С увеличаването на мощността на новите телескопи по света те биха могли да отговорят на древна мистерия: какво задвижва най-енергичните експлозии във Вселената?
На тридесет светлинни години експлодира звезда. В продължение на няколко месеца тя свети 10 000 пъти по-ярко от пълната Луна. Толкова е ярко, че през деня изглежда така, сякаш към Слънцето се е присъединило друго слънце, което изпомпва една стотна повече топлина и светлина.
Добрата новина е, че можете да спите спокойно тази вечер, защото този сценарий няма да се случи. Животът на Земята е в безопасност от подобно събитие. Свръхсветещите свръхнови – до 100 пъти по-мощни от всяка известна досега звездна експлозия – са не само много редки, но изглежда, че детонират в галактики, доста различни от нашите.
През 1931 г. Фриц Цвики и Уолтър Бааде, работещи в Калифорнийския технологичен институт в Пасадена, правят удивително твърдение за експлодиращи звезди или „нови звезди“. Тяхната работа се основава на откритие, направено осем години по-рано от Едуин Хъбъл, който използва най-големия тогава телескоп в света (2,5-метровия телескоп Хукър на планината Уилсън, който гледа към Калтех), за да покаже, че мистериозните спирални мъглявини всъщност са галактики – големи острови от звезди, отделени от Млечния път и отдалечени на милиони светлинни години.
Цвики и Бааде забелязаха, че понякога такива галактики са домакини на звездни експлозии, способни да засенчат 100 милиарда нормални звезди. Знаейки, че подобни експлозии са много по-далеч от тези в нашата Галактика, двамата астрономи заключиха, че те принадлежат към нов клас, който те нарекоха „свръхнови“, около 10 милиона пъти по-ярки от стандартните нови.
Какво е свръхсветлинна свръхнова?
Последният скок в светимостта не е толкова голям, колкото фактор от 10 милиона, но все пак е впечатляващ. Свръхсветещата свръхнова е около 10 пъти по-ярка от свръхнова от тип Ia, която се задвижва от разтърсваща звезда експлозия на бяло джудже – компактен звезден остатък с размерите на Земята – който е бил залят от материя от придружаваща звезда. И е около 100 пъти по-мощна от свръхнова тип II, другият основен тип свръхнова, която се захранва от имплозията на ядрото на масивна звезда в края на нейния живот.
Първата свръхсветлинна свръхнова беше открита през 2005 г. и те бяха широко признати като отделен клас звездна експлозия през 2011 г., главно от работата на проф. Робърт Куимби от Държавния университет в Сан Диего.
Тяхното съществуване се превърна в голям шок за астрономическата общност. „Мислехме, че сме открили всички класове експлодиращи звезди“, казва д-р Мат Никъл от университета в Бирмингам. „Как, за бога, пропуснахме най-ярките?“
Една от причините свръхсветещите свръхнови да останат незабелязани до 21-ви век е, че те са изключително редки и представляват само около една на всеки 10 000 свръхнови. Другата причина е, че търсенето на супернови с телескопи обикновено се концентрира върху големи галактики, като астрономите – съвсем разбираемо – смятат, че колкото повече звезди има в една галактика, толкова по-голям е шансът една да стане супернова.
Природата обаче имаше други идеи: тя постави свръхсветещи свръхнови в галактики джуджета. „Само с появата на роботизираните телескопи с широки зрителни полета галактиките джуджета бяха уловени в нашата мрежа“, обяснява Никол. „След като това започна да се случва, забелязахме свръхсветещи свръхнови. Досега са открити около 100.“
Какво причинява свръхсветещи свръхнови?
Какви звезди детонират като такива космически мега-експлозии? Най-голямата улика идва от спектрите на експлозиите – начинът, по който светлината варира в зависимост от енергията или еквивалентната честота. Астрономите могат да видят спектралния отпечатък на тежки елементи като въглерод, кислород и неон, но не и на най-леките два елемента: водород и хелий. За да разберем какво означава това, е необходимо да разберем нещо за еволюцията на звездите.
Звезда като Слънцето слива ядрата или ядрата на водородните атоми, за да направи хелий, като страничният продукт е слънчевата светлина. Но в звезди, които са между 8 и 25 пъти по-масивни от Слънцето, условията в ядрото могат да станат достатъчно плътни и достатъчно горещи, за да слеят хелия във въглерод, въглерода в кислород, кислорода в неон и т.н. Потенциално такива реакции на синтез могат да продължат чак до желязото, в който момент те престават да генерират повече топлина (горещият газ на ядрото, който вече не е в състояние да спре гравитацията да го смачка, незабавно се взривява).
Резултатът е звезда със структура, подобна на лук: най-тежките елементи са в ядрото, като всеки следващ слой съдържа по-леки елементи, кулминирайки с хелий и накрая водород във външната мантия. „По някакъв начин звездите, които детонират като свръхсветещи супернови, са загубили този водород и хелий“, казва Никъл.
