сверхновой в нашей Галактике.

Но есть и другой способ оценить возраст. Если при взрыве сверхновой образовалась нейтронная звезда (пульсар), и ее собственное движение может быть измерено, то можно оценить время, необходимое для перемещения пульсара от геометрического центра остатка.

Действительно, в центре туманности S147 был обнаружен пульсар PSR J0538+2817, но измерение его собственного движения дает в три раза меньший возраст — 30 000 лет. Можно ли совместить эти противоречивые результаты? Этому вопросу посвящены недавние статьи, использующие рентгеновские данные телескопа еРОЗИТА на борту обсерватории «Спектр-РГ».

В одной из них рассматривается классический сценарий взрыва сверхновой в однородной среде, который неизбежно приводит к возрасту остатка около 100 000 лет. В другой обсуждается вопрос: что нужно сделать, чтобы остаток смог расшириться до наблюдаемого размера за в три раза более короткое время?

Если сделать плотность окружающего газа меньше, чтобы остаток расширялся быстрее, это будет противоречить наблюдаемому оптическому излучению остатка, для которого требуется большая плотность.

Но оказывается, есть еще одна возможность, которая может объяснить оба факта одновременно.

Если массивная звезда почти не двигалась относительно окружающей среды, то еще до взрыва ветер от звезды мог создать «полость» в среде, «сдув» окружающий газ в тонкую и плотную оболочку. Сверхновая, взорвавшаяся в такой полости, будет окружена газом очень малой плотности, где вещество сверхновой будет разлетаться почти без торможения до тех пор, пока не дойдет до плотной оболочки сдутого ветром газа. В этот момент вещество сверхновой резко затормозится и выделенная энергия будет питать мощное оптическое излучение Спагетти.

При этом обратная ударная волна, отраженная от плотной оболочки, будет распространяться к центру остатка через разреженное вещество сверхновой, создавая рентгеновское излучение с явными признаками неравновесных процессов: высокой температуры и неполной ионизации вещества, когда ионы с разными потенциалами ионизации одновременно присутствуют в газе. Именно такие спектры рентгеновского излучения и наблюдаются в Спагетти.

Name

Рентгеновские изображения остатка вспышки сверхновой Спагетти (S147) и спектры его рентгеновского излучения, наблюдаемый и теоретический. Рисунки из статьи Khabibullin I. I. et al, A&A 689, A278, (2024)

Таким образом, совокупность оптических и рентгеновских данных может быть объяснена как сочетание массивной и плотной оболочки, созданной родительской звездой на этапе главной последовательности, и горячего и малоплотного газа внутри оболочки, разогретого ударной волной. Внутри Спагетти очень горячи!

Кроме прояснения деталей воздействия массивных звезд на окружающую межзвездную среды, новые данные также позволяют лучше представить кинематические, термодинамические и магнитные свойства среды, сквозь которую движется центральный пульсар остатка.

Интересно, что на основе наблюдений высокого пространственного разрешения в радиодиапазоне была обнаружена нитевидная структура, возможно, соединяющая магнитосферу пульсара со средой внутри или вблизи поверхности туманности. Таким образом, туманность Спагетти позволяет нам увидеть и исследовать множество различных граней и фаз межзвездной среды — от холодного атомарного и молекулярного газа до ультрарелятивистских электронов (и, вероятно, позитронов), ускоренных в магнитосферах быстровращающихся нейтронных звезд (пульсаров).

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Тэги

Ильдар Хабибуллин