SN 1987A — сверхновая типа II в Большом Магеллановом Облаке , карликовой галактике-спутнике Млечного Пути . Она произошла на расстоянии примерно 51,4 килопарсека (168 000 световых лет ) от Земли и была ближайшей наблюдаемой сверхновой со времен Сверхновой Кеплера в 1604 году. Свет и нейтрино от взрыва достигли Земли 23 февраля 1987 года и получили обозначение «SN 1987A» как первая обнаруженная сверхновая. этот год. Его яркость достигла максимума в мае того же года с видимой звездной величиной около 3.
Это была первая сверхновая, которую современные астрономы смогли изучить очень подробно, и ее наблюдения позволили многое понять в отношении сверхновых с коллапсом ядра . SN 1987A предоставил первую возможность прямым наблюдением подтвердить радиоактивный источник энергии излучения видимого света, обнаружив предсказанное излучение гамма-линий от двух его многочисленных радиоактивных ядер. Это доказало радиоактивную природу длительного свечения сверхновых после взрыва.
В 2019 году с помощью телескопа с большой миллиметровой решеткой в Атакаме были обнаружены косвенные доказательства присутствия коллапсирующей нейтронной звезды среди остатков SN 1987A . Дополнительные доказательства были впоследствии обнаружены в 2021 году благодаря наблюдениям, проведенным рентгеновскими телескопами Chandra и NuSTAR. В 2024 году космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба предоставил революционные наблюдения [4] , которые еще больше пролили свет на загадочные процессы, происходящие в остатках SN 1987A.
SN 1987A была открыта независимо Яном Шелтоном и Оскаром Дуальдом в обсерватории Лас-Кампанас в Чили 24 февраля 1987 года и в течение тех же 24 часов Альбертом Джонсом в Новой Зеландии . [2]
Более поздние исследования обнаружили фотографии, показывающие быстрое вспыхивание сверхновой рано утром 23 февраля. [5] [2] 4–12 марта 1987 года она наблюдалась из космоса с помощью Астрона , крупнейшего ультрафиолетового космического телескопа того времени. [6]
Через четыре дня после регистрации события звезда-прародитель была предварительно идентифицирована как Сандулек -69 202 (Sk -69 202), синий сверхгигант . [7] После того, как сверхновая погасла, эта идентификация была окончательно подтверждена, поскольку Sk −69 202 исчез. Возможность рождения сверхновой голубым сверхгигантом была сочтена неожиданной [8] , и это подтверждение привело к дальнейшим исследованиям, которые идентифицировали более раннюю сверхновую с прародителем голубого сверхгиганта. [9]
Некоторые модели прародителя SN 1987A объясняют синий цвет в основном его химическим составом, а не стадией его эволюции, особенно низким содержанием тяжелых элементов. [10] Были некоторые предположения, что звезда могла слиться со звездой-компаньоном до появления сверхновой. [11] Однако в настоящее время широко известно, что голубые сверхгиганты являются естественными прародителями некоторых сверхновых, хотя до сих пор существуют предположения, что эволюция таких звезд может потребовать потери массы с участием двойного компаньона. [12]
Примерно за два-три часа до того, как видимый свет от SN 1987A достиг Земли, в трёх нейтринных обсерваториях наблюдался всплеск нейтрино . Вероятно, это произошло из-за испускания нейтрино , которое происходит одновременно с коллапсом ядра, но до того, как испускается видимый свет, когда ударная волна достигает поверхности звезды. [13] В 07:35 UT 12 антинейтрино были обнаружены Камиоканде II , 8 — IMB и 5 — Баксаном во всплеске длительностью менее 13 секунд. Примерно тремя часами ранее жидкий сцинтиллятор Монблана зарегистрировал всплеск из пяти нейтрино, но обычно считается, что он не связан с SN 1987A. [10]
