Наша Вселенная полна сюрпризов. Последняя AT2018cow вызвала споры между астрономами.
Вселенная постоянно меняется, особенно если смотреть на нее в достаточно длительных временных масштабах. Хотя многие объекты в ночном небе кажутся неподвижными, со временем все меняется. Звезды рождаются и умирают; галактики формируются и сливаются; Вселенная расширяется. Даже в масштабах человеческого времени многие объекты различаются по яркости, вспыхивают или подвергаются катастрофическому взаимодействию.
Самые большие и самые быстрые изменения известны как переходные процессы: объекты, которые появляются или становятся ярче, казалось бы, из ниоткуда, часто во много миллиардов раз. В 2018 году астрономы определили новый тип переходного процесса с необычайно странными характеристиками: AT2018cow, обнаруженный телескопами Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS). Этот роботизированный обзор, предназначенный для мониторинга неба на предмет потенциальных объектов столкновения с Землей, обнаружил то, чего человечество никогда раньше не видело.
16 июня 2018 года астрономы увидели, как объект в относительно близкой галактике, находящейся всего в 200 миллионах световых лет от нас, стал невероятно ярким, чего никогда раньше не видели. Галактика CGCG 137-068, слабая спиральная галактика с перемычкой в центре, содержала временный объект, который вспыхнул примерно на полпути к краю галактики и появился вдоль одного из спиральных рукавов.
Но она была такой же яркой, как 100 миллиардов солнц, что делало ее как минимум в 10 раз ярче обычной сверхновой. Материя, покидающая окрестности, двигалась быстрее, чем материя даже в случае сверхновой: около 10% скорости света. Он достиг своего пика яркости за меньшее время - всего за 2 дня - чем другие подобные события. И не только он был окружен чрезвычайно плотным материалом, но и оставался активным примерно 2 недели. Как первый объект в своем роде, он стал предметом пристального внимания астрономов.
Практически все подозревали, что это какая-то сверхновая. Но чрезвычайная яркость AT2018cow, сопровождаемая беспрецедентно быстрым временем нарастания, бросила ученых в водоворот споров. Когда традиционное объяснение заурядной сверхновой потерпело неудачу, астрономы начали корректировать свои модели, пытаясь объяснить ее природу. Когда мы вступаем в 2019 год, у нас теперь есть ведущая модель и конкурирующая альтернатива:
- Основная модель: сверхновая с коллапсом ядра, создающая энергичную струю и с активным остатком.
- Конкурирующая альтернатива: событие приливного разрушения (TDE), вызванное взаимодействием белого карлика с черной дырой.
По мере того, как мы становимся более искусными в освещении всего неба почти непрерывно, становится все более и более важным пытаться понять, как ведут себя даже причудливые, изменчивые объекты.
Существует большая сеть телескопов по всему миру, которые наблюдают за переходными процессами: РОСТ (Глобальная ретрансляция обсерваторий, наблюдающих за переходными процессами). Этот глобальный массив телескопов позволяет астрономам после идентификации переходного объекта собирать непрерывные наблюдения на нескольких длинах волн без перерыва. Поскольку оно такое близкое и такое яркое, мы смогли собрать больше данных об этом событии, чем о других ярких транзиентах, которые были дальше.
По словам ученого Дэниела Перли, «что бы это ни было, AT2018cow, вероятно, связано с «быстрыми синими оптическими переходными процессами» от Pan-STARRS, Kepler и других миссий». Но это все еще загадка.
Эти спектральные данные показали присутствие только двух элементов: водорода и гелия. Отсутствие спектральных признаков других элементов в значительном изобилии достаточно, чтобы исключить сверхновую с разорванной оболочкой, когда внешние слои звезды откачиваются до коллапса ядра.
После того как он достиг максимальной яркости, он оставался ярким в течение долгого времени и остается синим (и, следовательно, горячим) даже сегодня. Неспособность транзиента остыть делает его крайне странным.
И, наконец, есть периодические всплески и подъемы общего количества света от этого переходного процесса, указывающие на то, что в центре есть компактный объект, который ведет себя как двигатель.
Но ключ к разгадке этой загадки находится не в оптической части спектра, а в рентгеновском диапазоне, любезно предоставленном спутником НАСА Swift.
Начиная с 19 июня, всего через 3 дня после обнаружения коровы AT2018, Свифт наблюдал и получал как ультрафиолетовые, так и рентгеновские данные этого объекта. Выяснилось, что он был очень синего цвета: ярче в ультрафиолетовом, чем в оптическом, и даже ярче в рентгеновском. Что еще более важно, были получены спектральные данные, обнаружившие наблюдательный сюрприз: рентгеновский спектр был полон всплесков.
