28 09, 2017

Астроархеология Сверхновых: ученые заглянули в прошлое Сверхновой Тихо Браге

2017-10-24T15:24:44+00:00

Международная команда ученых из Австралии, США, Европы и России прояснила происхождение сверхновой Тихо (SN 1572). Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, опровергает общепринятую точку зрения, что вспышка этой сверхновой была связана со взрывом белого карлика, масса которого достигла предела Чандрасекара за счет аккреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе.

Сверхновые типа Ia являются стандартными свечами современной наблюдательной космологии – они позволяют измерять расстояния во Вселенной на космологических масштабах. Они также играют важнейшую роль в химической эволюции галактик, являясь одним из основных поставщиков железа во Вселенной. Однако, загадка происхождения этих космических взрывов огромной энергии остается неразрешенной. Практически не вызывает сомнений, что сверхновые Ia являются результатом термоядерного взрыва углеродно-кислородного белого карлика при достижении им предела массы Чандрасекара (примерно 1.4 солнечной массы). Однако конкретный механизм, приводящий к росту массы белого карлика и его детонации неизвестен – проблема предшественников сверхновых типа Ia является одной из важнейших нерешенных загадок современной астрофизики.

Согласно двум наиболее популярным теориям, белый карлик может медленно увеличивать свою массу на протяжении многих миллионов лет за счет акреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе, пока не будет достигнут предел Чандрасекара, либо же взрыв может произойти при слиянии двух белых карликов в компактной двойной системе.

Эти два сценария кардинально различаются по уровню электромагнитного излучения, производимого предшественником сверхновой на протяжении миллионов лет до взрыва. В отличие от системы двух белых карликов, излучающих «лишь» гравитационные волны, аккрецирующие белые карлики  являются мощными источниками излучения в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. Это свойство ранее уже позволило ограничить суммарный вклад аккрецирующих белых карликов в производство Сверхновых по отсутствию  ярких рентгеновских гало вокруг близлежащих галактик . Однако попытки определить происхождение отдельно взятых сверхновых путем поиска в архивных данных рентгеновского источника на месте вспышки до сих пор не увенчались успехом.

В статье, опубликованной в Nature Astronomy, предложен принципилаьно новый подход к решению этой проблемы. Излучение аккрецирующего белого карлика способно ионизовать окружающую межзвездную среду – превращать нейтральные атомы вокруг в ионы. Вокруг горячего белого карлика возникает так называемая сфера Стремгрена – область ионизованного газа, размеры которой могут достигать 10-100 парсек. После взрыва белого карлика источник ионизующего излучения исчезает, однако межзвездному газу требуется значительное время для того, чтобы снова стать нейтральным (рекомбинировать). Поэтому гигантская ионизованная туманность существует вокруг сверхновой на протяжении примерно ста тысяч лет после взрыва. Это открывает возможности для астроархеологии – возможности заглядывать в прошлое Сверхновой звезды. Ведь обнаружение даже небольших количеств нейтрального водорода вблизи сверхновой Ia позволяет ученым получить ограничения на температуру и светимость белого карлика за десятки тысяч лет до взрыва сверхновой.

445 лет назад астроном Тихо Браге обнаружил на небе новую звезду. В момент появления она былa ярче Венеры, затем на протяжении последующего года ее яркость постепенно спадала. Сегодня мы знаем, что Тихо Браге наблюдал термоядерный взрыв белого карлика – вспышку Сверхновой Ia. Благодаря ее истории и близости к Солнцу, остаток Сверхновой Тихо является одним из наиболее хорошо исследованных. В частности, мы знаем из оптических наблюдений, что в настоящее время он расширяется в практически нейтральном газе.

Таким образом, используя саму сверхновую в качестве инструмента исследования окружающего газа, ученые смогли исключить существование у сверхновой Тихо горячего и яркого предшественника – такого, который смог бы создать сферу Стремгрена размером, превышающим размер остатка вспышки в настоящее время, около 3 парсек. Полученные ограничения настолько сильны, что позволяют  ограничить не только светимость белого карлика, но и аккреционного диска вокруг него, тем самым исключая из списка возможных предшественников Сверхновой Тихо белый карлик со стационарным термоядерным горением водорода на поверхности, так и повторную Новую – два основных типа объектов в классическом аккреционном сценарии. Отсутствие сферы Стремгрена вокруг остатка вспышки Сверхновой Тихо совместимо со сценарием сливающихся белых карликов в компактной двойной системе, однако не исключает и другие, более экзотические модели.