Обнаружение Камиоканде II, которое имело самую большую выборку при 12 нейтрино, показало, что нейтрино прибывают двумя отдельными импульсами. Первый импульс в 07:35:35 содержал 9 нейтрино за период 1,915 секунды. Второй импульс из трёх нейтрино прибыл в течение 3,220-секундного интервала с 9,219 до 12,439 секунды после начала первого импульса. [ нужна цитата ]
Хотя во время события было обнаружено всего 25 нейтрино, это было значительное увеличение по сравнению с наблюдавшимся ранее фоновым уровнем. Это был первый случай, когда нейтрино, испускаемые сверхновой, наблюдались напрямую, что положило начало нейтринной астрономии . Наблюдения согласуются с теоретическими моделями сверхновых, в которых 99% энергии коллапса излучается в виде нейтрино. [14] Наблюдения также согласуются с оценками моделей, согласно которым общее количество нейтрино составляет 10 58 с полной энергией 10 46 джоулей, т.е. среднее значение в несколько десятков МэВ на нейтрино. [15]
Измерения нейтрино позволили определить верхние границы массы и заряда нейтрино, а также количества разновидностей нейтрино и других свойств. [10] Например, данные показывают, что масса покоя электронного нейтрино составляет < 16 эВ/с 2 при доверительной вероятности 95%, что в 30 000 раз меньше массы электрона . Данные показывают, что общее количество ароматов нейтрино не превышает 8, но другие наблюдения и эксперименты дают более точные оценки. Многие из этих результатов с тех пор были подтверждены или уточнены другими экспериментами с нейтрино, такими как более тщательный анализ солнечных нейтрино и атмосферных нейтрино, а также эксперименты с искусственными источниками нейтрино. [16] [17] [18]
SN 1987A, по-видимому, является сверхновой с коллапсом ядра, что должно привести к образованию нейтронной звезды , учитывая размер исходной звезды. [10] Данные по нейтрино указывают на то, что в ядре звезды действительно сформировался компактный объект, и астрономы немедленно начали поиски коллапсирующего ядра. Космический телескоп Хаббл регулярно делал снимки сверхновой с августа 1990 года, но без четкого обнаружения нейтронной звезды.
Был рассмотрен ряд возможностей «пропавшей» нейтронной звезды. [19] Во-первых, нейтронная звезда может быть скрыта окружающими ее плотными пылевыми облаками. [20] Во-вторых, образовался пульсар , но с необычно большим или малым магнитным полем. В-третьих, большое количество материала упало обратно на нейтронную звезду, превратив ее в черную дыру . Нейтронные звезды и черные дыры часто излучают свет, когда на них падает вещество. Если в остатке сверхновой есть компактный объект, но нет материала, который мог бы на него упасть, он будет слишком тусклым для обнаружения. Четвертая теория состоит в том, что схлопнувшееся ядро превратилось в кварковую звезду . [21] [22]
В 2019 году были представлены доказательства существования нейтронной звезды внутри одного из самых ярких пылевых сгустков, недалеко от ожидаемого положения остатка сверхновой. [23] [24] В 2021 году были представлены дополнительные доказательства жесткого рентгеновского излучения SN 1987A, происходящего из ветровой туманности пульсара. [25] [26] Последний результат подтверждается трехмерной магнитогидродинамической моделью, которая описывает эволюцию SN 1987A от события SN до настоящего времени и реконструирует окружающую среду, предсказывая поглощающую способность плотного звездного материала вокруг пульсар. [27]
В 2024 году исследователи с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) определили характерные линии излучения ионизированного аргона в центральной области остатков сверхновой 1987A (SN 1987A). Эти эмиссионные линии, различимые только вблизи ядра остатка, были проанализированы с использованием моделей фотоионизации. Модели показывают, что наблюдаемые отношения и скорости линий могут быть объяснены ионизирующим излучением нейтронной звезды, освещающим газ из внутренних областей взорвавшейся звезды. [28] Используя сложные спектроскопические методы, JWST обнаружил важные доказательства зарождающейся нейтронной звезды в остатках сверхновых, подтвердив давние теоретические предсказания и предоставив дополнительные доказательства сложных механизмов, лежащих в основе взрывов сверхновых и образования нейтронных звезд. [4]
