Вибухи, яскравіші за галактики роками бентежили астрономів – тепер вони отримали пояснення

Команда астрономів із Center for Astrophysics запропонувала нове пояснення походження загадкових LFBOT – "яскравих швидких синіх оптичних транзієнтів" – опублікувавши результати власного дослідження на сайті препринтів наукових робіт arxiv.org.

Сині оптичні транзієнти (LFBOT) – це короткочасні космічні спалахи, які швидко досягають піку яскравості та так само стрімко згасають. Досі їх походження та поведінка залишалися загадкою для науковців, зокрема через їхню рідкість.

Чому LFBOT залишалися загадкою?

На відміну від більшості відомих вибухів у космосі, LFBOT поводяться нетипово. Вони розгортаються всього за кілька днів, тоді як звичайні наднові можуть еволюціонувати тижнями або навіть місяцями. Крім того, такі об'єкти майже весь час залишаються яскраво-синіми, що свідчить про надзвичайно високу температуру.

Перший LFBOT AT2018cow астрономи помітили у 2018 році. Відтоді дослідники зафіксували лише 14 подібних подій. Через таку рідкісність і незвичні характеристики їхня природа довго залишалася предметом суперечок.

Раніше вчені розглядали кілька можливих сценаріїв.

• Один із них пов'язував LFBOT із надновими, що виникають під час колапсу ядра масивної зорі.
• Інша гіпотеза припускала, що джерелом спалахів можуть бути так звані "приливні руйнування зір", коли надмасивна чорна діра розриває зорю, яка наблизилася занадто близько.

Однак команда під керівництвом Ані Нуджент (Anya Nugent) проаналізувала галактики, у яких виникали LFBOT, а також середовище навколо самих спалахів. Результати показали, що ці події відбуваються не в тих умовах, які передбачають популярні моделі наднових або приливного руйнування.

Натомість дослідники запропонували інший сценарій – набагато складніший і водночас переконливіший.

Згідно з новою моделлю, усе починається у подвійній зоряній системі, де дві масивні зорі обертаються одна навколо одної. Поступово одна з них починає "об'їдати" сусідку, стягуючи з неї зовнішню водневу оболонку. У дослідженні таку зорю називають "канібалом", а її компаньйона – "донором".

Після втрати зовнішніх шарів зоря-донор перетворюється майже на оголене гелієве ядро. Саме такі об'єкти астрономи класифікують як зорі Вольфа − Райє – надзвичайно гарячі та масивні зорі, що вже втратили більшу частину своєї оболонки.

Тим часом зоря-"канібал", поглинаючи речовину сусідки, швидко набирає масу. Через це вона раніше вичерпує запаси ядерного пального, вибухає як наднова та перетворюється на чорну діру або нейтронну зорю.

LFBOT – це справжні космічні гіганти, що живляться енергією від розриву масивної зірки чорною дірою масою близько 100 Сонць. Відкритий у 2024 році LFBOT, позначений як AT 2024wpp, надав астрономам важливі дані для уточнення походження таких спалахів.

Ілюстрація нижче показує, як зруйнована зірка взаємодіяла з уже наявним акреційним диском навколо чорної діри, створюючи величезні обсяги енергії, що випромінюються на високоенергетичних довжинах хвиль.

Формування LFBOT / Фото Рафаелла Маргутті/Каліфорнійський університет у Берклі

Що відбувається далі із зорею?

Після такого вибуху система отримує потужний "поштовх", який викидає її з активних областей галактики на спокійніші околиці. Саме це, на думку авторів, пояснює, чому LFBOT часто виникають далеко від регіонів активного зореутворення, пояснює Space.com.

Далі починається тривалий етап взаємодії. Чорна діра або нейтронна зоря сотні чи навіть тисячі років поступово "під'їдає" речовину зорі Вольфа – Райє. Кульмінація настає тоді, коли компактний об'єкт буквально провалюється в саме ядро сусідньої зорі та руйнує його.

Саме цей фінальний катастрофічний момент, за гіпотезою дослідників, і породжує LFBOT – надзвичайно яскравий синій спалах, який триває лише кілька днів.

Багато масивних зір живуть у подвійних системах, але такі злиття можливі лише за дуже специфічних умов: зорі не повинні злитися надто рано, але водночас мають залишатися достатньо близькими, щоб зрештою зіткнутися,
– пояснила Аня Ньюджент.

Ще одним аргументом на користь нової моделі стало щільне середовище навколо LFBOT. Астрономи вважають, що простір поруч із вибухом заповнений речовиною, яку зоря викидала ще до катастрофи. Саме така картина погано узгоджується з попередніми гіпотезами про приливне руйнування чи класичні наднові.

