Одна на десять миллиардов бинарная звездная система — первая обнаруженная система-предшественница килоновой звезды

Здесь показан первый подтвержденный снимок звездной системы, в которой однажды образуется килоновая — сверхмощный взрыв с выделением золота, возникающий при слиянии нейтронных звезд. Эти системы настолько феноменально редки, что во всем Млечном Пути, как считается, существует всего около 10 таких систем. Credit: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani

Астрономы с помощью 1,5-метрового телескопа SMARTS открыли одну на десять миллиардов бинарную звездную систему.

Астрономы, использующие 1,5-метровый телескоп SMARTS в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили в рамках программы NOIRLab Национального научного фонда США, обнаружили первый пример феноменально редкого типа бинарной звездной системы, в которой есть все условия для возникновения килоновой — сверхмощного взрыва с выделением золота, возникающего при столкновении нейтронных звезд. Подобные системы настолько редки, что во всей Галактике Млечный Путь их насчитывается всего около 10. Результаты исследования опубликованы сегодня (1 февраля 2013 г.) в журнале Nature.

Эта необычная система, известная как CPD-29 2176, находится на расстоянии около 11 400 световых лет от Земли. Впервые она была обнаружена обсерваторией НАСА «Свифт» Нила Герелса. Позднее наблюдения с помощью 1,5-метрового телескопа SMARTS позволили астрономам определить орбитальные характеристики и типы звезд, входящих в эту систему: нейтронная звезда, образовавшаяся в результате сверхразрывной сверхновой, и тесно вращающаяся вокруг нее массивная звезда, которая сама находится в процессе превращения в сверхразрывную сверхновую.

Сверхновая со сверхразрывом — это окончательный взрыв массивной звезды, у которой звезда-компаньон снесла большую часть внешней атмосферы. Этот тип сверхновых не обладает взрывной силой традиционной сверхновой, которая в противном случае «вышвырнула» бы близкую звезду-компаньона из системы.

«Нейтронная звезда» должна была сформироваться без выброса своей спутницы из системы. Сверхновая со сверхразрывом — лучшее объяснение того, почему эти звезды-компаньоны находятся на такой тесной орбите», — говорит Ноэль Д. Ричардсон из Аэронавтического университета Эмбри-Риддла и ведущий автор статьи. «Чтобы однажды создать килоновую звезду, другая звезда также должна взорваться как сверхновая со сверхразрывом, и тогда две нейтронные звезды смогут столкнуться и слиться».

Данная инфографика иллюстрирует эволюцию звездной системы CPD-29 2176 — первого подтвержденного родоначальника килоновой. Стадия 1: две массивные голубые звезды образуют бинарную звездную систему. Стадия 2 — более крупная из двух звезд приближается к концу своей жизни. На третьей стадии меньшая из двух звезд высасывает материал из своего более зрелого компаньона, лишая его большей части внешней атмосферы. На четвертой стадии более крупная звезда образует ультрасверхновую — взрыв звезды в конце жизни с меньшим «толчком», чем у обычной сверхновой. На пятой стадии, наблюдаемой астрономами в настоящее время, нейтронная звезда, образовавшаяся в результате предыдущей сверхновой, начинает высасывать вещество из своего компаньона, превращаясь в бинарную пару. На седьмой стадии, когда звезда-компаньон теряет большую часть своей внешней атмосферы, также происходит ультрасверхновая. Эта стадия наступит примерно через один миллион лет. Стадия 7 — на месте двух массивных звезд остается пара нейтронных звезд, находящихся на близкой взаимной орбите. Стадия 8 — две нейтронные звезды по спирали движутся навстречу друг другу, отдавая свою орбитальную энергию в виде слабого гравитационного излучения. Стадия 9 — последняя стадия развития этой системы, когда обе нейтронные звезды сталкиваются, производя мощную килонью — космическую фабрику тяжелых элементов в нашей Вселенной. Credit: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Помимо того, что это открытие невероятно редкой космической диковинки, обнаружение и изучение систем-предшественников килоновых, подобных этой, может помочь астрономам разгадать тайну образования килоновых и пролить свет на происхождение самых тяжелых элементов во Вселенной.

