Как дрожащие джеты объясняют правильные формы остатков сверхновых
На границе созвездий Тельца и Возничего находится туманность Спагетти (S147), сформировавшаяся после взрыва сверхновой. Она привлекает внимание ученых необычной морфологией: светящимися в рентгене симметричными линиями, которые напоминают пару ушей или крылья бабочки. Этому феномену до сих пор не нашли точного объяснения.
Однако в 2025 году группа израильских ученых выпустила препринт статьи, принятой к публикации в The Astrophysical Journal, которая проливает свет на особенности S147 — для их объяснения астрофизики предлагают использовать механизм дрожащих джетов. Разбираемся, что нового он позволяет узнать о взрывах сверхновых.
Взрыв и его последствия
На конечной стадии эволюции звезды, если ее масса превышает примерно восемь масс Солнца, происходит мощный взрыв, и всего за несколько суток видимый блеск увеличивается во множество раз. Это событие называют вспышкой сверхновой. После катаклизма светимость постепенно уменьшается, а на месте взрыва образуется туманность и компактный объект — нейтронная звезда или черная дыра.
Какие бывают сверхновые? ↓
Изучение сверхновых — один из ключей к пониманию законов физики, происхождения звезд, Земли и человека. Тяжелые химические элементы, которые есть в каждом живом существе и неживом предмете на нашей планете, появляются в результате реакций в ядре предсверхновой и благодаря взрыву разносятся по Вселенной. Катаклизм ускоряет вещество звезды до одного процента скорости света — это около 3000 километров в секунду, — и оно летит, сгребая и нагревая межзвездный газ. Температура смеси из выброшенного и захваченного вещества при этом возрастает до миллионов кельвинов. Благодаря этому оно переходит в состояние плазмы и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.
Также сверхновые создают мощные ударные волны, которые сжимают облака межзвездного газа, что приводит к рождению новых звезд и появлению у них планетных систем. Благодаря механизму Ферми ударная волна работает как ускоритель частиц и порождает космические лучи. Выброшенное вещество двигается практически без потерь, пока масса сметенного не превысит массу вылетевшего. Этот этап, в ходе которого образуется остаток сверхновой, называют фазой Седова.
При этом туманности-остатки принимают различную форму, в частности точечно-симметричную. Это относительно частое явление: такую морфологию имеют, например, Кассиопея A, G1.9+0.3, 1987A и сверхновая в Парусах. Остатки сверхновых помогают ученым сформировать представление о том, как происходит взрыв звезды и какие процессы привели к тому, что наблюдается сейчас.
Модели взрывов и их несовершенства
Чаще всего для описания сверхновых с коллапсом ядра астрофизики используют так называемый нейтринный механизм взрыва. Согласно ему, центральная область предсверхновой теряет энергию на ядерные реакции с выделением нейтрино, которые стремятся от центра к внешним слоям звезды и нагревают их, провоцируя взрыв. При асимметричном излучении нейтрино новорожденная нейтронная звезда приобретает пространственную скорость до 1000 километров в секунду.
Механизм нейтринного нагрева успешно описывает процессы в большинстве известных сверхновых этого типа. Однако эта модель имеет особенности, которые не позволяют ей давать верные результаты в экстремальных случаях. Например, она слабо описывает приобретение взрывами энергий выше ~ 2 × 1051 эрг, массы никеля в остатках выше 0,1 массы Солнца и пространственные скорости пульсаров-остатков выше 1000 километров в секунду.
Дополнить нейтринную модель способна магнитовращательная. Она предполагает, что энергия вращения нейтронной звезды преобразуется в энергию взрыва с помощью магнитного поля. Если его начальная конфигурация близка к дипольной, вещество выбрасывается в виде пары джетов, сонаправленных с осью вращения ядра, а если конфигурация квадрупольная, то выброс происходит с экватора. Как в том, так и в другом случае магнитовращательный механизм успешно описывает энергии вспышек около 1052 эрг, массы никеля в диапазоне 0,1–1 массы Солнца и скорости выше 1000 километров в секунду. Приобретение нейтронной звездой-остатком пространственной скорости в этом случае объясняется асимметрией магнитного поля.