Дослідники визнають, що остаточно підтвердити нову теорію можна буде лише після виявлення більшої кількості таких подій.

Очікується, що обсерваторія зможе знаходити слабші LFBOT навіть на відстанях у мільярди світлових років. Це допоможе астрономам зрозуміти, як змінювалися такі спалахи та їхні зоряні системи-прототипи протягом історії Всесвіту.

Наскільки потужними є LFBOT у масштабах Всесвіту?

Попри те, що LFBOT тривають лише кілька днів, за своєю енергією вони належать до найекстремальніших явищ у відомому Всесвіті. Їхня яскравість настільки велика, що окремий спалах може на короткий час світити майже так само яскраво, як ціла галактика з мільярдами зір.

Для порівняння: звичайна наднова часто нарощує яскравість тижнями, а LFBOT виходить на пік буквально за лічені години або дні. При цьому температура таких об'єктів може перевищувати десятки тисяч градусів Цельсія, через що вони випромінюють переважно синє світло.

Чому LFBOT важливі для розуміння Всесвіту?

Попри те, що астрономам відомо лише кілька десятків LFBOT, саме такі рідкісні події можуть допомогти відповісти на фундаментальні питання космології та еволюції Всесвіту.

Для вчених LFBOT є своєрідними "лабораторіями", у яких можна спостерігати процеси, що тривають дуже недовго, але супроводжуються колосальними енергіями. Такі події допомагають зрозуміти, як формуються чорні діри великої маси, як поводиться речовина у надщільному середовищі та як еволюціонують подвійні зоряні системи, пише Phys.org.

Крім того, LFBOT можуть бути пов'язані з процесами, які впливають на хімічну еволюцію галактик. Під час подібних катастроф у міжзоряний простір викидаються важкі елементи, що згодом стають "будівельним матеріалом" для нових поколінь зір і планет.

Дослідників також цікавить, чому LFBOT часто виникають у незвичних середовищах – далеко від активних регіонів зореутворення. Згідно з роботою, опублікованою в Astronomy & Astrophysics, це може вказувати на поки невідомі механізми еволюції подвійних систем і навіть допомогти уточнити сучасні моделі розвитку галактик.

Вивчення таких транзієнтів важливе ще й тому, що сучасна космологія дедалі більше переходить від "статичного" спостереження неба до аналізу змін у реальному часі. Саме швидкоплинні події на кшталт LFBOT дозволяють побачити Всесвіт не як набір нерухомих об'єктів, а як постійно змінну систему.

Які телескопи та місії допоможуть знаходити більше LFBOT?

Головну надію астрономи покладають на обсерваторію Вери Рубін (Vera C. Rubin Observatory) та її програму LSST – масштабне десятирічне спостереження за небом. Обсерваторія оснащена найбільшою цифровою камерою у світі на 3200 мегапікселів і здатна фотографувати все південне небо кожні кілька днів.

Обсерваторія Вери Рубін / Фото Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

Саме така швидкість і регулярність спостережень критично важливі для LFBOT, адже ці спалахи живуть лише кілька днів. Звичайні телескопи часто просто не встигають помітити подібні події до того, як вони згаснуть.

Очікується, що Rubin Observatory генеруватиме мільйони автоматичних сповіщень щоночі про нові зміни на небі – від наднових до астероїдів і швидкоплинних космічних вибухів, пише LiveScience. Уже під час ранніх тестів система за одну ніч створила близько 800 тисяч таких повідомлень.

Для астрономів це означає можливість не лише знаходити більше LFBOT, а й спостерігати їх буквально з перших годин після появи. Це особливо важливо, адже ранні етапи спалаху можуть містити ключ до розуміння того, що саме його породило.

Крім обсерваторії Вери Рубін, дослідники активно використовуватимуть багатохвильові спостереження – одночасний аналіз подій у рентгенівському, ультрафіолетовому, радіо- та оптичному діапазонах. Саме такий підхід уже застосовували для вивчення LFBOT AT 2023fhn.

У перспективі вчені сподіваються побачити:

• як саме народжується LFBOT у перші години після вибуху;
• чи справді всередині події присутня чорна діра або нейтронна зоря;
• як поводиться речовина навколо спалаху;
• чому деякі LFBOT виявляються набагато яскравішими за інші;
• як змінювалася частота таких подій протягом історії Всесвіту.

Астрономи також припускають, що збільшення кількості спостережень може виявити нові типи космічних транзієнтів, про існування яких наука поки навіть не здогадується.