Большая часть кривой блеска или графика светимости как функции времени после взрыва сверхновой типа II , такой как SN 1987A, образуется за счет энергии радиоактивного распада . Хотя световое излучение состоит из оптических фотонов, именно поглощенная радиоактивная энергия сохраняет остаток достаточно горячим, чтобы излучать свет. Без радиоактивного тепла он бы быстро потускнел. Радиоактивный распад 56 Ni через его дочерние элементы 56 Co до 56 Fe приводит к образованию фотонов гамма-излучения , которые поглощаются и доминируют в нагреве и, следовательно, в светимости выбросов в промежуточные моменты времени (несколько недель) и в более поздние времена (несколько месяцев). [33] Энергия пика кривой блеска SN1987A была обеспечена распадом 56 Ni на 56 Co (период полураспада 6 дней), в то время как энергия для более поздней кривой блеска, в частности, очень близко соответствовала полураспаду 77,3 дня. жизнь 56 Co, распадающегося до 56 Fe. Более поздние измерения с помощью космических гамма-телескопов небольшой доли гамма-лучей 56 Co и 57 Co, вышедших из остатка SN1987A без поглощения [34] [35], подтвердили более ранние предсказания о том, что эти два радиоактивных ядра были источником энергии. [36]
Поскольку 56 Co в SN1987A теперь полностью распался, он больше не поддерживает светимость выброса SN 1987A. В настоящее время он питается от радиоактивного распада 44 Ti с периодом полураспада около 60 лет. Благодаря этому изменению рентгеновские лучи, образующиеся в результате кольцевых взаимодействий выброса, начали вносить значительный вклад в общую кривую блеска. Это было замечено космическим телескопом Хаббл как устойчивое увеличение светимости через 10 000 дней после события в синем и красном спектральных диапазонах. [37] Рентгеновские линии 44 Ti, наблюдавшиеся космическим рентгеновским телескопом ИНТЕГРАЛ , показали, что общая масса радиоактивного 44 Ti, синтезированного при взрыве, составила 3,1 ± 0,8 × 10 −4 M ☉ . [38]
Наблюдения за радиоактивной энергией по их распаду на кривой блеска 1987А позволили измерить точные общие массы 56 Ni , 57 Ni и 44 Ti, образовавшихся в результате взрыва, которые согласуются с массами, измеренными космическими телескопами с гамма-линиями и обеспечивают нуклеосинтез. ограничения на рассчитанную модель сверхновой. [39]
Три ярких кольца вокруг SN 1987A, которые через несколько месяцев были видны на изображениях космического телескопа Хаббл, являются материалом звездного ветра прародителя. Эти кольца были ионизированы ультрафиолетовой вспышкой взрыва сверхновой и, следовательно, начали излучать различные эмиссионные линии. Эти кольца «включились» только через несколько месяцев после вспышки сверхновой, и этот процесс можно очень точно изучить с помощью спектроскопии. Кольца достаточно велики, чтобы их угловой размер можно было точно измерить: радиус внутреннего кольца составляет 0,808 угловых секунд. Время, за которое свет прошел, чтобы осветить внутреннее кольцо, дает его радиус 0,66 световых лет . Используя это значение в качестве основания прямоугольного треугольника и угловой размер местного угла, видимый с Земли, можно с помощью базовой тригонометрии вычислить расстояние до SN 1987A, которое составляет около 168 000 световых лет. [41] Материал взрыва догоняет материал, выброшенный во время красной и синей фаз сверхгиганта, и нагревает его, поэтому мы наблюдаем кольцевые структуры вокруг звезды.