«В течение довольно длительного времени астрономы строили догадки о том, какие именно условия могут привести к образованию килоновой звезды», — говорит астроном NOIRLab и соавтор исследования Андре-Николас Шене. «Эти новые результаты показывают, что, по крайней мере, в некоторых случаях две нейтронные звезды-близнецы могут сливаться, если одна из них образовалась без классического взрыва сверхновой».

Однако образование такой необычной системы — процесс длительный и маловероятный. «Мы знаем, что Млечный Путь содержит не менее 100 миллиардов звезд и, вероятно, сотни миллиардов других. Эта удивительная бинарная система, по сути, является одной на десять миллиардов», — говорит Чене. «До нашего исследования считалось, что в такой спиральной галактике, как Млечный Путь, должны существовать только одна или две подобные системы».

Хотя в этой системе есть все необходимое для образования килоновой звезды, изучать это событие предстоит будущим астрономам. Потребуется не менее миллиона лет, чтобы массивная звезда завершила свою жизнь в виде титанического взрыва сверхновой и оставила после себя вторую нейтронную звезду. Затем этот новый звездный остаток и уже существовавшая нейтронная звезда должны будут постепенно сблизиться в космическом балете, постепенно теряя свою орбитальную энергию в виде гравитационного излучения.

Когда они в конце концов сольются, произойдет взрыв килоновой, который породит гораздо более мощные гравитационные волны и оставит после себя большое количество тяжелых элементов, включая серебро и золото.

«Эта система показывает, что некоторые нейтронные звезды образуются лишь с небольшим толчком сверхновой», — заключил Ричардсон. «По мере изучения растущей популяции систем, подобных CPD-29 2176, мы сможем понять, насколько спокойной может быть смерть некоторых звезд и могут ли эти звезды умирать без традиционных сверхновых».

Справка: «Высокомассивная рентгеновская двойная, возникшая из сверхразрывной сверхновой» Ноэль Д. Ричардсон, Кларисса М. Павао, Ян Дж. Элдридж, Герберт Пабло, Андре-Николас Шене, Питер Высоки, Дуглас Р. Гис, Джордж Юнес и Джереми Хэйр, 1 февраля 2023 г., Nature . DOI: 10.1038/s41586-022-05618-9

В состав команды вошли Ноэль Д. Ричардсон (Аэронавигационный университет Эмбри-Риддла), Кларисса Павао (Аэронавигационный университет Эмбри-Риддла), Ян Дж. Элдридж (Оклендский университет), Герберт Пабло (Американская ассоциация наблюдателей переменных звезд), Андре-Николя Шене (лаборатория NOIRLab/обсерватория Gemini NSF), Питер Высоки (Университет штата Джорджия), Дуглас Р. Гис (Университет штата Джорджия), Жорж Юнес (Университет Джорджа Вашингтона) и Джереми Хэйр (Центр космических полетов имени Годдарда НАСА).

NOIRLab, центр наземной оптико-инфракрасной астрономии NSF, управляет Международной обсерваторией Джемини (объект NSF, NRC — Канада, ANID — Чили, MCTIC — Бразилия, MINCyT — Аргентина и KASI — Республика Корея), Национальной обсерваторией Китт-Пик (KPNO), Межамериканской обсерваторией Серро-Тололо (CTIO), Центром науки и данных сообщества (CSDC) и обсерваторией Веры С. Rubin Observatory (работает в сотрудничестве с Национальной ускорительной лабораторией SLAC Министерства энергетики США). Управление проектом осуществляется Ассоциацией университетов по исследованиям в области астрономии (AURA) в рамках соглашения о сотрудничестве с NSF, а штаб-квартира находится в Тусоне, штат Аризона. Астрономическое сообщество считает за честь возможность проводить астрономические исследования на Иолкам Ду’аг (пик Китт) в Аризоне, на Маунакеа на Гавайях, а также на Серро Тололо и Серро Пачон в Чили. Мы признаем очень важную культурную роль этих объектов для народа тохоно о’одхам, коренного населения Гавайских островов и местных жителей Чили, соответственно.