Звезда наизнанку
В отделе лазерного термоядерного синтеза Физического института РАН построена новая модель взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопея. Подобная модель в будущем позволит более глубоко понять физику взрыва термоядерных объектов. О научной загадке сверхновой звезды и своих исследованиях рассказал главный научный сотрудник ФИАН Владислав Борисович Розанов.
Анализируя спектры взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопея, полученные с помощью космического телескопа Чандра, американские ученые Уна Хванг и Мартин Ламинг получили результаты, которые поставили в тупик не только их, но и всех ученых, занимающихся подобными исследованиями: распределение элементов в спектре было совершенно необычным.
По своей природе сверхновая состоит из тяжелого “железного” ядра, более легкого слоя серы или кремния, слоя, состоящего из кислорода, неона, магния и легкой водородно-гелиевой оболочки. При взрыве легкие компоненты должны разлетаться быстрее, а тяжелые – медленнее, что подтверждается как снимками спектров других сверхновых, так и экспериментами со взрывами. Но снимки с телескопа Чандра имели нетривиальное распределение элементов (см. Рисунок 1): на периферии облака остатков сверхновой были обнаружены спектры элементов, расположенных вблизи ядра звезды (железо, сера, кремний).
Рисунок 1. Результаты распределения интенсивности излучения, относящегося к Fe, Si, S
(данные наблюдений с телескопа Чандра)
«После взрыва происходит разлет остатков сверхновой, при котором тяжелые элементы ядра должны оставаться внутри облака остатков. Снимки, полученные американскими учеными, демонстрируют картину, когда железо, кремний и сера оказываются на краю облака. Почему звезда "вывернулась на изнанку"? У моделей взрыва есть хорошее теоретическое обоснование. Те же законы должны работать и при разлете остатков сверхновых. А здесь… Мы начали искать теоретическое объяснение этой картины, размышлять. Из-за гравитации звезда – объект сферически симметричный, если это не двойная система и нет эффектов, связанных с вращением. Стандартное моделирование полностью подтверждает эту теорию, но проанализировав результаты, мы пришли к выводу, что данный взрыв, скорее всего, был несимметричным, что правда пока не имеет объяснения» – комментирует свою работу Владислав Борисович Розанов.
Для построения математической модели, описывающей подобную несимметричную картину взрыва, была выдвинута гипотеза о не симметричности ядра звезды перед взрывом. В свою очередь это становится возможным, если звезда перед взрывом имеет выраженные несимметричные элементы, либо если взрыв имеет несимметричный характер. По современным моделям железное ядро перед взрывом имеет размер R = 1000-2000 км и плотность ρ = 108 г/см3. Несимметрия слоев тяжелых элементов центральной части звезды перед взрывом, к примеру, возмущение железного ядра ΔR = 200 км качественно меняет картину разлета остатков вещества после взрыва по сравнению с симметричным случаем. Незначительное по космическим масштабам возмущение ΔR = 200 км создает в районе выемки область повышенного давления, где небольшая часть вещества летит с намного большей скоростью (см. Рисунок 2).
Рисунок 2. 2D-картина несимметричного разлета сверхновой звезды; представлены моменты времени 0, 5, 10 с соответственно: эволюция поля плотности. Сплошной линией выделена внешняя граница тяжелого вещества (железа) центральной области: Е = 1.7·1051 эрг, M = 5.85 Мs, ΔR = 200 км
(Е – энергия взрыва, M – масса звезды перед взрывом, Мs – масса Солнца).
«Мы стали думать, а что если внутри действительно не круглая гладкая система, а нечто, напоминающее кипящую воду в чайнике. Ведь вода в чайнике не имеет гладкой поверхности, она бурлит, кипит, пузыри всплывают. Предполагаемая начальная несимметрия приводит к совершенно другой картине взрыва. Ядро становится похожим на пушку, его распирает давление и оно выстреливает. Полученные данные нашего моделирования совпали с полученными снимками с телескопа. Возможно, данная модель поможет в прояснении проблемы эволюции звезды на пути к сверхновой» – комментирует В.Б. Розанов.
Подобная модель поведения звезды, состоящей по своей природе из плазмы, поможет также и в понимании состояния вещества при облучении мощным лазерным излучением для осуществления лазерного термоядерного синтеза. В перспективе ученые ФИАН предполагают возможность постановки эксперимента по воссозданию подобной несимметричной плазмы в лабораторных условиях. А это – новые результаты, гипотезы, открытия.
Б. Массалимов, АНИ «ФИАН-информ»