Примерно в 2001 году расширяющийся (>7000 км/с) выброс сверхновой столкнулся с внутренним кольцом. Это вызвало его нагрев и генерацию рентгеновских лучей — поток рентгеновских лучей от кольца увеличился в три раза за период с 2001 по 2009 год. Часть рентгеновского излучения, поглощаемая плотными выбросами, близкими к центр, ответственен за сопоставимое увеличение оптического потока от остатка сверхновой в 2001–2009 гг. Это увеличение яркости остатка обратило вспять тенденцию, наблюдавшуюся до 2001 г., когда оптический поток уменьшался из-за распада изотопа 44 Ti . [40]
Исследование, опубликованное в июне 2015 года [42] с использованием изображений космического телескопа Хаббл и Очень Большого Телескопа, полученных в период с 1994 по 2014 год, показывает, что излучение сгустков материи, составляющих кольца, затухает по мере того, как сгустки разрушаются ударная волна. Прогнозируется, что кольцо исчезнет в период между 2020 и 2030 годами. Эти результаты также подтверждаются результатами трехмерной гидродинамической модели, которая описывает взаимодействие взрывной волны с околозвездной туманностью. [20] Модель также показывает, что рентгеновское излучение от нагретого ударной волной выброса очень скоро станет доминирующим, после чего кольцо исчезнет. Когда ударная волна пройдет околозвездное кольцо, она проследит историю потери массы прародителя сверхновой и предоставит полезную информацию для различения различных моделей прародителя SN 1987A. [43]
В 2018 году радионаблюдения за взаимодействием околозвездного пылевого кольца и ударной волной подтвердили, что ударная волна уже покинула околозвездный материал. Это также показывает, что скорость ударной волны, которая замедлилась до 2300 км/с при взаимодействии с пылью в кольце, теперь снова ускорилась до 3600 км/с. [44]
Вскоре после вспышки SN 1987A три основные группы приступили к фотометрическому мониторингу сверхновой: Южноафриканская астрономическая обсерватория (SAAO), [45] [46] Межамериканская обсерватория Серро Тололо ( CTIO), [47] [48 ] ] и Европейской южной обсерватории (ESO). [49] [50] В частности, группа ESO сообщила об избытке инфракрасного излучения , которое стало очевидным менее чем через месяц после взрыва (11 марта 1987 г.). В этой работе обсуждались три возможные интерпретации этого явления: отбрасывалась гипотеза инфракрасного эха и отдавалось предпочтение тепловому излучению пыли, которая могла конденсироваться в выбросах (при этом расчетная температура в эту эпоху составляла ~ 1250 К, а пыль масса была примерно6,6 × 10 -7 М ☉ ). Возможность того, что ИК-избыток мог быть вызван оптически толстым свободным излучением, казалась маловероятной, поскольку светимость УФ-фотонов, необходимая для поддержания ионизации оболочки, была намного больше, чем имеющаяся, но это не исключалось ввиду возможности рассеяние электронов, которое не рассматривалось. [ нужна цитата ]
Однако ни одна из этих трех групп не имела достаточно убедительных доказательств, чтобы утверждать о пыльном выбросе только на основании избытка ИК-излучения. [ нужна цитата ]
Независимая австралийская группа выдвинула несколько аргументов в пользу интерпретации эха. [52] Эта, казалось бы, простая интерпретация природы ИК-излучения была оспорена группой ESO [53] и окончательно исключена после представления оптических доказательств присутствия пыли в выбросах сверхновой. [54] Чтобы различать две интерпретации, они рассмотрели влияние присутствия эхо-пылевого облака на оптическую кривую блеска и существование диффузного оптического излучения вокруг сверхновой. [55] Они пришли к выводу, что ожидаемое оптическое эхо от облака должно быть различимым и может быть очень ярким с интегральной визуальной яркостью 10,3 звездной величины около 650 дня. Однако дальнейшие оптические наблюдения, выраженные на кривой блеска сверхновой, не показали никакого перегиба . на кривой блеска на прогнозируемом уровне. Наконец, команда ESO представила убедительную комковатую модель конденсации пыли в выбросах. [51] [56]
Хотя более 50 лет назад считалось, что пыль может образовываться в выбросах сверхновой с коллапсом ядра, [57] что, в частности, могло объяснить происхождение пыли, наблюдаемой в молодых галактиках, [58] это было впервые. что такая конденсация наблюдалась. Если SN 1987A является типичным представителем своего класса, то полученная масса теплой пыли, образовавшейся в обломках коллапса ядра сверхновых, недостаточна для учета всей пыли, наблюдаемой в ранней Вселенной. Однако гораздо больший резервуар более холодной пыли массой ~0,25 Солнца (при ~26 К) в выбросах SN 1987A был обнаружен [59] с помощью инфракрасного космического телескопа Гершель в 2011 году и подтвержден с помощью Большой миллиметровой решетки Атакамы (ALMA). в 2014 году. [60]
После подтверждения наличия большого количества холодной пыли в выбросах [60] ALMA продолжила наблюдения за SN 1987A. Измерено синхротронное излучение от ударного взаимодействия в экваториальном кольце. Обнаружены холодные (20–100 К) молекулы монооксида углерода (СО) и силиката (SiO). Данные показывают, что распределения CO и SiO являются комковатыми, а разные продукты нуклеосинтеза (C, O и Si) расположены в разных местах выбросов, что указывает на следы недр звезды во время взрыва. [61] [62] [63]