Рентгеновское изображение остатка вспышки Сверхновой Тихо (SN 1572)

Рентгеновское изображение остатка вспышки Сверхновой Тихо (SN 1572). 

© X-ray: NASA/CXC/Rutgers/K.Eriksen et al.; Optical: DSS
Художественное изображение белого карлика, медленно увеличивающего свою массу за счет аккреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе.

Художественное изображение белого карлика, медленно увеличивающего свою массу за счет аккреции вещества звезды-компаньона в тесной двойной системе.

© David A. Hardy & PPARC
Художественное изображение двух белых карликов в компактной двойной системе, сливающихся за счет излучения гравитационных волн.

Художественное изображение двух белых карликов в компактной двойной системе, сливающихся за счет излучения гравитационных волн.

© Tod Strohmayer (GSFC), CXC, NASA, Illustration: Dana Berry (CXC)

Статья в Nature Astronomy

Woods, Ghavamian, Badenes & Gilfanov “No hot and luminous progenitor for Tycho’s supernova”
Nature vol., page, 2017
, goes online 4pm London time on Sept. 25 http://dx.doi.org/10.1038/s41550-017-0263-5

21 07, 2017

Премия РАН по астрофизике присуждена М.Гильфанову и Е. Чуразову

2017-09-28T14:52:54+00:00

Российская академия наук присудила премию имени А.А. Белопольского 2017 года чл.-корр. РАН Марату Гильфанову и чл.-корр. РАН Евгению Чуразову за цикл работ «Рентгеновская диагностика аккреционных потоков вблизи черных дыр и нейтронных звезд в Млечном Пути и других галактиках». В цикле представлены результаты исследований авторами релятивистских компактных объектов в рентгеновском диапазоне с помощью советских, российских и международных орбитальных обсерваторий. Среди результатов, полученных в работах цикла – исследование спектральной переменности рентгеновского излучения от аккрецирующих нейтронных звезд и черных дыр, диагностика природы компактного объекта (нейтронная звезда или черная дыра) по его рентгеновскому излучению, карты рентгеновского излучения центральной зоны Галактики в широком диапазоне энергий от 3 до 200 кэВ, измерение яркости космического рентгеновского фона, исследование популяций рентгеновских двойных во внешних галактиках, метод рентгеновской диагностики темпа звездообразования в галактиках и ряд других. Эти результаты получили международное признание и широко цитируются. Сформулированные в этих работах идеи и теоретические модели в настоящее время развиваются в работах других исследователей как в России, так и за рубежом.

М.Р. Гильфанов и Е.М. Чуразов — ведущие специалисты в области астрофизики высоких энергий и рентгеновской астрономии, работающие на стыке теории и наблюдений. Они внесли важный вклад в успех обсерваторий РЕНТГЕН (на модуле КВАНТ комплекса космической станции МИР), ГРАНАТ и ИНТЕГРАЛ, начиная с планирования программы научных наблюдений, разработки новых алгоритмов анализа данных и заканчивая интерпретацией результатов наблюдений и построением теоретических моделей. Область их интересов включает, в частности, физические процессы в скоплениях галактик, активных ядерах галактик и квазарах, в аккреционных потоках вблизи нейтронных звезд и черных дыр в двойных звездных системах.

В настоящее время Гильфанов и Чуразов активно участвуют в подготовке и моделировании научной программы наблюдений орбитальной обсерватории СПЕКТР РГ, планируемой к запуску в сентябре 2018 года. Е.М. Чуразов является заместителем научного руководителя проекта по обработке и интерпретации данных.

Премия имени А.А. Белопольского
Постановление Президиума РАН

1 05, 2017

Диффузия элементов в межзвездной среде в галактиках раннего типа

2017-10-24T15:30:53+00:00

П. С. Медведев, C. Ю. Сазонов, М. Р. Гильфанов

Несмотря на большое количество теоретических работ, посвященных диффузии элементов в скоплениях галактик,  степень влияния этого физического процесса на формирование пространственного распределения элементов продолжает быть спорным вопросом на протяжении долгого времени. Хорошо известно, что процессы переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость) в горячей замагниченной космической плазме могут быть существенно подавлены магнитными полями  (см. Чандран & Коули 1998).  Тем не менее, благодаря хаотическому характеру изменений магнитных полей, порождаемых турбулентным перемешиванием газа, глобальные коэффициенты переноса могут оставаться достаточно большими, чтобы диффузия частиц продолжала быть важной на временных масштабах характерных для скоплений галактик или галактик раннего типа (Нараян & Медведев, 2001, Чужой & Лоеб, 2004).

