Міжнародна група астрофізиків, що має доступ до даних системи телескопів Pan-STARRS, виявила кількох незвичайних наднових, в 15 разів більш яскравих, ніж їх відомі аналоги.
Для початку про те, що таке Pan-STARRS: це обсерваторія, яка все ще будується на Гаваях. У кінцевому варіанті вона буде складатися з чотирьох телескопів, які повинні стежити за так званими транзієнтами, тобто неперіодичними змінними об'єктами, такими як спалахи наднових, гамма-сплески, метеорити, космічне сміття, комети. До речі, саме у зв'язку з кометою ви, швидше за все, вперше почули абревіатуру Pan-STARRS - це вона виявила комету C/2011 L4, яку можна було спостерігати неозброєним оком у березні 2013 року. Розміри головного дзеркала телескопа не вражають уяву - всього 1,8 метра, вона не входить навіть до двадцятки найбільших дзеркал телескопів. Але величезна матриця в 1,4 мільярда пікселів і вдале розташування - на вершині гори Мауна Кеа на Гаваях - дозволяють бачити об'єкти до 24,5 зоряної величини, тобто приблизно в 10 разів більш тьмяні, ніж можуть розрізнити існуючі ширококутні телескопи. Перший телескоп почав систематичні спостереження в травні 2010 року, другий телескоп вже готовий і проходить період налагодження. Загалом будівництво мало обійтися у 100 мільйонів доларів. І, незважаючи на участь у проекті таких великих організацій як Товариство Макса Планка, Гарварда, Тайванського університету, трьох британських університетів, зараз є деяка невизначеність з фінансуванням. Тож про будівництво третього і четвертого телескопів поки що навіть не оголошено. Але і один такий телескоп здатний видавати дані, що використовуються в роботах світового рівня.
Взагалі, найближчим часом можна очікувати вал статей на основі даних Pan-STARRS - всі зображення повинні викласти у відкритий доступ протягом місяця, так що прямо зараз в набір поспіхом здаються роботи тих наукових груп, що безпосередньо мали спостережний час на телескопі, щоб використовувати свій пріоритет доступу до даних. Ну а відразу після відкриття доступу повинна піти друга хвиля публікацій, де знімки Pan-STARRS будуть використані у всіх областях сучасної астрофізики - для уточнення орбіт малих космічних тіл, стеження за змінними зірками (в тому числі в інших галактиках) і далі, в область космології, з її проблемами розширення Всесвіту, темної матерії та уточнення космологічних параметрів.
Але повернімося до статті. Вона прийнята до публікації в один з найпрестижніших астрономічних журналів, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, і спирається на результати даних спостережень всього 70 квадратних градусів. Нагадаю, що повна площа неба 41253 квадратних градуси, а Pan-STARRS, що працює в повну силу, буде бачити дві третини неба. Використання такої невеликої ділянки неба зрозуміло зрозумілим бажанням «застовпити» тему - (ми пам'ятаємо, що зовсім скоро ці дані зможе завантажити собі на комп'ютер будь-який школяр), і телескоп підтвердив свої очікувані високі характеристики, виявивши на цій невеликій ділянці кілька сотень наднових за результатами першого ж року спостережень.
Історично наднові зірки, залежно від виду кривої блиску (тобто графіка залежності світності від часу) і спектральних ліній (які хімічні елементи викидаються вибухом у космос), діляться на два основних типи з різними варіаціями: Type I і Type II. Такий поділ було запропоновано Вальтером Бааде і Фріцем Цвікке в 1930-х роках, хоча зараз стало більш-менш зрозуміло, що він не дуже вдало - механізм утворення наднових типу Ib, Ic (читається «один б» і «один це») практично ідентичний надновим типу II, на відміну від наднових Ia, які, що утворюються абсолютно за схемою.
Наднові типи Ia утворюються в подвійних системах, де одна зірка - білий карлик, а інша - червоний гігант. Речовина перетікає з більш важкої зірки на білий карлик. Коли маса карлика перевищує межу Чандрасекара, тиск зірки не може протистояти збільшеній гравітації і вся зірка колапсує, вивільняючи величезну енергію, яку ми бачимо у вигляді яскравого спалаху, званого надновою. Межа Чандрасекара - 1,4 сонячних маси для зірок - дозволяє точно визначити енергію вибуху і використовувати такі наднові для визначення растоянь (див. врізку).
