|
Умирающие звёзды помогут разгадать великие тайны
|
|
|
|
Когда-то считавшиеся «приглашённой звездой» в древнем Китае, внушавшие ужас как предвестники дурных предзнаменований в средневековой Европе и запечатлённые в повествованиях и произведениях искусства коренных народов, эти космические зрелища теперь известны как сверхновые, вызванные коллапсом ядра.
|
|
|
|
Термин «нова», происходящий от латыни, означает «новый», но сверхновая, вызванная коллапсом ядра, — это отнюдь не начало. Она знаменует собой смерть массивной звезды — звезды, масса которой более чем в восемь раз превышает массу Солнца.
|
|
|
|
Сверхновые, вызванные коллапсом ядра, относятся к числу самых мощных и энергетически насыщенных процессов, когда-либо существовавших, что делает их естественными лабораториями для изучения поведения материи и гравитации в экстремальных условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.
|
|
|
|
Эти невероятные взрывы, длящиеся всего несколько секунд, высвобождают огромное количество энергии.
|
|
|
|
Достаточно энергии, чтобы создать почти все элементы периодической таблицы.
|
|
|
|
Говоря более поэтично, наука, изучающая сверхновые с коллапсом ядра, может содержать подробности нашего космического происхождения.
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы раскрыть эти секреты, нам нужно ответить на важнейшие вопросы: что происходит до взрыва? И что вообще запускает этот взрыв?
|
|
|
|
Электромагнитные наблюдения дают ценную информацию о физических процессах, происходящих во время и после взрыва, но они дают неполную картину.
|
|
|
|
Нам нужны другие способы получения этой информации. Ответ (мы надеемся) — гравитационные волны.
|
|
|
|
Хотя гравитационные волны не являются чем-то новым, мы еще не регистрировали их от сверхновых с коллапсом ядра, и эти волны могут содержать критически важную информацию для завершения этой картины.
|
|
|
|
Поэтому наши инструменты должны быть готовы расшифровать эту информацию, когда она появится. И именно это является целью нашего последнего исследования.
|
|
Жизненный цикл массивной звезды
|
|
|
|
Невооруженным глазом звезды могут казаться постоянными светящимися точками на ночном небе, но они не светят вечно.
|
|
|
|
Свет звёзд возникает в результате слияния атомов в их ядрах, в результате чего образуются более тяжёлые элементы, но топливо ограничено и в конечном итоге исчерпается.
|
|
|
|
Когда это происходит, внешнее давление, удерживающее звезду — энергия ядерного синтеза — прекращается, и вещество начинает падать внутрь под действием собственной гравитации звезды.
|
|
|
|
Для звёзд, по меньшей мере в восемь раз превышающих размер нашего Солнца, огромное количество падающего вещества не может сжиматься бесконечно, поэтому в ядре образуется плотная протонейтронная звезда.
|
|
|
|
Когда внешние слои сталкиваются с этим невероятно плотным ядром, они отскакивают, генерируя ударную волну, достаточно мощную, чтобы разорвать звезду на части в результате катастрофического взрыва.
|
|
|
|
Этот процесс известен как сверхновая с коллапсом ядра.
|
|
|
|
Железо — самый тяжёлый элемент, который может образоваться за время жизни звезды, но мы до сих пор не знаем, откуда берутся другие тяжёлые элементы в периодической таблице.
|
|
|
|
Именно поэтому сверхновые с коллапсом ядра так важны.
|
|
|
|
Огромное количество энергии, высвобождаемой при гибели массивных звёзд, достаточно для создания элементов, из которых состоит почти всё и все, кого мы знаем и любим сегодня.
|
|
|
|
Как однажды сказал сэр Мартин Рис, известный космолог и астрофизик: «Мы буквально — пепел давно умерших звёзд, или, если говорить менее романтично, — ядерные отходы от топлива, которое когда-то заставляло звёзды сиять».
|
|
|
|
Сегодня мы используем множество средств для регистрации взрывающихся звёзд, но человеческие цивилизации наблюдают за ними уже более тысячелетия.
|
|
|
|
В прошлом столетии технологические достижения в области наземных и космических телескопов позволили астрономам ежедневно наблюдать сверхновые с коллапсом ядра в галактиках ближних и дальних, во всём электромагнитном спектре.
|
|
|
|
Сверхновые с коллапсом ядра чаще всего наблюдаются посредством электромагнитного излучения, но это излучение легко поглощается и рассеивается такими веществами, как пыль и газ.
|
|
|
|
Оно проходит через слои звёздного вещества и на большие космические расстояния, поэтому к тому времени, как оно достигает нас на Земле, мы теряем много информации.