Хотя наблюдательные проявления диффузии частиц в межгалактической и межзвездной  средах пока не обнаружены,  нет никаких сомнений, что дальнейший прогресс в наблюдательной технике (главным образом, рентгеновских экспериментов и наблюдений эффекта Сюняева-Зельдовича в скоплениях галактик) позволит найти жесткие ограничения на амплитуду эффектов, связанных с диффузией (см. Маркевич 2007). В этом случае, обнаружение  таких эффектов (или обнаружение их отсутствия), а также их сопоставление с теоретическими расчетами должны дать чрезвычайно важную информацию о степени подавления коэффициентов диффузии в турбулентной замагниченной плазме.

В работе рассматривается роль диффузии в перераспределении элементов в горячей межзвездной среде галактик раннего типа.  Известно, что процесс  гравитационной седиментации может значительно влиять на содержание гелия и тяжелых элементов в горячем межгалактическом газе массивных скоплений галактик. Универсальный вид профиля температуры в скоплениях с холодными ядрами и теоретическое корреляционное соотношение масса-температура позволяют предположить, что максимальный эффект седиментации должен иметь место в самых массивных вириализованных объектах во Вселенной.

Однако наблюдательные данные обсерваторий Chandra и XMM-Ньютон демонстрируют более сложные масштабные соотношения между массами галактик раннего типа и другими их параметрами, такими как массовая доля и температура межзвездного газа. Немаловажно, что радиальный профиль температуры в межзвездной среде в галактиках раннего типа может иметь как спадающий, так и нарастающий характер. Эти факторы могут существенно влиять на амплитуду  седиментации, поэтому необходимо провести детальные расчеты диффузии элементов основываясь на наблюдаемых характеристиках межзвездного газа.

Мы рассчитали диффузию, основываясь на наблюдаемых распределениях плотности и температуры газа для 13 галактик раннего типа, имеющих разные типы окружения и охватывающих широкий диапазон рентгеновских светимостей. Рассматривается модельная задача без учета магнитных полей, отклонения состояния газа от гидростатического равновесия и с постоянным во времени температурным профилем. Хотя такая постановка задачи выглядит идеализировано, ее решение, с одной стороны,  должно быть полезным для поиска наблюдательных проявления диффузии элементов в маломассивных эллиптических галактиках,  а с другой — дает понимание роли диффузии среди других физических процессов, протекающих в горячей межзвездной плазме. Решая полную систему уравнений Бюргерса, мы демонстрируем нетривиальную зависимость интегрального эффекта от массы галактики и типа ее окружения.

В совокупности с нашими предыдущими исследованиями, мы подробно изучили роль процессов диффузии в формировании распределения элементов внутри вириального радиуса в галактиках, группах и скоплениях галактик с вириальными массами от 1012 до 1015 MSun. Оказалось, что в межзвездном газе обилие гелия может меняться столь же существенным образом, как и в межгалактической плазме. Это происходит несмотря на то, что температура межзвездной среды значительно меньше температуры межгалактического газа. Интересно, что в случае скоплений происходит усиление эффекта для более массивных скоплений, а в случае галактик зависимость обратная. Это частично связано с тем, что в отличии от галактик раннего типа, средняя температура межгалактического газа в скоплениях близко следует вириальному соотношению M~T3/2.

Для эллиптических галактик, характеризующихся положительным радиальным градиентом температуры газа, диффузия может вызвать относительный прирост массы гелия на 25% внутри эффективного радиуса за миллиард лет. Для менее массивных галактик, имеющих спадающий с радиусом профиль температуры, соответствующий прирост гелия оказывается еще больше, 60%. Также показано, что эффект термодиффузии существенно ускоряет седиментацию элементов в галактиках со спадающем профилем температуры и замедляет седиментацию в галактиках с холодными ядрами. Увеличение концентрации тяжелых элементов, в целом, следует за изменением обилия гелия. Так, для ионов железа FeXXII эффект седиментации оказывается примерно в два раза меньше, чем для гелия. Так как оценить обилие гелия напрямую из рентгеновской спектроскопии не представляется возможным, при анализе спектров обычно предполагается солнечное обилие гелия. Мы показали, что двухкратная недооценка обилия гелия приводит к 20% ошибке в определении обилия тяжелых элементов из рентгеновской спектроскопии космической плазмы. 