Наднові інших типів - це результат гравітаційного колапсу масивних зірок, які вичерпали свої запаси водню, гелію та інших легких елементів для підтримки реакції термоядерного синтезу в ядрі. Сила стиснення верхніх шарів під дією гравітації в зірці зазвичай компенсується тиском гарячої плазми в ядрі. Коли ядерні реакції припиняються, то баланс порушується і вже ніщо не стримує силу гравітації від руйнівного стискання зірки. Стискаючись, вона неймовірно розігрівається і врешті-решт руйнується, породжуючи вибух. Відмінності в протіканні цього вибуху у різних типів наднових пояснюються різними масами колапсуючих зірок. Тому у всіх наднових крім Ia розкид параметрів набагато вище, ніж у наднових.
У статті представлені дані спостережень рідкісного типу наднових - надяскравих наднових (superluminous supernovae або SLSN), що належать до класу Ic. Чим більше наднових типу SLSN виявлялося, тим ясніше ставало, що і вони бувають різними - крива блиску у ряду наднових спадає набагато повільніше. Причини такої різноманітності до кінця не вивчені. Власне, суперечки точаться і про механізм освіти SLSN загалом: початкова версія про те, що джерела такого вибуху - це надзвичайно масивні зірки, які вичерпали запаси палива для ядерних реакцій в ядрі, була поставлена під питання в 2013-му році, коли Козімо Інсерра припустив, що подібні наднові утворюються в результаті вибуху магнетара, на який падає речовина з менш масивної зірки-компаньйона. Магнетар - це нейтронна зірка, яка обертається з частотою кілька обертів на секунду і володіє одним з найсильніших магнітних полів серед відомих тіл у Всесвіті.
Яким би не був механізм утворення таких наднових (а є ще більш екзотичні версії, на зразок радіоактивного розпаду ізотопів нікелю або впливу ударної хвилі від вибуху звичайного наднового на дуже щільне міжзоряне середовище), спостереження за ними може призвести до надзвичайно корисних результатів. Згадаймо, що Нобелівська премія з фізики за 2011-й рік була вручена за виявлення прискореного розширення Всесвіту. Воно було виявлено при порівнянні кривих блиску наднових типу Ia. Дуже яскраві наднові (що видно вже з назви), що спостерігаються на ще більших червоних зміщеннях, а значить, якщо точно зрозуміти механізм такого вибуху, можна отримати більш точне уявлення про еволюцію Всесвіту.
У новій роботі допомогою методу Монте-Карло вчені отримали оцінку ймовірності освіти наднових типу SLSN-Ic. Виявилося, що такі події дуже рідкісні - один подібний спалах не менше ніж на десять тисяч звичайних наднових. І тільки справді гігантська енергія вибуху дозволяє нам їх спостерігати (1051 ерг, стільки енергії випромінює наше Сонце за 31 мільярд років, тобто ніколи). Послідовно видаляючи відомі типи наднових з повного списку, автори статті зупинилися на семи кандидатах у надяскраві наднові. Для цих семи об'єктів були отримані спектри на телескопі Вільяма Гершеля (чотириметровий телескоп на Канарських островах), обсерваторії Джеміні (два восьмиметрових телескопи, один у Чилі, інший на Гаваях), телескопі Магеллана (Чилі) і телескопі ММТ (Арізона, США). Спектральні дані дозволили надійно встановити не тільки тип наднових, а й відстань до них: найбільш далекі мають червоне зміщення z ауд 1.4. Для порівняння, половині нинішнього віку Всесвіту відповідає червоне зміщення z = 1.
Що ще зацікавило вчених у цих наднових? Під час дослідження з'ясувалося, що такі наднові найчастіше зустрічаються в старих і тьмяних галактиках (для низки наднових телескоп Pan-STARRS взагалі не зміг розрізнити батьківську галактику). Але ж це найяскравіші наднові у Всесвіті, чому вони з'являються в областях, спочатку не дуже багатих будівельними елементами зірок? Дивно, чи не так? Можливо, це пов'язано з металічністю (тобто кількістю елементів важче гелію) - більшість спалахів було виявлено в галактиках, бідних важкими елементами. Вчені давно знають про вплив цих елементів на формування зірок - навіть невеликої кількості вуглецю, кисню, кремнію, заліза та інших продуктів синтезу гелію вистачає для того, щоб поміняти популяцію зірок у галактиці (чим металійність вища, тим менш масивні зірки утворюються). Але як це впливає на ймовірність появи наднових типу SLSN-Ic? Це ще належить з'ясувати.