Оригинал материала
Смерть гиганта
Больше года понадобилось астрономам для разгадки уникального взрыва
Ученым впервые удалось взглянуть на одну из звезд, которая существовала еще в начале образования Вселенной.Далекую звезду SN 2007bi обнаружили летом 2007-го с помощью телескопов из обсерватории Паломар, расположенной в холмах между Лос-Анджелесом и Сан-Диего, в рамках проекта «Фабрика близких сверхновых», целью которого является наблюдение за звездами, эволюция которых заканчивалась катастрофическим взрывным процессом.
Обычно вспышку сверхновой можно видеть в течение нескольких недель, но за звездой SN 2007bi ученые смогли следить рекордные 555 дней. И только в октябре 2008 года звезда потускнела до такой степени, что охотники за сверхновыми прекратили наблюдения.
Для того чтобы осмыслить увиденное, астрономам понадобилось больше года. Ведь вспышка SN 2007bi оказалась уникальной: термоядерный взрыв был слишком сильным для обычных звезд. Со временем стало ясно, что SN 2007bi была очень тяжелой звездой, каких во Вселенной уже не осталось. Поразительно мощной энергией послесвечения SN 2007bi обеспечивала распад тяжелых радиоактивных элементов, который происходил после термоядерного синтеза. Главным в цепочке процессов является распад радиоактивного никеля и превращение его сначала в кобальт, а затем в железо, в результате чего выделялись радиоактивные гамма-лучи. Яркость и длительность послесвечения свидетельствовали о гигантских количествах этих элементов, произведенных сверхновой звездой.
Ученые заложили характеристики SN 2007bi в компьютерную модель и получили поразительные результаты. Для того чтобы SN 2007bi могла так ярко и так долго светиться, в результате вспышки должно было образоваться в десять раз больше радиоактивного никеля, чем при вспышке обычной сверхновой. Разница оказалась настолько велика, что потребовала объяснений.
Разгадка могла находиться в нескольких позабытых научных трудах, опубликованных в журналах 40 лет назад. Тогда ученые предположили, что могло заставить гигантскую звезду размером в 200 раз больше Солнца превратиться в сверхновую. По мнению исследователей, во время синтеза ядро звезды разогревается до такой высокой температуры, что протоны начинают спонтанно распадаться на противоположную пару -- электрон и позитрон. Давление протонов, уравновешивающее давление внешних слоев, уменьшается, происходит коллапс, и звезда разрушается, превращаясь в сверхгигантскую и сверхновую звезду. При этом образуется намного больше тяжелых радиоактивных элементов, чем при взрыве обычной звезды. Астрономы назвали это явление «нестабильностью пар».
До 2007 года ученые не наблюдали ни одного такого взрыва. Это продолжалось до тех пор, пока Авишей Гал-Йам, астрофизик из научно-исследовательского института имени Вейцмана в израильском городке Реховот, не начал изучать результаты наблюдений за SN 2007bi. Чем больше он сравнивал ее данные с существующими моделями сверхновых, тем больше убеждался, что единственным объяснением всех странностей может быть гипотеза нестабильности пар. Приняв эту гипотезу, Гал-Йам с коллегами смог даже определить размеры удивительной звезды -- ее масса превышала массу Солнца в 300 раз!
Казалось, проблема была решена -- астрономы впервые получили подтверждение гипотезы нестабильности пар. Но не ответили на один из важных вопросов. Дело в том, что по всем законам астрономии и физики таких тяжелых звезд во Вселенной попросту не существует.
Сразу следует уточнить: их нет в той Вселенной, которую можно наблюдать сейчас. За те четыре десятилетия, что прошли после появления гипотезы нестабильности пар, были получены новые данные, согласно которым строение современного космоса не позволяет звездам достигать таких фантастических размеров. Присутствие существенных количеств элементов тяжелее водорода и гелия, которые ученые называют металлами, заставляет облака из газа быстро распадаться и образовывать небольшие звезды. Поэтому сейчас подавляющее большинство звезд является «малышами», которые намного легче и меньше нашего Солнца. Пределом для современных звезд считаются гиганты, превосходящие Солнце по весу не более чем в 150 раз.
Но так было не всегда. Когда-то, на заре появления Вселенной, примерно 13 млрд лет назад, преобладали звезды-гиганты. Такие звезды, существовавшие еще до образования галактик, жили бурно и недолго. За какие-то несколько миллионов лет они сжигали запасы водорода и исчезали. Их смерть имела огромное значение для будущего Вселенной. Согласно принятой сейчас теории, в результате взрывов древних мегазвезд появлялись химические элементы тяжелее водорода, гелия и лития. Они стали кирпичиками для строительства современного космоса, в котором мы сейчас живем.
Увеличивая количество металлов в космосе, мегазвезды меняли условия, необходимые для их рождения. Уже к концу первых 5--7 сотен миллионов лет после Большого взрыва содержание металлов в космическом пространстве достигло настолько высокого уровня, что гиганты перестали образовываться.
Но если SN 2007bi была такой мегазвездой, как свидетельствуют расчеты, то как она смогла прожить так долго? Ответ на этот вопрос, похоже, следует искать в космической географии, месте ее нахождения. Мегазвезда обнаружена в карликовой галактике, расположенной в 1,6 млрд световых лет от Земли. Карликовые галактики, как следует из их названий, представляют собой крошечные галактики, которые так и не выросли до больших размеров. Если нормально развившиеся галактики типа нашего Млечного пути состоят из сотен миллиардов звезд, то в карликовой галактике их может быть от силы пара миллионов.
Наблюдения за удаленными уголками Вселенной показывают, что когда-то карликовых галактик было намного больше, чем сейчас. Все первые галактики были небольшими. Из них со временем появлялись более крупные образования.
Поскольку в таких карликовых галактиках сохранились условия, существовавшие во Вселенной в первые миллионы лет ее существования, то все эти миллиарды лет, прошедшие после Большого взрыва, в них могли рождаться и умирать мегазвезды. Если согласиться с тем, что размер звезды определяется наличием или отсутствием в космическом пространстве металлов, то такие гигантские звезды могут иметься в любой карликовой галактике, включая и такие участки звездного неба, куда могут заглянуть телескопы.
Но если такие громадные реликтовые звезды находятся где-то поблизости, почему ученые до сих пор их не замечали? Космические объекты подобных гигантских размеров трудно не заметить как во время их бурной жизни, так и во время еще более впечатляющей смерти. Между тем за исключением одной довольно яркой сверхновой в 1999 году астрономы не обнаружили ничего даже отдаленно напоминающего SN 2007bi.
Частично этот феномен, по мнению Алексея Филиппенко, астрофизика из Калифорнийского университета в Беркли, можно объяснить тем, что ученые искали не там, где нужно.
«Каждая минута работы телескопов ценится на вес золота, -- говорит он. -- Звезд в карликовых галактиках мало, возможностей для одной из них стать сверхновой еще меньше. Естественно, астрономы уделяли все внимание большим галактикам, в которых звезд намного больше и в которых больше вероятности сделать какие-то открытия».
Что касается прямых наблюдений за еще существующими мегазвездами, то здесь тоже хватает сложностей. Гигантские звезды, обладающие большими запасами водорода и гелия, должны быть настолько горячи, что большая часть их энергии выделяется в виде ультрафиолетовых лучей. Однако земная атмосфера поглощает ультрафиолет до того, как его могут заметить земные телескопы. Без ультрафиолета же мегазвезды легко принять просто за большие звезды.