Астрофизики Томас Моррис (Thomas Morris) и Филипп Подcядловский (Philipp Podsiadlowski) из Оксфордского университета (Великобритания) построили трехмерную численную модель, объясняющую свойства тройной системы колец в остатке сверхновой 1987А тем, что взорвавшаяся звезда некогда образовалась в результате слияния компонент двойной системы.

23 февраля 1987 года Земли достиг свет от вспышки сверхновой в Большом Магеллановом облаке, получившей название «сверхновая 1987A» (или SN 1987A — от supernova, SN). Конечно, сама вспышка произошла примерно за 160–170 тысяч лет до этого — именно столько времени нужно, чтобы свет преодолел расстояние, разделяющее нас и карликовый спутник нашей Галактики, но мы, скорее по привычке, будем говорить о «вспышке 1987 года».

Это была первая сверхновая со времен Кеплера в 1604 году, видимая невооруженным глазом (SN 1604 — последняя сверхновая, зафиксированная в нашей Галактике). Наблюдения позволили получить массу информации о сверхновой 1987A, что дало возможность существенно продвинуться в понимании физики взрывов звезд. Благодаря близости Большого Магелланова облака впервые удалось обнаружить на архивных снимках предсверхновую, то есть взорвавшуюся звезду — ею оказался голубой сверхгигант Sanduleak –69°202, описанный в 1969 году румыно-американским астрономом Ником Сандуляком. (Заодно было опровергнуто предположение о том, что все сверхновые образуются из красных сверхгигантов.)

Кроме того, в 1987 году работали нейтринные детекторы, поэтому впервые ученые смогли зарегистрировать нейтринный сигнал от взрыва (за 3 часа до того, как свет от вспышки достиг Земли, сразу несколько нейтринных обсерваторий зафиксировали значительное превышение нейтринного фона). Но и это еще не всё. В течение 20 лет, прошедших с момента взрыва (еще раз подчеркну условность этой фразы), ученые следят за эволюцией остатка сверхновой. Всем известны красивейшие изображения этого объекта. Особенно поражает тройная система колец, высветившихся в остатке сверхновой (к тому же совершенно случайно на остаток спроецировались две звездочки, превратившие два кольца в перстни с бриллиантами). Как же эти кольца образовались?

Чтобы понять структуру колец SN 1987A, нужно мысленно воспроизвести ее трехмерное изображение. Представьте себе песочные часы (на самом деле, аналогия с песочными часами неполна, поскольку не хватает стенок часов). Меньшее, более яркое кольцо в центре соответствует «талии» часов. А два больших кольца сверху и снизу расположены на расстоянии примерно 0,4 парсека (примерно 1,3 светового года) от плоскости внутреннего кольца. Все кольца находятся примерно на одной оси.

Кольца не были выброшены при взрыве сверхновой, иначе они должны были бы мгновенно появиться на расстоянии в несколько световых месяцев. (Расстояние внешних колец от места взрыва составляет более светового года, а внутреннего — чуть более светового полугода, и кинематика колец известна.) Значит, они существовали и до вспышки. Просто взрыв «подсветил» их. Телескоп «Хаббл», запущенный в апреле 1990 года, «увидел» внутреннее кольцо вокруг взорвавшейся сверхновой уже 23-24 августа 1990 года. Два внешних, менее ярких, кольца впервые были обнаружены на снимках «Хаббла» в 1994 году.

Необычные свойства самой сверхновой (химические аномалии) вкупе с данными по звезде-прародительнице давно наводили ученых на мысль о том, что голубой сверхгигант Sk –69°202 был образован в результате слияния двух массивных звезд. Но доказать это очень непросто. Возможно, успешное объяснение свойств колец с помощью трехмерного моделирования отчасти послужит таким доказательством.

В течение своей жизни звезды активно теряют вещество. Всем известны красивейшие планетарные туманности, имеющие порой весьма причудливую форму. Все эти чудеса природы образуются из-за истечений звездного вещества, которые могут происходить в несколько этапов, причем потоки могут быть сферически несимметричными. Не являются исключением и герои нашего рассказа — кольца SN 1987A.

