В недавно опубликованных работах исследователи оценили скорость коллапса ядра сверхновой в Млечном Пути в 1.63 ± 0.46 события в столетие. Таким образом, учитывая, что последняя вспышка сверхновой SN 1987A наблюдалась 35 лет назад в 1987 г., следующую вспышку сверхновой в Млечном Пути можно ожидать в любое время в ближайшем будущем.
Жизненный цикл звезды и сверхновой
В масштабе миллиардов лет звезды проходят свой жизненный путь: они рождаются, стареют и, наконец, умирают, взрываясь и впоследствии рассеивая звездное вещество в межзвездном пространстве в виде пыли или облаков.
Жизнь звезды начинается в туманности (облаке пыли, водорода, гелия и других ионизированных газов), когда гравитационный коллапс гигантского облака приводит к образованию протозвезды. Она продолжает расти за счет аккреции газа и пыли, пока не достигнет своей конечной массы. Конечная масса звезды определяет ее продолжительность жизни, а также то, что происходит с ней в течение этой жизни.
Все звезды получают энергию за счет ядерного синтеза. Сгорание ядерного топлива в ядре создает сильное внешнее давление из-за высокой температуры ядра. Это уравновешивает внутреннюю гравитационную силу. Баланс нарушается, когда топливо в ядре заканчивается. Температура падает, внешнее давление уменьшается. В результате гравитационная сила внутреннего сжатия становится доминирующей, заставляя ядро сжиматься и коллапсировать. То, во что в конечном итоге превращается звезда после коллапса, зависит от ее массы. В случае сверхмассивных звезд, когда ядро коллапсирует за короткий промежуток времени, образуются огромные ударные волны. Мощный, яркий взрыв называется сверхновой.
Это кратковременное астрономическое событие происходит на последней стадии эволюции звезды и оставляет после себя остаток сверхновой. В зависимости от массы звезды, остаток может представлять собой нейтронную звезду или черную дыру.
SN 1987A, последняя сверхновая.
Последним событием, связанным со сверхновой, была SN 1987A, которая наблюдалась в южном полушарии неба 35 лет назад, в феврале 1987 года. Это было первое подобное событие, видимое невооруженным глазом, со времен сверхновой Кеплера в 1604 году. Расположенная в близлежащем Большом Магеллановом Облаке (спутниковой галактике Млечного Пути), это была одна из самых ярких взрывающихся звезд, наблюдавшихся за более чем 400 лет, которая сияла с мощностью 100 миллионов солнц в течение нескольких месяцев и предоставила уникальную возможность изучить фазы до, во время и после смерти звезды.
Изучение сверхновых очень важно
Изучение сверхновых полезно в нескольких отношениях, например, для измерения расстояний в космосе , понимания расширяющейся Вселенной и природы звезд как фабрик всех элементов, из которых состоит все (включая нас), что существует во Вселенной . Более тяжелые элементы, образующиеся в результате ядерного синтеза (более легких элементов) в ядре звезд, а также вновь созданные элементы при коллапсе ядра, распределяются по всему пространству во время взрыва сверхновой. Сверхновые играют ключевую роль в распределении элементов по всей Вселенной.
К сожалению, в прошлом не было много возможностей для детального наблюдения и изучения взрывов сверхновых. Тщательное наблюдение и изучение взрывов сверхновых в нашей родной галактике Млечный Путь было бы замечательным событием, поскольку исследования в таких условиях никогда не могли бы проводиться в лабораториях на Земле. Отсюда и необходимость обнаружения сверхновой, как только она начнется. Но как узнать, когда вот-вот начнется взрыв сверхновой? Существуют ли какие-либо системы раннего предупреждения для предотвращения взрыва сверхновой?
Нейтрино, маяк взрыва сверхновой
Примерно в конце жизненного пути, когда у звезды заканчиваются более легкие элементы в качестве топлива для ядерного синтеза, питающего ее, начинает преобладать внутренний гравитационный толчок, и внешние слои звезды начинают падать внутрь. Ядро начинает коллапсировать, и за несколько миллисекунд ядро сжимается настолько, что электроны и протоны объединяются, образуя нейтроны, и на каждый образовавшийся нейтрон высвобождается нейтрино.
Образовавшиеся таким образом нейтроны образуют внутри ядра звезды протонейтронную звезду, на которую под действием сильного гравитационного поля падают остальные частицы звезды и отскакивают. Возникшая ударная волна разрушает звезду, оставляя после себя лишь ядро (нейтронную звезду или черную дыру, в зависимости от массы звезды), а остальная масса звезды рассеивается в межзвездном пространстве.