→ Ссылки:

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2017, том 43,№5, с. 321-340

PDF

NASA ADS

17 09, 2010

Премия Европейской Академии Павлу Штыковскому

2017-06-30T16:22:21+00:00

Премия Европейской Академии для молодых ученых присуждена Павлу Штыковскому, научному сотруднику ИКИ РАН

В середине октября были подведены итоги 17-го конкурса молодых российских ученых на соискание премии Европейской Академии — международной неправительственной организации, объединяющей 2000 ученых Европы. Одним из 23 лауреатов 2010 года стал Павел Штыковский, старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН (премия в области физики). Премия была присуждена за исследования проблем формирования и эволюции массивных рентгеновских двойных — двойных систем, состоящих из компактного объекта (нейтронной звезды или черной дыры) и массивной звезды.

Пресс-Служба ИКИ РАН

18 02, 2010

Раскрыта загадка «стандартных свечей»

2017-06-30T17:10:01+00:00

Решающий шаг в понимании природы сверхновых Ia типа сделали д.ф.-м.н. Марат Гильфанов, ведущий научный сотрудник ИКИ РАН и сотрудник Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия) и его аспирант Акош Богдан (Институт астрофизики Общества им. Макса Планка, Германия).

Пресс-служба ИКИ РАН

18 02, 2010

Карлики взорвали сверхновую

2017-06-30T17:35:33+00:00

Gazeta.RU 18 февраля 2010

Российские ученые выяснили механизм появления сверхновых типа Ia. Это явление возникает при слиянии двух белых карликов, а не при «перетягивании» вещества с обычной звезды на белого карлика.

17 02, 2010

Как формируются «космические маяки»

2017-06-30T17:36:29+00:00

(РИА Новости 17 февраля 2010) Ученые установили наиболее вероятный механизм образования вспышек сверхновых типа Ia, служащих своеобразными «космическими маяками» — инструментом для измерения расстояний до далеких объектов в космосе и определения параметров Вселенной, в том числе, и скорости ее расширения, говорится в статье, которая будет опубликована в четверг в журнале Nature.

Однако природа этих объектов оставалась до конца неясной. Большинство ученых согласно, что они являются результатом термоядерного взрыва белого карлика (звезда, в которой прекратились термоядерные реакции, и которая сжалась до размеров в 50-100 раз меньше размера нашего Солнца). Многие астрофизики согласны, что наиболее вероятная причина взрыва — это превышение белым карликом критического предела массы, называемым пределом Чандрасекара, примерно равного 1,4 массы Солнца. Однако на протяжении более 20 лет оставался открытым вопрос о том, как происходит накопление массы белым карликом.

Астрофизики рассматривали два сценария. В одном из них белый карлик находится в паре с «нормальной» звездой. Вещество такой звезды может «перетягиваться» белым карликом. При достижении критической массы, в недрах белого карлика вновь запускаются термоядерные реакции, которые протекают в виде мощного взрыва — вспышки сверхновой типа Ia. Процесс перетекания вещества называется аккрецией, этот сценарий называется аккреционным. Второй сценарий рассматривает систему из двух белых карликов. В этом случае взрыв вызван слиянием белых карликов.

На протяжении многих лет, аккреционный сценарий считался более вероятным, потому что было известно слишком мало двойных систем, состоящих из двух белых карликов. Однако причиной тому могло быть то, что такие системы очень трудно обнаружить, а не их малочисленность. Еще одной причиной, по которой ему отдавали предпочтение многие астрофизики, было то, что в рамках этого сценария естественным образом объясняется «стандартность» сверхновых, поскольку взрыв происходит при достижении белым карликом одной и той же критической массы.

«Мы показали в нашей работе, что в старых, так называемых эллиптических галактиках аккреционный сценарий не может отвечать за более чем 5% сверхновых типа Ia. Мы обратили внимание на тот факт, что аккреция вещества на белый карлик неизбежно сопровождается выделением большого количества энергии. Основная часть этой энергии излучается в рентгеновском диапазоне спектра. В то же время электромагнитное излучение двойных систем, состоящих из двух белых карликов, мало. Используя этот факт, можно определить, какой из двух сценариев доминирует», — говорит Гильфанов.