В сочетании с оптическими спектрами, которые подтверждают сверхновую с полным коллапсом ядра, эти рентгеновские всплески указывают на конкретный сценарий, который мог их генерировать: взаимодействие между выбросом сверхновой и материал вокруг звезды. Низкоэнергетическое рентгеновское излучение оставалось постоянным, а всплеск более высокоэнергетического рентгеновского излучения соответствовал еще одному сюрпризу: присутствию железа. Железо является ключевым элементом в сверхновых с коллапсом ядра, поэтому эта теория является ведущей из теорий его происхождения.
Но альтернативный сценарий TDE все еще жизнеспособен. Если белый карлик - «звездный труп солнцеподобной звезды» - пройдет слишком близко к очень концентрированному объекту, такому как черная дыра, вся его структура может быть нарушена. Это может привести к впечатляющему просветлению, экстремальному высвобождению энергии и неконтролируемой реакции синтеза. Этот сценарий, изложенный в статье 2018 года, был представлен ученым Эми Лиен на январском собрании Американского астрономического общества в Сиэтле.
Сценарий TDE имеет одно большое преимущество перед сценарием коллапса сверхновой: он может объяснить устойчивый синий цвет коровы AT2018, даже когда она остыла. TDE, как правило, не остывают очень быстро, и постоянный синий цвет, демонстрирующий ограниченное охлаждение, очень хорошо соответствует этому объяснению.
Как сказал Лиен на той встрече,
Мы думаем, что приливное разрушение вызвало быструю, действительно необычную вспышку света в начале события и лучше всего объясняет многоволновые наблюдения Свифта, когда оно исчезло в течение следующих нескольких месяцев.
Но на этом плюсы заканчиваются. Остальные пункты в сценарии TDE представляют огромные трудности.
Во-первых, это должен быть белый карлик с чрезвычайно малой массой: 0,4 массы Солнца или меньше. Единственный способ создать такого белого карлика - иметь двойного компаньона, откачивающего внешние слои звезды, оставляя только гелий, который конденсируется в коллапсирующем объекте. Но ни один компаньон не был нарушен или даже каким-либо образом обнаружен.
Но также присутствовал водород, что указывает на то, что это должен быть еще более редкий белый карлик: гелиевый карлик с водородной оболочкой. Лишь некоторые из них когда-либо были обнаружены.
Тот факт, что событие произошло примерно в 5 500 световых годах от галактического центра, также является необычным и указывает на то, что оно должно быть разрушено черной дырой промежуточной массы, такой как те, что теоретически находиться в центрах шаровых скоплений.
И, наконец, единственные известные TDE, которые вообще содержат железо, необходимое для рентгеновских спектров, должны происходить из аккрецированного материала от других тел. Железо как в теории, так и на практике нельзя отделить от других элементов, но в спектрах AT2018cow были видны только водород и гелий.
Но AT2018cow наблюдалась не только в оптической части спектра и при более высоких энергиях, но и при более низких энергиях. Используя радиоволновые наблюдения в миллиметровой части спектра, ученые увидели резкое увеличение потока, исходящего от этого переходного процесса. Самое главное, не было ни одного затухающего высвобождения энергии, но были замечены множественные всплески и скачки, указывающие на непрерывное производство энергии.
Единственный способ обеспечить устойчивое производство энергии - это иметь двигатель, приводящий в действие событие. Это могут сделать нейтронная звезда или черная дыра, а они образуются в результате коллапса ядра сверхновых; однако TDE не может. На самом энергетическом конце рентгеновского спектра мы также видели всплеск (в форме горба в спектре) энергичных фотонов, которые часто встречаются вокруг черных дыр. Эту особенность было бы намного сложнее объяснить с помощью TDE.
Если основной сценарий верен, то астрономы впервые стали свидетелями рождения звездного двигателя в результате взрыва сверхновой ранее существовавшей звезды. Хотя остатки таких событий коллапса ядра, такие как нейтронные звезды и черные дыры, были замечены раньше, нам никогда не удавалось обнаружить их присутствие по самому событию сверхновой. Событие AT2018cow, если оно возникло в результате взрыва сверхновой, может стать первым случаем, когда мы добились такого обнаружения.
Тем не менее, не все убеждены в объяснении сверхновой. Хотя его сторонники находятся в меньшинстве, и для достижения этого требуется довольно надуманный сценарий, события приливного разрушения реальны, и правильная конфигурация может создать нечто очень похожее на необычную сверхновую с коллапсом ядра в коконе. Как всегда, потребуется больше таких событий, наблюдаемых с высокой точностью, чтобы понять, что на самом деле происходит в нашей Вселенной.