Огромный выброс нейтрино , образующийся в результате гравитационного коллапса ядра, беспрепятственно вырывается в космос благодаря своей неинтерактивной природе с материей. Около 99% гравитационной энергии связи высвобождается в виде нейтрино (впереди фотонов, которые захватываются в поле) и служит маяком приближающегося взрыва сверхновой. Эти нейтрино могут быть захвачены на Земле нейтринными обсерваториями, которые, в свою очередь, служат ранним предупреждением о возможном оптическом наблюдении взрыва сверхновой в ближайшее время.
Убегающие нейтрино также дают уникальное представление об экстремальных явлениях внутри взрывающейся звезды, которые могут иметь значение для понимания фундаментальных сил и элементарных частиц.
Система раннего предупреждения Supernova (SNEW)
Во время последней наблюдаемой сверхновой с коллапсом ядра (SN1987A) это явление наблюдалось невооруженным глазом. Нейтрино были обнаружены двумя водными черенковскими детекторами, Камиоканде-II и экспериментом Ирвин-Мичиган-Брукхейвен (IMB), в котором наблюдалось 19 событий взаимодействия нейтрино. Однако обнаружение нейтрино может послужить маяком или сигналом тревоги, препятствующим оптическому наблюдению за сверхновой. В результате различные обсерватории и астрономы не могли вовремя действовать для изучения и сбора данных.
С 1987 года нейтринная астрономия значительно продвинулась вперед. Теперь действует система оповещения о сверхновых SNWatch, которая запрограммирована на подачу сигнала тревоги экспертам и соответствующим организациям о возможном наблюдении сверхновой. Кроме того, по всему миру существует сеть нейтринных обсерваторий, называемая Системой раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS), которые объединяют сигналы для повышения уверенности в обнаружении. Любая обычная активность передается на центральный сервер SNEWS отдельными детекторами. Кроме того, SNEWS недавно был обновлен до SNEWS 2.0, который также выдает предупреждения с более низкой достоверностью.
Неизбежная сверхновая в Млечном Пути
Нейтринные обсерватории, расположенные по всему миру, стремятся впервые обнаружить нейтрино, образующиеся в результате гравитационного коллапса ядер звезд в нашей родной галактике . Поэтому их успех во многом зависит от скорости коллапса ядер сверхновых в Млечном пути.
В недавно опубликованных работах исследователи оценили скорость коллапса ядра сверхновой в Млечном Пути в 1.63 ± 0.46 события за 100 лет; примерно от одной до двух сверхновых в столетие. Кроме того, оценки предполагают, что временной интервал между коллапсом ядра сверхновой в Млечном Пути может составлять от 47 до 85 лет.
Таким образом, учитывая, что последнее событие со сверхновой, SN 1987A, наблюдалось 35 лет назад, следующее событие со сверхновой в Млечном пути можно ожидать в любой момент в ближайшем будущем. Благодаря сети нейтринных обсерваторий, предназначенных для обнаружения ранних вспышек, и модернизированной системе раннего предупреждения о сверхновых (SNEW), ученые смогут внимательно изучить следующие экстремальные события, связанные со взрывом сверхновой умирающей звезды. Это будет знаменательное событие и уникальная возможность изучить фазы до, во время и после смерти звезды для лучшего понимания Вселенной.
источники:
- Фейерверки Galaxy, NGC 6946: Что это делает Galaxy такой особенный? Научный европеец. Опубликовано 11 января 2021 г. Доступно по адресу: http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fireworks-galaxy-ngc-6946-what-make-this-galaxy-so-special/
- Шольберг К. 2012. Обнаружение сверхновых нейтрино. Препринт axRiv. Доступны на https://arxiv.org/pdf/1205.6003.pdf
- Харуси С Ал, и др. 2021. SNEWS 2.0: система раннего предупреждения о сверхновых звездах следующего поколения для астрономии с несколькими мессенджерами. Новый журнал физики, том 23, март 2021 г. 031201. DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/abde33
- Розвадовскааб К., Виссаниаб Ф. и Каппелларок Э., 2021. О скорости коллапса ядра сверхновых в Млечном пути. New Astronomy Volume 83, февраль 2021 г., 101498. DOI: https://doi.org/10.1016/j.newast.2020.101498. Препринт axRiv доступен по адресу https://arxiv.org/pdf/2009.03438.pdf
- Мерфи, Коннектикут, и др. 2021. История свидетелей: распределение на небе, обнаруживаемость и частота появления сверхновых Млечного Пути невооруженным глазом. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, том 507, выпуск 1, октябрь 2021 г., страницы 927–943, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2182. Препринт axRiv доступен по адресу https://arxiv.org/pdf/2012.06552.pdf