Очевидният начин една звезда да бъде лишена от външната си мантия от водород и хелий е чрез звезден вятър, подобен на, но много по-мощен от слънчевия вятър със скорост 1 000 000 мили в час, който духа от Слънцето.
Проблемът е, че звездните ветрове са по-силни в звезди, които имат малко тежки елементи, смесени с тяхната водородна и хелиева мантия. И все пак галактиките с ниска маса, в които се намират предшествениците на свръхсветлинни свръхнови, имат дефицит на такива елементи. Това основно се дължи на факта, че слабата гравитация на галактиките не е успяла да се задържи на никакви тежки елементи, изковани в по-ранни поколения звезди и изстреляни в космоса от обикновена свръхнова.
Друг начин една звезда да бъде лишена от мантията си от водород и хелий е, ако е в близка двойна звездна система и гравитацията на масивна звезда-спътник я е съблекла. „Това изглежда най-вероятната възможност“, казва Никол.
Откъде идва силата?
Въпросът за $64 000 разбира се е: какво захранва тези мега звездни експлозии? Очевидна възможност е, че те са просто подобрени версии на стандартни свръхнови, чийто източник на енергия в крайна сметка е гравитационната енергия.
За да разберете гравитационната енергия, помислете за падаща плоча от покрив на земята. Гравитационната потенциална енергия на плочата (енергията, която има поради височината си в гравитационното поле на Земята) се преобразува в енергиите на движение, звук и топлина. По същия начин, когато ядрото на една звезда експлозира, това е като падане на безброй квадрилиони плочи и води до огромно количество гравитационна енергия, която се превръща в огромно количество топлина. По ирония на съдбата именно имплозията предизвиква експлозията!
В свръхсветлинна свръхнова спектърът разкрива, че се изхвърля между 5 и 20 слънчеви маси кислород. За сравнение, две до четири слънчеви маси кислород се изхвърлят в свръхнова тип Ic, която се появява в стандартна звезда, лишена от водород и хелий.
Изводът е, че звездите са само няколко пъти по-големи от звездите, отговорни за нормалните свръхнови, и така че една стандартна експлозия е малко вероятно да ги направи 10 пъти по-ярки.
Ключът защо свръхсветещите свръхнови не са просто добавени версии на стандартните свръхнови е, че нормалната супернова остава ярка около месец, защото се захранва от радиоактивния разпад на никел-56 и кобалт-56, изкован в яростта на първоначална експлозия. „Въпреки това, нещо като 20 слънчеви маси от такива елементи са необходими, за да захранят свръхсветещи свръхнови“, казва Никъл. „Въпреки че виждаме около 20 слънчеви маси кислород, не виждаме еквивалентно количество никел и кобалт.“
Друг възможен механизъм за свръхсветеща свръхнова включва взривната вълна, разширяваща се в пространството с около 10 000 километра в секунда, удряйки се в бавно движеща се околозвездна обвивка от материя, изхвърлена от звездата известно време преди експлозията. Бързото забавяне на взривната вълна би затоплило изхвърлянето много ефективно, преобразувайки енергията му на движение в огромни количества топлина и светлина.
„Проблемът е, че не виждаме никакви доказателства за бавно движещи се неща в спектрите на свръхсветещи свръхнови“, казва Никол.
Това оставя окончателен кандидат за двигателя на свръхсветеща свръхнова. Когато ядрото се свие, крайната точка е много компактен обект, като например неутронна звезда. Такъв обект, с маса, сравнима със Слънцето, но с размерите само на връх Еверест, би се очаквало да се върти бързо поради същата причина, поради която пързаляч на лед, който дърпа ръцете си, се върти по-бързо: запазване на ъгловия момент. Всъщност такъв обект може да се върти толкова бързо, колкото 1000 пъти в секунда!
„Такъв необикновен маховик има повече от достатъчно ротационна енергия, за да зареди свръхсветеща супернова, ако има някакъв начин тази енергия да се прехвърли навън“, казва Никъл. „За щастие, има.“
Когато ядрото на една звезда се разпадне катастрофално, всяко магнитно поле, което звездата притежава, е изключително концентрирано и усилено. Неутронната звезда може да се окаже с удивително магнитно поле – тези неутронни звезди са известни като „магнетари“. Магнитното поле на такъв магнетар може да бъде в диапазона от 1012 (един трилион) до 1015 (1000 трилиона) гауса (единица, която измерва магнитните полета). За сравнение, дори минималното поле е 100 милиарда пъти по-силно от магнит за хладилник.