Впрочем, астрофизики из Израильского технологического института Технион Ноам Сокер, Дмитрий Шишкин и Иэлил Бер считают, что магнитовращательный механизм — это продолжение нейтринного на случаи с быстровращающимися ядрами. А проблемой обеих моделей они называют отсутствие объяснения именно точечной симметрии в остатках сверхновых. Яркий пример такой противоречивой точечно-симметричной туманности — это туманность Спагетти.
Необъяснимые спагетти
Туманность S147 (Симеиз 147) — одна из древнейших туманностей-остатков сверхновых в Млечном Пути. Второе название — Спагетти — она получила из-за множества светящихся в линии Hα хаотически перемешанных волокон. Излучение Hα находится в красной области видимой части спектра. Однако туманность сияет еще и в рентгене, и в X-лучах ее форма напоминает два уха или пару крыльев бабочки, что является точечно-симметричной картиной. При этом возраст S147 варьируется в пределах от 20 тысяч до 150 тысяч лет.
Опираясь на нейтринную модель, форму S147 в рентгене можно описать либо асимметричностью излучения нейтрино, либо механизмом нейтринного взрыва «внутри полости»: ударная волна сверхновой, изначально двигаясь в менее плотной среде, наталкивается на более плотную. Это может происходить, когда звездный ветер будущей сверхновой раздул пузырь вокруг своей звезды. Однако нейтринный механизм не объясняет появление точечной симметрии у туманностей-остатков.
Астрофизики Ноам Сокер и Дмитрий Шишкин в статье, опубликованной в марте 2025 года, на примере сверхновой в Парусах продемонстрировали, что пузырь звездного ветра может, напротив, даже нарушать точечную симметрию. В более позднем препринте, опубликованном в 2025 году и посвященном туманности Спагетти, они предложили собственное объяснение появления точечно-симметричной морфологии: ее истинным источником ученые считают механизм дрожащих джетов.
Почему они дрожат
Около будущей нейтронной звезды образуются аккреционные диски — скопления падающего на центральный объект вещества, состоящего из плазмы (ионизированного газа). При падении вещество диска закручивается вокруг центрального объекта, а движущиеся электрически заряженные частицы создают магнитное поле. Оно также закручивается и создает «ловушку» — ускоряет и фокусирует поток плазмы вдоль оси вращения диска, из-за чего вещество выбрасывается наружу. Принято считать, что так образуются джеты. Однако, по мнению Сокера и его коллег из-за конвекции в ядре предсверхновой аккреционный диск меняет свою ось вращения. По этой причине джеты испускаются быстро и в разных направлениях, что создает эффект их дрожания.
От центра джеты направляются к внешним слоям звезды, создавая ударные волны. Таким образом они передают энергию звезде на расстоянии около 1000 километров от ее центра, создавая пузыри — области с высоким давлением и температурой, которые ускоряют оболочки будущей сверхновой и взрывают ее. Если струя достигает расстояния менее 1000 километров от ядра, ее материал падает обратно на прото-нейтронную звезду и идет на формирование новых аккреционных дисков, генерирующих джеты. И поскольку струи быстро меняют свое направление, они не проникают в коллапсирующее звездное ядро, — а именно это необходимо, чтобы энергия джетов передавалась не центру, а внешним оболочкам, провоцируя взрыв.
Дрожащие струи объясняют присутствие в точечно-симметричных остатках тяжелых элементов, происходящих из глубоких слоев ядра предсверхновой (например, кислорода, неона, магния или железа). При этом симметричные рентгеновские «уши» туманности Спагетти, по предположению ученых, образованы двумя парами мощных джетов, вылетевших под малым углом друг к другу.
Механизм дрожащих джетов также способен описать, как нейтронная звезда-остаток приобретает свою скорость. Авторы считают, что пульсар разогнали две последовательно вырвавшиеся пары джетов, и каждый из вызванных ими толчков сообщил звезде скорость около 450 километров в секунду. Более мощный джет каждой пары заставил двигаться нейтронную звезду подобно тому, как струя раскаленного топлива заставляет двигаться ракету во время старта с Земли. Такие струи обладают достаточной мощностью, чтобы создавать гравитационные волны, которые можно зарегистрировать на Земле.
