Астрономы обнаружили уникальную сверхновую, обнажившую внутренности звезды

SN 2021yfj представляет собой новый тип сверхновой, бросающий вызов нашему пониманию звездной эволюции. Ее прародительница потеряла внешние оболочки задолго до взрыва сверхновой и состояла только из своего кислородно-кремниевого ядра — в отличие от любой известной звезды в Млечном Пути. Умирающая, «ободранная до костей» звезда пережила эпизоды экстремальной потери массы, которые привели к выбросу материала, богатого кремнием (серый), серой (желтый) и аргоном (фиолетовый). Автор: W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko

Международная команда ученых под руководством астрофизиков из Северо-Западного университета обнаружила никогда ранее не виданный тип взрывающейся звезды, или сверхновой, которая богата кремнием, серой и аргоном. Исследование под названием «Чрезвычайно обнаженная сверхновая раскрывает место образования кремния и серы» опубликовано в журнале Nature.

Когда массивные звезды взрываются, астрофизики обычно находят сильные следы легких элементов, таких как водород и гелий. Но у вновь обнаруженной сверхновой, получившей обозначение SN2021yfj, наблюдалась поразительно иная химическая сигнатура.

Астрономы давно предполагали, что массивные звезды имеют слоистую структуру, похожую на луковицу. Самые внешние слои в основном состоят из самых легких элементов. По мере продвижения к центру элементы становятся все тяжелее и тяжелее, пока не достигается самое внутреннее железное ядро.

Наблюдения за SN2021yfj позволяют предположить, что массивная звезда каким-то образом потеряла свои внешние слои водорода, гелия и углерода — обнажив внутренние слои, богатые кремнием и серой, — прежде чем взорваться. Это открытие предоставляет прямое доказательство давно теоретизированной внутренней слоистой структуры звездных гигантов и дает беспрецедентный взгляд в глубокие недра массивной звезды — за мгновения до ее взрывной смерти.

«Это первый раз, когда мы увидели звезду, которая была, по сути, ободрана до костей, — сказал Стив Шульце из Северо-Западного университета, руководивший исследованием. — Это показывает нам, как устроены звезды, и доказывает, что звезды могут потерять много материала перед взрывом. Они могут не только потерять свои внешние слои, но и быть полностью ободраны до самого конца и при этом произвести блестящий взрыв, который мы можем наблюдать с очень и очень далеких расстояний».

«Это событие буквально выглядит так, как никто и никогда раньше не видел, — добавил Адам Миллер из Северо-Западного университета, старший автор исследования. — Оно было настолько странным, что мы подумали, что, возможно, наблюдали не тот объект. Эта звезда говорит нам о том, что наши идеи и теории о том, как эволюционируют звезды, слишком узки. Дело не в том, что наши учебники неверны, но они явно не полностью охватывают все, что производит природа. Должны существовать более экзотические пути для массивной звезды закончить свою жизнь, о которых мы не задумывались».

Шульце, эксперт по самым экстремальным транзиентным объектам в астрономии, является научным сотрудником Центра междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике (CIERA) Северо-Западного университета. Миллер — доцент кафедры физики и астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и ведущий член CIERA и Института искусственного интеллекта NSF-Simons для неба.

Горячая, горящая луковица

Массивные звезды, вес которых в 10–100 раз превышает вес нашего Солнца, питаются за счет ядерного синтеза. В этом процессе интенсивное давление и экстремальная жара в звездном ядре заставляют легкие элементы сливаться вместе, создавая более тяжелые элементы. Когда температура и плотность увеличиваются в ядре, горение начинается во внешних слоях.

По мере эволюции звезды со временем в ядре последовательно сгорают все более тяжелые элементы, в то время как легкие элементы горят в серии оболочек, окружающих ядро. Этот процесс продолжается, в конечном итоге приводя к железному ядру. Когда железное ядро коллапсирует, это вызывает сверхновую или образует черную дыру.

Хотя массивные звезды обычно сбрасывают слои перед взрывом, SN2021yfj выбросила гораздо больше материала, чем ученые когда-либо обнаруживали ранее. Другие наблюдения «ободранных звезд» выявили слои гелия или углерода и кислорода — обнажившиеся после потери внешней водородной оболочки. Но астрофизики никогда не заглядывали глубже этого — намекая на то, что должно происходить что-то чрезвычайно жестокое и необычное.