Истечение вещества от предсверхновой и стало причиной появления как внутреннего, так и обоих внешних колец. За прошедшие 20 лет строилось множество моделей, пытавшихся объяснить происхождение колец. Однако они не учитывали особенности распределения вещества вокруг звезды перед взрывом. Вероятно, поэтому ни одна модель не могла объяснить весь набор наблюдаемых параметров. Моррису и Подсядловскому, похоже, это удалось.

В модели Морриса и Подсядловского, которую мы будем обсуждать, более мощное излучение соответствует большей плотности газа. Появление этих уплотнений авторы модели связывают с тем, что предсверхновая появилась как результат слияния двух звезд. В модели рассматривается двойная система, состоящая из звезд с массами примерно 15 и 5 солнечных. Более массивная звезда эволюционирует быстрее. Водород в ядре выгорает, и она уходит с главной последовательности (см. Диаграмма Герцшпрунга—Рассела). Затем звезда расширяется, и начинается перенос вещества с одного компонента двойной системы на другой.

Перенос масс в такой системе неустойчив: вторая звезда не может «усвоить» все падающее на нее вещество, поскольку темп переноса слишком велик, и оно «переливается через край». Формируется так называемая «общая оболочка» — то есть двойная система оказывается погруженной в облако газа. В такой ситуации компоненты двойной начинают сближаться, поскольку угловой момент уносится из системы вместе с веществом оболочки. Часть вещества общей оболочки выбрасывается. Наконец, звезды сливаются.

Сразу после слияния должно образоваться нечто «большое и рыхлое». Это красный сверхгигант — звезда с относительно холодными (а потому красными) внешними слоями и гигантским радиусом, который составляет около 1500 солнечных. Основная масса звезды (12 из 20 солнечных масс) сосредоточена в гигантской разреженной оболочке. После слияния образовавшаяся звезда быстро вращается (конечно, быстро лишь для своего гигантского размера). Поэтому форма ее не сферическая. Часть вещества оттекает, унося избыточный угловой момент. Звезда меняет свой облик. Она сжимается, и через 1000 лет после слияния возникает голубой гигант (голубой цвет связан с высокой температурой во внешних слоях). Он гораздо компактнее и легче, чем красный сверхгигант. Ведь несколько солнечных масс может быть потеряно звездой за счет оттекающего вещества.

В процессе слияния и сброса части общей оболочки — то есть еще до появления голубого гиганта — уже образовались «зародыши» внутреннего и внешних колец. Голубой гигант начинает испускать мощный звездный ветер, гораздо более быстрый, чем ветер красного гиганта. Вещество ветра сталкивается с веществом сброшенной оболочки (рис. 3 панель d). Области высокой плотности выносятся ветром голубого гиганта на большее расстояние. Так образуются внешние кольца. Внутреннее кольцо приобретает свой окончательный облик благодаря взаимодействию ветра голубого гиганта с веществом, вытекшим ранее в экваториальной плоскости.

На рис. 4 показано распределение вещества через 20 000 лет после слияния (что соответствует моменту взрыва). Черными точками показано вещество ветра, цветом — вещество туманности. На рисунке изображена только половина системы, вторая симметрична ей. Чтобы представить всю систему, зеркально отразите рисунок относительно оси Z. Звезда находится в точке (0,0). Всё готово к взрыву.

Теперь, чтобы получить изображение, необходимо только «подсветить» полученную структуру взрывом сверхновой и выбрать правильный ракурс. Ведь, хотя уплотнения вокруг предсверхновой существовали и до взрыва, увидеть с Земли их было невозможно. Вспышка сверхновой за счет мощного ультрафиолетового излучения приводит к ионизации вещества этих уплотнений. Именно так появляются яркие кольца.

Сравнение результата моделирования с фотографией системы колец говорит о том, что авторы справились со своей задачей. Кроме объяснения внешнего вида всей системы им удалось также описать кинематические свойства колец. А это уже серьезные аргументы в пользу того, что рассмотренная модель верна. И значит, сверхновая 1987А обязана своими удивительными свойствами слиянию двух звезд.

Источник: T. Morris, Ph. Podsiadlowski. The Triple-Ring Nebula around SN 1987A: Fingerprint of a Binary Merger // astro-ph/0704317.
Взято с: http://elementy.ru/news/430478