Только двойные звезды могут создавать взаимодействующие сверхновые

Сверхновые взрывы происходят, когда массивные звезды достигают конца своей жизни. Сила их термоядерного синтеза больше не может поддерживать массу против силы притяжения, и звезда коллапсирует, взрываясь. Эти катастрофические взрывы могут освещать небо на протяжении нескольких месяцев.

Однако некоторые сверхновые светят гораздо дольше, чем несколько месяцев. Некоторые из них продолжают светиться в течение нескольких лет, поскольку их расширяющаяся энергия и обломки сталкиваются с облаками плотного газа, окружающими звезду. Эти явления называются взаимодействующими сверхновыми, и на их поведение значительно влияет природа облака газа, известного как окружное вещество (CSM). Тем не менее, происхождение CSM оставалось загадкой для астрофизиков в течение многих лет.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters, может помочь в решении этой загадки. Статья под названием "Взаимодействующие двойные звезды как предшественники взаимодействующих сверхновых" была написана Сунг-Ханом Цаем из Института астрономии и астрофизики Академии Синика в Тайване.

Большинство звезд находятся в двойных системах, а не одиночны, как наше Солнце. Поэтому логично предположить, что многие звезды, которые взрываются как сверхновые, имеют бинарных партнеров. Это и является основой данного исследования.

"Плотные, компактные окружные среды (CSM) необходимы для питания сильно взаимодействующих сверхновых (SNe), однако их физическое происхождение остается неопределенным," — утверждают авторы статьи. В своей работе исследователи провели систематическое изучение различных моделей эволюции двойных звезд, чтобы выяснить, как возникает плотный и компактный CSM. Это привело к созданию сетки различных моделей эволюции двойных звезд.

Они обнаружили, что именно передача массы между звездами играет ключевую роль. В частности, речь идет о типе передачи, называемом передачей массы типа Case C.

Перед тем как массивная звезда взорвется как сверхновая, она сначала разрастается до огромных размеров. Когда это происходит, материал из ее внешних слоев переполняет ее Рошеву оболочку и вытекает на звезду-компаньона. Однако не весь газ остается рядом. Часть его уходит и образует кокон CSM, окружающий обе звезды. "Передача массы типа Case C — инициированная после зажигания гелия в ядре — естественным образом создает плотный, близкий CSM, как это наблюдается в взаимодействующих событиях," — пишут исследователи.

Тысячи лет спустя, после того как материал выбрасывается и образует CSM, массивная звезда взрывается. Ударная волна от взрыва движется наружу со скоростью в тысячи километров в секунду. Она сталкивается с коконом CSM, преобразуя кинетическую энергию в свет. Это и есть причина появления взаимодействующих сверхновых, некоторых из самых ярких сверхновых.

Время имеет ключевое значение. Передача массы может происходить гораздо раньше в жизни массивной звезды, когда она приближается к своему концу, и может переполнять кокон, который окружает обе звезды, подобно передаче массы типа Case C. Однако если звезда не взрывается как сверхновая достаточно быстро после передачи, в течение нескольких тысяч лет, CSM уходит слишком далеко, и такая продолжительная яркость не наблюдается.

"Мы обнаружили, что двойные звезды могут подготовить сцену для взаимодействующих сверхновых сRemarkable timing," — говорит Цай. "Звезда-компаньон помогает создать плотный кокон вокруг умирающей звезды непосредственно перед взрывом, обеспечивая топливо, которое питает эти космические фейерверки."

"По всей сетке бинарных моделей мы обнаружили, что доноры массой 10–20 M⊙ в двойных системах с расстояниями ∼1000–2700 R⊙ проходят позднюю стадию переполнения Рошевой оболочки примерно за ∼103 года до коллапса ядра, выбрасывая ∼0.01–0.2 M⊙ и формируя CSM, простирающийся до ∼1016–1018 см," — пишут авторы.

Авторы утверждают, что эти взаимодействующие сверхновые с передачей массы типа Case C не являются особенно редкими. Они могут составлять 13% сверхновых коллапса ядра (CCSNe).

Также они отмечают, что подмножество передач типа Case C согласуется с наблюдениями известных взаимодействующих сверхновых, таких как SN 2014C. Взрывы сверхновых формируют элементы, которые распадаются в результате, создавая яркость, которая может сохраняться. Ранее исследования SN 2014C предполагали, что он произвел 56Ni, который распался и создал его продолжительную яркость, но другие исследования пришли к выводу, что для этого ему пришлось бы произвести невероятно большое количество 56Ni. Передача массы типа Case C является более подходящим объяснением.

"В отличие от ранних взаимодействий двойных звезд или потерь массы одиночных звезд, передача типа Case C работает в нужное время и масштабе, чтобы сформировать непосредственную предсуперновую среду, не требуя дополнительных механик," — объясняют исследователи.

Тем не менее, остаются некоторые неопределенности. Конкретная геометрия и динамика переполнения Рошевой оболочки, а также радиационное охлаждение влияют на плотность CSM и его пространственное распределение. "Воспроизведение самых компактных конфигураций CSM, выявленных в некоторых событиях, вероятно, требует передачи массы, происходящей еще ближе к коллапсу ядра, или более эффективного сдерживания выброса," — пишут авторы.

Но даже без заполнения всех пробелов, эта работа приходит к четкому выводу о взаимодействующих сверхновых.

"Наши результаты определяют взаимодействие на поздних стадиях двойных звезд как надежный и физически обоснованный канал для производства плотного CSM, который питает взаимодействующие сверхновые," — заключают авторы.