Охота за космической странностью

Шульце и его команда обнаружили SN2021yfj в сентябре 2021 года, используя доступ Северо-Западного университета к Zwicky Transient Facility (ZTF). Расположенный к востоку от Сан-Диего, ZTF использует широкоугольную камеру для сканирования всего видимого ночного неба. С момента своего запуска ZTF стал основным двигателем открытий астрономических транзиентов — мимолетных явлений, таких как сверхновые, которые внезапно вспыхивают и затем быстро угасают.

Просматривая данные ZTF, Шульце заметил чрезвычайно яркий объект в области звездообразования, расположенной в 2,2 миллиарда световых лет от Земли.

Чтобы получить больше информации о загадочном объекте, команда хотела получить его спектр, который разбивает рассеянный свет на составляющие цвета. Каждый цвет представляет собой другой элемент. Таким образом, анализируя спектр сверхновой, ученые могут выяснить, какие элементы присутствуют во взрыве.

Хотя Шульце немедленно бросился в погоню, его поиск спектра зашел в несколько тупиков. Телескопы по всему миру либо были недоступны, либо не могли видеть сквозь облака, чтобы получить четкое изображение. К счастью, команда получила неожиданный подарок от коллеги-астронома, который собрал спектр с помощью инструментов обсерватории W.M. Keck на Гавайях.

«Мы думали, что полностью упустили возможность получить эти наблюдения, — сказал Миллер. — Поэтому мы легли спать разочарованными. Но на следующее утро коллега из UC Berkeley неожиданно предоставил спектр. Без этого спектра мы, возможно, никогда бы не осознали, что это был странный и необычный взрыв».

«Мы увидели интересный взрыв, но понятия не имели, что это такое, — сказал Шульце о SN2021yfj. — Почти мгновенно мы поняли, что это нечто, чего мы никогда раньше не видели, поэтому нам нужно было изучить это всеми доступными ресурсами».

«Должно было случиться что-то очень жестокое»

Вместо типичных гелия, углерода, азота и кислорода, обнаруживаемых в других обнаженных сверхновых, спектр был dominated сильными сигналами кремния, серы и аргона. Эти более тяжелые элементы производятся ядерным синтезом в глубоких недрах массивной звезды на последних стадиях ее жизни.

«Эта звезда потеряла большую часть материала, который она произвела за всю свою жизнь, — сказал Шульце. — Поэтому мы могли видеть только материал, сформированный в течение месяцев, непосредственно предшествовавших ее взрыву. Должно было случиться что-то очень жестокое, чтобы вызвать это».

Хотя точная причина этого явления остается открытым вопросом, Шульце и Миллер предполагают, что здесь сыграл редкий и мощный процесс. Они исследуют несколько сценариев, включая взаимодействие с потенциальной звездой-компаньоном, массивное извержение перед сверхновой или даже необычно сильные звездные ветры.

Но, скорее всего, команда полагает, что эта загадочная сверхновая является результатом того, что массивная звезда буквально разрывает себя на части. По мере того как ядро звезды сжимается внутрь под действием собственной гравитации, оно становится еще горячее и плотнее.

Экстремальная жара и плотность затем снова запускают ядерный синтез с такой невероятной интенсивностью, что это вызывает мощный выброс энергии, который отталкивает внешние слои звезды. Каждый раз, когда звезда переживает новый эпизод парной нестабильности, соответствующий импульс сбрасывает больше материала.

«Одно из самых последних выбросов оболочки столкнулось с уже существующей оболочкой, что и произвело блестящее свечение, которое мы видели как SN2021yfj», — сказал Шульце.

«Хотя у нас есть теория о том, как природа создала этот конкретный взрыв, — сказал Миллер, — я бы не стал ставить на это свою жизнь, потому что у нас все еще есть только один обнаруженный пример. Эта звезда действительно подчеркивает необходимость обнаружить больше этих редких сверхновых, чтобы лучше понять их природу и то, как они формируются».

Больше информации: Extremely stripped supernova reveals a silicon and sulfur formation site, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09375-3

Источник: Northwestern University