Проблемът е, че колкото по-голямо е магнитното поле, толкова повече то взаимодейства с околния материал и толкова по-бързо това взаимодействие „спира“ въртенето на магнетара. „За да се запази яркостта на свръхнова за наблюдавания месец или повече, е необходимо по-ниско магнитно поле“, казва Никъл. „Има сладко място при около 1013 до 1014 гауса.“
Точният механизъм, чрез който магнетарът доставя енергия на материала, изхвърлен от звездата, все още не е известен. Но Никол казва, че има начин да се докаже или отхвърли идеята за магнитар като централен двигател. Неговото магнитно поле е толкова силно, че ще предизвика електрон-позитронни двойки от заобикалящия вакуум и тяхното последващо унищожаване трябва да създаде отличителен скок от високоенергийна светлина или гама лъчи. „Спадането на гама лъчите трябва точно да проследява въртенето надолу на магнетара“, казва Никъл.
„Мисля, че магнетарният модел е най-добрият фаворит за захранване на повечето свръхсветещи свръхнови“, казва Куимби. „Някои свръхнови бележат раждането на неутронни звезди и извличането на само малка част от енергията от такива зверове трябва да е достатъчно, за да произведе някои забележителни фойерверки.“
Но не всички са съгласни, че магнетарите са двигателите на свръхсветещите свръхнови. „Подпочитам механизъм, при който изхвърлянето на енергийна свръхнова се сблъсква с масивна околозвездна материя и кинетичната енергия на свръхновата се преобразува ефективно в радиация“, казва д-р Такаши Мория от Националната астрономическа обсерватория на Япония. Но той признава: „Възможно е да няма нито един механизъм, който да прави суперновите изключително ярки.“
Търсене на свръхсветещи свръхнови
Въпреки че отне почти две десетилетия, за да се намерят първите 100 свръхсветещи свръхнови, скоростта на откриване скоро ще бъде увеличена от обсерваторията Vera C Rubin, когато тя започне да работи в Чили през октомври 2023 г. Телескопът ще наблюдава цялото небе, нощ след нощ. „Тази способност напълно ще трансформира полето“, казва Никол. „Вместо 100 за 15 години, очакваме да откриваме 1000 свръхсветещи свръхнови всяка година!“
Още по-апетитна перспектива ще бъде предоставена от космическия телескоп Джеймс Уеб на НАСА, наследник на Хъбъл. Със своето 6,5-метрово огледало (4,5 пъти повече от събирателната площ на Хъбъл), той ще може да открива свръхсветещи свръхнови на по-големи разстояния, което поради крайната скорост на светлината означава в по-ранни космически времена.
В зората на Вселената е имало много повече галактики джуджета, отколкото сега, защото не са имали време да се слеят, за да образуват гигантските галактики, като Млечния път, които виждаме днес. Те също бяха изчерпани от тежки елементи, защото звездите не са имали време след Големия взрив да ги синтезират. И има теоретични причини да се смята, че първото поколение звезди, които са се образували след Големия взрив, са били чудовища – вероятно повече от 100 слънчеви маси. „Свръхсветещите свръхнови може лесно да са били по-често срещани в началото на времето“, казва Никъл.
Това повдига интересна възможност. Желязото в кръвта ви, калцият в костите ви, кислородът, който изпълва дробовете ви всеки път, когато си поемете дъх… всичко това е изковано в звезди, които са живели и умрели, разбивайки се на пух и прах, преди да се родят Земята и Слънцето. Може би свръхсветлинната свръхнова е допринесла за значителна част от тежките елементи във Вселената. В този случай може да не е необходимо да търсите надалеч, за да видите плодовете на свръхсветещите свръхнови. Просто вдигнете ръката си!
Първите експлодиращи звезди са регистрирани от китайски астрономи преди около 2000 години. Но едва през 1931 г. астрономите осъзнаха, че има клас супер-експлозии и едва през 2005 г. клас супер-супер експлозии. Очевидният въпрос е: има ли още по-големи звездни експлозии, които досега сме пропускали? „Не бих заложил срещу това“, казва Никол.
„Свръхсветещите свръхнови може да маркират границата на това, което е възможно за свръхновите – поне локално“, казва Куимби. „Големите изключения са хипотетичните супернови с двойна нестабилност, за които се смята, че съществуват само в ранната Вселена.“
В свръхнова с двойна нестабилност, която се очаква да възникне в звезда с между 130 и 250 слънчеви маси, вътрешността става толкова гореща, че гама лъчите вътре предизвикват съществуването на двойки електрон-позитрон. Те намаляват топлинното налягане, противопоставящо се на гравитацията
опитвайки се да смаже ядрото, предизвиквайки катастрофален колапс и титанична експлозия, която разнася звездата на пух и прах.
Свръхнова с двойна нестабилност би светила 100 пъти по-ярко дори от супернова със свръхсветлина. Такива свръхнови могат да бъдат открити от космическия телескоп Джеймс Уеб. „Като ловец на екзотични експлозии“, казва Куимби, „харесва ми да мисля, че има още изненади, които да намеря във Вселената.“
