Настоящие космические чудовища — это звезды Вольфа-Райе, которые более чем в 20 раз массивнее Солнца и по крайней мере в пять раз горячее. Поскольку эти звезды относительно редки и часто не видны, ученые мало знают о том, как они образуются, живут и умирают.
Но это меняется благодаря инновационному исследованию неба, называемому промежуточным Palomar Transient Factory (iPTF), которое использует ресурсы Национального вычислительного центра энергетических исследований (NERSC) и сети энергетических наук (ESnet), расположенных в Департаменте США. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), чтобы выявить мимолетные космические явления, такие как сверхновые.
Впервые в истории ученые получили прямое подтверждение того, что звезда Вольфа-Райе, находящаяся на расстоянии 360 миллионов световых лет в созвездии Волопаса, погибла в результате сильного взрыва, известного как сверхновая типа IIb. Используя трубопровод iPTF, исследователи из Израильского института науки Вейцмана во главе с Авишаем Гал-Ямом поймали сверхновую SN 2013cu в течение нескольких часов после ее взрыва.
Затем они запустили наземные и космические телескопы, чтобы наблюдать за событием примерно через 5,7 часа 15 часов после его самоуничтожения. Эти наблюдения дают ценную информацию о жизни и смерти прародителя Вольфа-Райе.«Недавно разработанные наблюдательные возможности теперь позволяют нам изучать взрывающиеся звезды способами, о которых мы могли только мечтать раньше. Мы движемся к исследованиям сверхновых в реальном времени», — говорит Гал-Ям, астрофизик из отдела физики элементарных частиц и астрофизики Института Вейцмана. . Он также является ведущим автором недавно опубликованной статьи в журнале Nature об этом открытии.
«Это дымящийся пистолет. Впервые мы можем напрямую указать на наблюдение и сказать, что этот тип звезды Вольфа-Райе приводит к такому типу сверхновой типа IIb», — говорит Питер Ньюджент, возглавляющий Центр вычислительной космологии лаборатории Беркли. (C3) и возглавляет группу сотрудничества iPTF в Беркли.
«Когда я идентифицировал первый пример сверхновой типа IIb в 1987 году, мне приснилось, что когда-нибудь у нас будет прямое свидетельство того, какая звезда взорвалась. Приятно то, что теперь мы можем сказать, что звезды Вольфа-Райе ответственны, по крайней мере, в некоторых случаев », — говорит Алекс Филиппенко, профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли.
И Филиппенко, и Нугент также являются соавторами статьи в Nature.Неуловимые подписи, освещенные вспышкой светаНекоторые сверхмассивные звезды на последних этапах своей жизни становятся Вольфом-Райцем. Ученые находят эти звезды интересными, потому что они обогащают галактики тяжелыми химическими элементами, которые в конечном итоге становятся строительными блоками для планет и жизни.
«Мы постепенно определяем, какие звезды взрываются, почему и какие элементы они производят», — говорит Филиппенко. «Эти элементы имеют решающее значение для существования жизни. В самом реальном смысле, мы выясняем наше собственное звездное происхождение».Все звезды — независимо от размера — проводят свою жизнь, синтезируя атомы водорода для создания гелия.
Чем массивнее звезда, тем больше у нее гравитации, которая ускоряет синтез в ядре звезды, генерируя энергию для противодействия гравитационному коллапсу. Когда водород истощается, сверхмассивная звезда продолжает синтезировать даже более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород, неон, натрий, магний и так далее, пока ее ядро ??не превратится в железо. В этот момент атомы (даже субатомные частицы) упакованы так плотно, что синтез больше не выделяет энергию в звезду.
Теперь это поддерживается исключительно давлением вырождения электронов — квантово-механическим законом, который запрещает двум электронам занимать одно и то же квантовое состояние.Когда ядро ??достаточно массивное, даже электронное вырождение не поддерживает звезду, и она коллапсирует.
Протоны и электроны в ядре сливаются, высвобождая огромное количество энергии и нейтрино. Это, в свою очередь, вызывает ударную волну, которая прорывается сквозь звезду, выбрасывая ее останки в космос, когда она превращается в сверхновую.Фаза Вольфа-Райе наступает перед сверхновой.
