В созвездии Персея скрывается одна из крупнейших структур во Вселенной — одноименное скопление галактик. Оно объединяет больше тысячи галактик, погруженных в раскаленный газ, который светится в рентгеновском диапазоне. Этот газ работает как космический дневник: в его составе записаны химические «отпечатки» миллиардов взрывов сверхновых, происходивших на протяжении миллиардов лет. Долгое время астрономы не могли объяснить, почему соотношение элементов в этой среде не совпадает с предсказаниями старых теоретических моделей. Новая серия исследований наконец закрыла эту брешь, предложив обновленные расчеты эволюции массивных звезд и их гибели.
Неожиданные данные рентгеновских наблюдений
Поворотным моментом стали замеры, сделанные космическим телескопом «Хитоми». Прибор зафиксировал концентрацию кремния, серы, аргона и кальция во внутрископной среде, которая сильно отличалась от ожидаемой. Согласно устоявшимся представлениям, эти элементы выбрасываются в космос при гибели звезд, чья масса как минимум в десять раз превышает солнечную. Наблюдения показали, что реальные цифры не укладываются в эти рамки, значит, базовые модели звездной эволюции требуют серьезной переработки.
Международная группа исследователей, в которую вошли ученые из Университета Токио, Института Кавли и Нидерландского института космических исследований, взялась за пересмотр расчетов. Они сосредоточились на химическом составе скопления Персея, который был измерен «Хитоми», и опубликовали серию работ в журнале «Астрофизический журнал».
- кремний;
- сера;
- аргон;
- кальций.
Новые модели массивных звезд и их гибели
Первым этапом работы ученые создали обновленные модели массивных звезд, которые наконец-то совпали с наблюдаемыми концентрациями кремния, серы, аргона и кальция в скоплении Персея. Ранее эти показатели считались аномальными, теперь же они вписались в логику эволюции светил.
Затем команда расширила исследование, составив каталог моделей звезд с массой от 15 до 60 солнечных. Для каждого варианта учитывалась металличность — начальный химический состав светила, который зависит от его возраста. Чем старше звезда, тем меньше тяжелых элементов в ее составе на момент рождения. Пропустив этот каталог через систему расчетов галактической химической эволюции, исследователи восстановили историю скопления Персея длиной более 10 миллиардов лет.
- разработка новых моделей массивных звезд, соответствующих замерам «Хитоми»;
- создание каталога моделей с разной массой и металличностью для реконструкции истории скопления;
- моделирование асимметричных взрывов сверхновых в форме биполярных струй.
Эти расчеты позволили проследить, как взрывы сверхновых на протяжении миллиардов лет меняли химический облик скопления. Ранее такие реконструкции были приблизительными, теперь же они опираются на гораздо более точные базовые модели.
Роль асимметричных взрывов в формировании цинка
Третья работа серии посвящена экстремальному сценарию гибели массивных звезд. Если светило быстро вращается, при взрыве сверхновой образуется быстро вращающаяся черная дыра или нейтронная звезда. Вокруг компактного остатка формируется аккреционный диск, который подвергается магниторотационной неустойчивости — это запускает мощную джет-струю, бьющую в оставшуюся оболочку звезды.
Команда провела многомерные симуляции, чтобы проследить, как струя провоцирует взрыв. Главным открытием стало то, что такие события производят аномально много цинка. По мнению ученых, высокая концентрация этого элемента в скоплениях галактик может служить маркером того, сколько подобных экстремальных взрывов происходило в ранней Вселенной.
Аномально высокая концентрация цинка в составе внутрископной среды — прямое свидетельство того, что в ранней Вселенной происходило много асимметричных взрывов сверхновых с биполярными струями.
Ранее такие сценарии почти не учитывались в моделях химической эволюции, так как считались слишком редкими. Новые данные показывают, что их вклад в формирование химического облика скоплений может быть гораздо значительнее, чем предполагали астрономы.
Что ученые планируют исследовать дальше
Сейчас команда продолжает работу, чтобы понять, как новые модели влияют на расчеты химической эволюции Млечного Пути. Это позволит уточнить статистику взрывов сверхновых и состав звездного населения нашей галактики на разных этапах ее истории.
Отдельный интерес представляют предстоящие данные рентгеновских наблюдений различных скоплений галактик. Ученые надеются, что новые замеры подтвердят выводы, сделанные на примере скопления Персея, и позволят уточнить модели для других космических структур.
- уточнение истории химической эволюции Млечного Пути;
- анализ новых данных рентгеновских наблюдений других скоплений;
- проверка моделей на более широком наборе космических объектов.
Обновленные модели уже помогли закрыть давнюю загадку скопления Персея, но их значение выходит далеко за пределы одной структуры. Точные расчеты эволюции массивных звезд и их взрывов позволят астрономам лучше понимать, как формировались галактики и их скопления на протяжении всей истории Вселенной. Каждый новый замер химического состава космического газа теперь будет опираться на более надежную теоретическую базу, что сократит число аномалий, которые раньше казались необъяснимыми.