Для оценки возраста туманности авторы проводят оси симметрии двух пар джетов, предположительно образовавших «уши», и на их основе определяют положение оси симметрии остатка в целом. Затем они рассматривают возможные точки пересечения этой оси и траектории движения пульсара, учитывая параллакс и погрешности. Примерное место пересечения соответствует участку взрыва сверхновой. Учитывая скорость пульсара и расстояние, пройденное им от найденной точки, ученые определяют время, за которое она преодолела это расстояние. Согласно оценке Сокера и коллег, возраст туманности Спагетти составляет примерно 23000 лет.
Механизм дрожащих джетов успешно объясняет приобретение остатком скорости и происхождение рентгеновских «ушей» туманности. Однако и у этой модели есть нерешенные проблемы.
Например, как утверждает Ноам Сокер, для более точного описания сверхновых с коллапсом ядра с помощью механизма дрожащих джетов необходимо включать в моделирование магнитные поля, образующиеся в аккреционных дисках и играющие весомую роль в работе механизма (раз, два). Вращение вещества в аккреционных дисках и его движение при конвекции усиливает энергию магнитного поля, а быстрое высвобождение магнитной энергии требует быстрого пересоединения его силовых линий. Авторы работы оценивают ширину зон пересоединения полей примерно в 0,1 километра, что требует численного разрешения в несколько раз меньшего, чем разрешение существующих симуляций сверхновых с коллапсом ядра.
Если найти решение этой проблемы, то у астрофизиков будет возможность более строго проверить механизм дрожащих джетов на правдоподобность и детально понять процессы, происходящие в сверхновых звездах.
Также одно из возможных применений нейтринного механизма — поиск ошибок в определении «неудавшихся сверхновых». Так называют сверхновые, которые сколлапсировали в черную дыру без мощной, как это обычно бывает, вспышки. Нейтринный механизм предсказывает существование большой популяции таких взрывов. Однако Ноам Сокер утверждает, что модель джетов предполагает возможность высокоэнергетичного взрыва звезды, даже если большая ее часть перешла в черную дыру. Это происходит благодаря флуктуациям углового момента аккрецируещего вещества, а следовательно, — появлению джетов, провоцирующих катаклизм. В доказательство своих слов автор приводит пример сверхновой M31-2014-DS1, которая изначально ошибочно считалась «неудавшейся», пока этому не нашлись наблюдательные опровержения. Ноам Сокер предсказывает повторное появление вспышки через несколько лет.
Шаг вперед
Авторы статьи о S147 предлагают решения довольно важных астрофизических проблем. Во-первых, они объясняют, как у остатков появляется точечная симметрия: это результат симметричности джетовых пар, высвобождаемых при взрыве сверхновой. На примерах других туманностей (таких, как Кассиопея A или 1987A) этот механизм также доказал свою работу.
Во-вторых, Сокер и коллеги предлагают новый способ определения возрастов туманностей — через поиск точки пересечения осей симметрии остатка и расчет времени отдаления пульсара от этой точки. Однако этот метод еще предстоит протестировать на других объектах и сравнить с альтернативными способами в поисках более точного.
При этом описанная модель не противоречит более привычным: механизм нейтринного нагрева и магнитовращательный механизм авторы считают составными частями механизма струй. Нейтрино разогревают вещество вокруг ядра, поддерживая процесс, а вращение и, как результат, сложные конструкции магнитных полей усиливают некоторые пары джетов, особенно в быстро вращающихся ядрах.
Иными словами, механизм дрожащих джетов — не революция в исследовании сверхновых, но важный шаг на пути к пониманию их природы. А статья, посвященная туманности Спагетти, весьма убедительно демонстрирует, как этот механизм работает.
По информации https://nplus1.ru/material/2025/11/28/remnants-of-spaghetti
Обозрение "Terra & Comp".