По мере того как ядерный синтез замедляется, тяжелые элементы, выкованные в ядре звезды, поднимаются на поверхность, вызывая мощные ветры. Эти ветры выбрасывают в космос огромное количество материала и закрывают звезду от посторонних телескопов на Земле.«Когда звезда Вольфа-Райе становится сверхновой, взрыв обычно захватывает звездный ветер, и вся информация о звезде-прародителе исчезает», — говорит Ньюджент. «Нам повезло с SN 2013cu — мы поймали сверхновую до того, как она догнала ветер. Вскоре после того, как звезда взорвалась, она испустила ультрафиолетовую вспышку от ударной волны, которая нагрелась и осветила ветер.
Условия, которые мы наблюдали на этом снимке момент были очень похожи на то, что было до сверхновой ».До того, как обломки сверхновой захватили ветер, команде iPTF удалось зафиксировать ее химические световые сигнатуры (или спектры) с помощью наземного телескопа Кека на Гавайях и увидеть характерные признаки звезды Вольфа-Райе. Когда группа iPTF провела последующие наблюдения 15 часов спустя с помощью спутника НАСА Swift, сверхновая все еще была довольно горячей и сильно излучала в ультрафиолете.
В последующие дни сотрудники iPTF собрали телескопы по всему миру, чтобы наблюдать, как сверхновая врезается в материал, ранее выброшенный звездой. Шли дни, и исследователи смогли классифицировать SN 2013cu как сверхновую типа IIb из-за слабых водородных сигнатур и сильных гелиевых характеристик в спектрах, которые появились после охлаждения сверхновой.
«С помощью серии наблюдений, включая данные, которые я получил с помощью телескопа Keck-I через 6,5 дней после взрыва, мы смогли увидеть, что расширяющиеся обломки сверхновой быстро обогнали ионизированный вспышкой ветер, который выявил особенности Вольфа-Райе. достаточно ранняя сверхновая — это сложно — нужно быть в курсе событий, как наша команда », — говорит Филиппенко.«Это открытие было совершенно шокирующим, оно открывает для нас совершенно новую область исследований», — говорит Наджент. «С нашими самыми большими телескопами у вас может быть шанс получить спектр звезды Вольфа-Райе в ближайших к нашему Млечному Пути галактиках, возможно, в 4 миллионах световых лет от нас. SN 2013cu находится от нас на 360 миллионов световых лет, то есть дальше почти в несколько раз. из 100 ».И поскольку исследователи рано поймали сверхновую — когда ультрафиолетовая вспышка осветила звездный ветер прародителя — они смогли получить несколько спектров. «В идеале мы хотели бы делать это снова и снова и получать некоторые интересные статистические данные, не только для сверхновых с предшественниками Вольфа-Райе, но и для других типов», — говорит Наджент.
Модернизация трубопровода ведет к неожиданным открытиямС февраля 2014 года обзор iPTF сканирует небо каждую ночь с помощью телескопа-робота, установленного на 48-дюймовом телескопе Самуэля Ошина в обсерватории Паломар в Южной Калифорнии. После проведения наблюдений данные перемещаются на расстояние более 400 миль в NERSC в Окленде через сеть высокопроизводительных беспроводных исследований и образования Национального научного фонда и сеть ESnet Министерства энергетики.
В NERSC конвейер обнаружения переходных процессов в реальном времени анализирует данные, определяет события, за которыми необходимо следить, и отправляет оповещения ученым iPTF по всему миру.Обзор был основан на наследии Паломарской фабрики переходных процессов (PTF), разработанной в 2008 году для систематического построения карт переходного неба с использованием той же камеры в Паломарской обсерватории. В прошлом году Наджент и его коллеги из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли внесли значительные изменения в конвейер обнаружения переходных процессов для проекта iPTF.
Работая с сотрудниками NERSC, Ньюджент модернизировал вычислительное оборудование и оборудование для хранения данных. Команда iPTF также улучшила алгоритмы машинного обучения, лежащие в основе конвейера обнаружения, и включила каталоги звезд и галактик Sloan Digital Star Survey III, чтобы конвейер мог немедленно отклонять известные переменные звезды.Они даже добавили в автоматизированный рабочий процесс функцию отклонения астероидов, которая вычисляет орбиту каждого известного астероида в начале ночи, определяет, где находятся астероиды на отдельном изображении, а затем отклоняет их.
«Все наши модификации значительно ускорили наше обнаружение переходных процессов в реальном времени; теперь мы отправляем высококачественные оповещения о сверхновых астрономам по всему миру менее чем за 40 минут после получения изображения в Паломаре», — говорит Ньюджент. «В случае с SN 2013cu все изменилось».