Тільки подвійні зірки можуть створювати взаємодіючі наднові
Дослідження показує, що наднові, які світять довше, можуть виникати внаслідок взаємодії подвійних зірок, які створюють кокон навколозіркового матеріалу.
Наднові вибухи відбуваються, коли масивні зірки досягають кінця свого життя. Сила їхнього злиття більше не може підтримувати масу проти гравітації, внаслідок чого зірка колапсує та вибухає. Ці катастрофічні вибухи здатні освітлювати небо протягом кількох місяців.
Але деякі наднові залишаються яскравими значно довше, ніж кілька місяців. Деякі з них світять роками, оскільки їхня розширюючася енергія та уламки стикаються з щільними газовими хмарами, які оточують зірку. Ці наднові називають взаємодіючими, і їхня поведінка суттєво залежить від природи газової хмари, відомої як навколозірковий матеріал (CSM). Проте походження CSM залишалося загадкою для астрофізиків протягом багатьох років.
Нове дослідження, опубліковане в "The Astrophysical Journal Letters", може дати відповідь на це питання. Стаття під назвою "Взаємодіючі подвійні зірки як попередники взаємодіючих наднових" має автором Сунг-Хана Цая, який представляє Інститут астрономії та астрофізики Академії Сініка в Тайвані.
Більшість зірок існують у подвійних системах, а не в одиночному стані, як наше Сонце. Тому зрозуміло, що багато зірок, які вибухають як наднові, мають подібних партнерів. Це є основою цього дослідження.
"Щільні, компактні навколозіркові середовища (CSM) необхідні для потужних взаємодіючих наднових (SNe), і хоча їхнє фізичне походження залишається невизначеним", — зазначається в статті. У цій роботі дослідники провели систематичне дослідження різних моделей еволюції подвійних зірок, щоб зрозуміти, як виникає щільний і компактний CSM. Це дозволило створити сітку різних моделей еволюції подвійних зірок.
Вони виявили, що масовий обмін між зірками є відповідальним за це. Зокрема, мова йде про тип обміну, відомий як масовий обмін типу C.
Перед тим, як масивна зірка вибухне як наднова, вона спочатку розширюється до величезного розміру. Коли це відбувається, матеріал з її зовнішніх шарів переповнює її Рошеву область і витікає на супутню зірку. Але не весь газ залишаєтья. Частина втікає і формує кокон CSM, який оточує обидві зірки. "Масовий обмін типу C — що розпочинається після запалення гелію в ядрі — природно виробляє щільний, близький CSM, що спостерігається в взаємодіючих подіях", — пишуть дослідники.
Тисячі років після викиду матеріалу, який створює CSM, масивна зірка вибухає. Ударна хвиля від вибуху рухається назовні зі швидкістю тисячі кілометрів на секунду. Вона стикається з коконом CSM, перетворюючи кінетичну енергію на світло. Це і є причиною взаємодіючих наднових, деякі з найбільш яскравих наднових, які можливі.
Час є ключовим фактором. Масовий обмін може відбуватися набагато раніше в житті масивної зірки, коли вона наближається до свого кінця, і може переповнити кокон, що оточує обидві зірки, так само, як і масовий обмін типу C. Але якщо зірка не вибухне в наднову достатньо швидко після обміну, протягом кількох тисяч років, CSM віддалиться занадто далеко, і така ж розширена яскравість не відбудеться.
"Ми виявили, що подвійні зірки можуть підготувати сцену для взаємодіючих наднових з вражаючим таймингом", — зазначив Цай. "Супутня зірка допомагає створити щільний кокон навколо вмираючої зірки безпосередньо перед вибухом, надаючи паливо, яке живить ці космічні феєрверки".
"У рамках сітки моделей подвійних зірок ми виявили, що донори масою 10–20 M⊙ у подвійних системах з відстанями приблизно 1000–2700 R⊙ зазнають пізнього переповнення Рошевої області протягом приблизно 103 років перед колапсом ядра, викидаючи приблизно 0.01–0.2 M⊙ і формуючи CSM, що простягається до ∼1016–1018 см", — пишуть автори.
Автори вважають, що ці взаємодіючі наднові з масовим обміном типу C не є особливо рідкісними. Вони можуть становити 13% наднових колапсу ядра (CCSNe).
Крім того, вони зазначають, що підмножина масових обмінів типу C узгоджується з спостереженнями відомих взаємодіючих наднових, таких як SN 2014C. Вибухи наднових формують елементи, які розпадаються в aftermath, створюючи яскравість, яка може зберігатися. Попередні дослідження SN 2014C припустили, що вона могла б виробляти 56Ni, який розпадався і створював її розширену яскравість, але інші дослідження дійшли висновку, що для цього потрібно було б виробити немислиму кількість 56Ni. Масовий обмін типу C є кращим поясненням.
"На відміну від ранніх взаємодій подвійних зірок або втрат маси одиночних зірок, масовий обмін типу C діє в правильний час і масштаб, щоб сформувати безпосереднє середовище перед надновою без необхідності в ad hoc механізмах вибуху", — пояснюють дослідники.
Проте залишаються деякі невизначеності. Конкретна геометрія та динаміка переповнення Рошевої області, разом із радіаційним охолодженням, впливають на те, наскільки щільним є CSM і як воно просторово розподілене. "Відтворення найбільш компактних конфігурацій CSM, що спостерігаються в деяких подіях, ймовірно, вимагатиме, щоб масовий обмін відбувався ще ближче до колапсу ядра або більш ефективного обмеження викиду", — пишуть автори.
Але навіть без заповнення всіх прогалин, ця робота досягає чіткого висновку щодо взаємодіючих наднових.
"Наші результати вказують на пізню взаємодію подвійників як на надійний і фізично обґрунтований канал для виробництва щільного CSM, що живить взаємодіючі SNe", — підсумовують автори.