|
|
|
|
В 1987 году астрономы наблюдали знаковую сверхновую с коллапсом ядра (SN 1987A) в небольшой галактике-компаньоне Млечного Пути.
|
|
|
|
Впервые электромагнитные наблюдения сопровождались обнаружением нейтрино — почти безмассовых элементарных частиц, — что подтверждало предсказания о том, что нейтрино обильно образуются во время сверхновой с коллапсом ядра.
|
|
|
|
В 2015 году детекторы Лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США зафиксировали слияние двух черных дыр посредством крошечных ряби в ткани пространства-времени: гравитационных волн.
|
|
|
|
Вместе эти события ознаменовали начало многоканальной астрономии.
|
|
|
|
И гравитационные волны, и нейтрино обладают особым преимуществом в многоканальной астрономии. Они движутся практически беспрепятственно в пространстве-времени и несут ценную информацию от источника излучения.
|
|
|
|
Эти сигналы открывают новое окно для наблюдений во Вселенной, позволяя изучать скрытые астрофизические источники и их недра, которые ранее были недоступны для электромагнитных наблюдений.
|
|
|
|
Вместе они содержат ключ к решению давних вопросов, касающихся сверхновых, возникающих в результате коллапса ядра.
|
|
В ожидании гравитационных волн
|
|
|
|
Теория и моделирование предсказывают, что сверхновые, возникающие в результате коллапса ядра, излучают гравитационные волны.
|
|
|
|
Однако, несмотря на десятилетие поисков и обнаружение 390 сигналов гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд, коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA не обнаружила ни одного сигнала от сверхновых, возникающих в результате коллапса ядра.
|
|
|
|
Это связано с тем, что гравитационные волны от слияний намного громче, поэтому эти сигналы обнаруживаются даже тогда, когда их источник находится на расстоянии миллиардов световых лет.
|
|
|
|
В отличие от этого, при чувствительности современных детекторов гравитационные волны от сверхновых, возникающих в результате коллапса ядра, могут быть обнаружены только в том случае, если они происходят внутри нашей собственной галактики.
|
|
|
|
На основе прошлых наблюдений и научных оценок мы ожидаем примерно одну сверхновую в столетие в нашей галактике. Последняя сверхновая, наблюдавшаяся в Млечном пути и известная как сверхновая Кеплера, произошла в 1604 году.
|
|
|
|
По этим оценкам, технически мы опоздали более чем на три столетия.
|
|
|
|
Но эта неопределенность имеет важное значение — следующая сверхновая может произойти в любой момент, и ученые должны быть к этому готовы.
|
|
|
|
Подготовка к следующей галактической сверхновой
|
|
|
|
В Мельбурнском университете исследователи, связанные с Центром передового опыта Австралийского исследовательского совета по изучению гравитационных волн (OzGrav), занимаются разгадыванием тайн Вселенной с помощью гравитационных волн.
|
|
|
|
В преддверии следующей галактической сверхновой наше недавнее исследование, проведенное совместно с Варшавским университетом, Университетом Флориды и Технологическим институтом Джорджии, использовало существующие инструменты обнаружения для извлечения физической информации из гравитационных волн, производимых сверхновыми с коллапсом ядра.
|
|
|
|
Моделирование показывает, что физические процессы внутри сверхновой с коллапсом ядра могут быть охарактеризованы частотой гравитационных волн.
|
|
|
|
В частности, наличие или отсутствие низкочастотных (< 250 Гц) сигналов может свидетельствовать о существовании определенных процессов до взрыва, раскрывая ранее неизвестную информацию, которая поможет нам ответить на наши главные вопросы.
|
|
|
|
Наша группа использовала новый метод, сочетающий два ведущих аналитических инструмента — BayeWave и Coherent WaveBurst — для идентификации этого сигнала после обнаружения сигнала гравитационных волн.
|
|
|
|
Он демонстрирует успех в идентификации низкочастотных сигналов гравитационных волн, что является большим плюсом для решения вопроса о том, что запускает взрыв, сужая круг возможных задействованных механизмов.
|
|
|
|
Мы продолжаем сотрудничать с более широким физическим сообществом для совершенствования аналитических инструментов, чтобы обеспечить максимальную научную отдачу, если Вселенная подарит нам галактическую сверхновую с коллапсом ядра.
|
|
|
|
Если нам повезет и такое событие произойдет, нам нужно будет извлечь из него как можно больше информации, потому что кто знает, когда произойдет следующее.
|
|
|
|
Источник
|