Зная, как часто взрываются сверхновые в галактике данной массы, ученые вычислили общую рентгеновскую светимость аккрецирующих белых карликов, необходимых в случае, если бы происхождение всех сверхновых было связано с аккреционным сценарием. Далее, используя данные космического рентгеновского телескопа Chandra, предоставленные NASA, ученые сравнили результаты этих расчетов с наблюдаемой яркостью шести близких старых галактик. Оказалось, что наблюдаемая светимость галактик в 30-50 раз меньше предсказанной. Это означает, что белые карлики, взрывающиеся благодаря перетоку массы с «нормальной» звезды-компаньона, производят не более нескольких процентов сверхновых в эллиптических галактиках.

Сверхновыми называют звезды, заканчивающие свою эволюцию мощным взрывом, сопровождаемым большим выбросом энергии и вещества. Яркость вспышек таких вспышек может соответствовать яркости целой галактики. Авторы исследования, которое было представлено на телеконференции НАСА вечером в четверг, доказали, что наиболее вероятной причиной взрыва сверхновых типа Ia является процесс слияния двух белых карликов — остатков «умерших» звезд — в тесной двойной системе.

«Важность сверхновых типа Ia для космологии определяется тем фактом, что они имеют примерно одинаковую светимость, а потому, измерив поток излучения от сверхновой, можно определить расстояние до галактики, в которой она взорвалась», — пояснил в беседе с РИА Новости ведущий автор публикации доктор наук Марат Гильфанов, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН и сотрудник Института астрофизики Общества Макса Планка (Германия).

«Во-вторых, их светимость очень велика, поэтому их можно обнаружить на очень больших расстояниях от Солнца, сравнимых с размером видимой части Вселенной, поэтому для астрономов они являются очень яркими стандартными свечами», — продолжает Гильфанов.

Находя такие сверхновые в близких и далеких галактиках, измеряя расстояние до них и их красное смещение — сдвиг спектра испускаемых электромагнитных волн из-за эффекта Доплера при удалении тела от Земли и гравитационных эффектов — можно исследовать историю расширения нашей Вселенной.

Одним из наиболее важных открытий в современной космологии, сделанным около 12 лет назад, стало обнаружение факта, что Вселенная расширяется с ускорением. Из этих данных был сделан вывод о существовании таинственной темной энергии, которая и заставляет границы нашей Вселенной расширяться с ускорением.

Сверхновые типа Ia также играют большую роль в эволюции галактик. Их взрывы являются «поставщиком» энергии и тяжелых элементов в межзвездную среду. Так, значительная часть железа в нашей Галактике произведена сверхновыми типа Ia.

В настоящее время единственной альтернативой аккреционному сценарию является слияние белых карликов в тесных двойных системах. Еще одна возможность — взрывы белых карликов малой массы, меньшей предела Чандрасекара, хотя и реализуема в принципе, но не объясняет наблюдаемые свойства сверхновых. Поэтому полученный результат означает, что наиболее вероятной причиной взрыва сверхновых в эллиптических галактиках следует считать слияния белых карликов.

«Именно исключая аккреционный сценарий формирования сверхновых типа Ia в таких галактиках, мы и указываем на сценарий слияния двух белых карликов как на наиболее вероятный», — подытожил Гильфанов.

27 10, 2008

Рождение Звезды

2017-06-30T16:14:39+00:00

Марат Равильевич Гильфанов и Павел Евгеньевич Штыковский

(Журнал В Мире Науки 2008) Теория звездной эволюции в общих чертах уже известна, и многие ее выводы подтверждаются наблюдениями. Но до сих пор в ней существуют нерешенные проблемы, в частности, касающиеся возникновения звезд. В этом смысле особый интерес представляет история звездообразования во Вселенной, то есть интенсивность, с которой рождались звезды в галактиках от момента появления первых светил до наших дней.

Читать дальше

27 10, 1989

Гильфанов Марат Равильевич

2017-06-30T15:37:12+00:00

Теоретическое и экспериментальное (модуль КВАНТ) исследование источников рентгеновского излучения: скопления галактик, сверхновая 1987А в БМО, тайминг рентгеновских пульсаров

Текст диссертации