10 Minutės
Keistas kosminis sprogimas, užfiksuotas tiek elektromagnetiniame spinduliavime, tiek gravitacinėse bangose, gali rodyti iki šiol neregėtą hibridinį sprogimą: „superkilonovą“ — kilonovą, atsiradusią supernovės išmetamose dujose. Jei ši idėja pasitvirtins, tokia dviguba įvykių seka gali pakeisti astronomų supratimą apie neutroninių žvaigždžių formavimąsi, jų susijungimus ir sunkiausių elementų paskirstymą visatoje.
Retas dvigubas sprogimas: pirmieji signalai ir teleskopai
2025 m. rugpjūčio 18 d. Jungtinių Valstijų ir Europos gravitacinių bangų observatorijos užfiksavo laikiną erdvės-laiko virpesį. Du LIGO detektoriai Luizianoje ir Vašingtone kartu su Italijos Virgo instrumentu registravo įvykį, primenantį kompaktiškų objektų susijungimą — tačiau su keista detale: bent vienas susidūrusių kūnų atrodė neįprastai lengvas, galbūt mažesnis už Saulę.
Po kelių minučių nuo LIGO–Virgo perspėjimo, Caltech Palomar observatorijoje veikianti Zwicky Transient Facility (ZTF) aptiko sparčiai blėstantį raudoną tranzientą maždaug 1,3 milijardo šviesmečių atstumu. Iš pradžių pažymėtas kaip ZTF 25abjmnps, vėliau kataloguotas kaip AT2025ulz, optinis šaltinis sutapo su gravitacinių bangų lokalizacija pakankamai arti, kad daugelis stebėjimo komandų pradėtų intensyvias tolimesnes stebėjimo programas.
Dešimtys teleskopų įsijungė į paiešką. Instrumentai nuo Keck observatorijos Havajuose iki Fraunhofer teleskopo Wendelstein observatorijoje Vokietijoje, kartu su tinklu įrenginių, bendradarbiavusių per GROWTH programą, nukreipė akis į blėstantį raudoną spindesį, rinkdami spektrus, fotometriją ir laiko atžvilgiu rezoliucinius matavimus. Tokios daugialypės stebėjimų kampanijos — optinės, infraraudonosios, radijo ir spektroskopinės stebėjimų kombinacijos — yra būtinos siekiant išskirti panašius, bet fiziškai skirtingus sprogimus.
Iš pradžių pažįstamas švytėjimas — vėliau netikėtas posūkis
Pradiniai AT2025ulz stebėjimai atrodė stulbinamai panašūs į kilonovą po GW170817 — istorinio 2017 m. neutroninių žvaigždžių susijungimo. Šaltinis greitai blanko ir skleidė stiprų raudoną spindesį — spalvinė charakteristika, paprastai susijusi su sunkiaisiais elementais kaip lantanoidai, auksas ir platina, kurie efektyviai sugeria mėlynus fotonus ir pertvarko energiją į ilgesnius bangų ilgius.
Tačiau istorija pasidarė keistesnė. Po kelių dienų nuo pradinio raudono blyksnio tranzientas vėl pradėjo ryškėti, poslinkis vyko į mėlynesnius bangų ilgius ir spektruose pasirodė vandenilis. Tokių savybių rinkinys labiau atitinka nuplėštos plonos išorinės dalies (stripped-envelope) branduolio-žlugimo supernovės požymius, o ne klasikinio kilonovos vaizdą. Dalis astronomų dėl to priėjo išvados, kad AT2025ulz iš esmės yra įprasta supernova, nesusijusi su gravitacinių bangų įvykiu.
Menininko vizualizacija vaizduoja hipotetinį įvykį, vadinamą superkilonova. Masinė žvaigždė sprogsta supernova (kairėje), kuri gamina elementus kaip anglis ir geležis. Po sprogimo susiformuoja dvi neutroninės žvaigždės (viduryje), bent viena iš jų manoma esanti mažesnės masės nei mūsų Saulė. Neutroninės žvaigždės susisuka viena link kitos, siunčiančios gravitacines bangas per kosmosą, kol susijungia dramatiškoje kilonovoje (dešinėje). Kilonovos praturtina visatą sunkiausiais elementais, tokiais kaip auksas ir platina, kurie dažnai spindi raudona šviesa.
Kodėl astronomai svarsto vieną sujungtą paaiškinimą
Caltech astronomė Mansi Kasliwal, vadovaujanti autorių komandai naujame straipsnyje žurnale The Astrophysical Journal Letters, teigia, kad sudėtiniai duomenys atsispiria paprastai klasifikacijai. „Iš pradžių, maždaug tris dienas, protrūkis atrodė lygiai kaip pirmoji kilonova 2017 m.,“ sakė ji. Kai tranzientas persiorientavo į supernovės tipo elgesį, daugelis tyrėjų nutraukė stebėjimus — tačiau Kasliwal komanda tęsė stebėjimus ir modeliavimą, tikrindama alternatyvias hipotezes ir ieškodama suderinamumo tarp gravitacinių bangų ir elektromagnetinių požymių.
Dvi pagrindinės indikacijos palaiko superkilonovos hipotezę. Pirma, gravitacinių bangų signalas rodo, kad bent vienas komponentas turėjo masę žemiau įprastų neutroninių žvaigždžių ribų, kas leidžia manyti apie sub-solinę neutroninę žvaigždę — egzotišką objektą, kurį prognozuoja kai kurios teorijos, bet tiesiogiai dar nebuvo stebėtas. Antra, ankstyvoji raudona, kilonovai būdinga emisija sutapo laike su vėlesniu supernovinei šviesai būdingu paryškėjimu, kas dera su scenarijumi, kai kilonova sprogo supernovės išmetamuose sluoksniuose arba už jų, dalinai uždangstydama ir vėliau atverdama skirtingas emisijos komponentes.
LIGO vykdomasis direktorius David Reitze pabrėžė atsargumą: „Nors ne visiškai taip užtikrintai kaip kai kuriuose mūsų pranešimuose, šis įvykis labai greitai patraukė mūsų dėmesį kaip potencialiai labai įdomus kandidatas. Mes tęsiame duomenų analizę, ir akivaizdu, kad bent vienas susidūrusių objektų yra mažiau masyvus nei tipinė neutroninė žvaigždė.“ Duomenys išlieka triukšmingi, lokalizacijos tūriai dideli, tačiau gravitacinių bangų perspėjimo ir greito raudono tranziento sutapimas yra pakankamai reikšmingas, kad verta tirti egzotiškus modelius ir alternatyvius paaiškinimus.
Kaip supernova galėtų pagimdyti kilonovą
Neutroninės žvaigždės paprastai susidaro tada, kai masyvios žvaigždės baigia savo evoliuciją per branduolio žlugimo (core-collapse) supernovas. Tipinės neutroninių žvaigždžių masės svyruoja nuo maždaug 1,2 iki ~3 Saulės masių, suspaustos į sferą, kurios spindulys yra tik apie 20–25 kilometrus. Tačiau teorikai ilgą laiką svarstė mechanizmus, kuriais žymiai lengvesnės, „sub-solinės“ neutroninės žvaigždės galėtų susidaryti per ypač dinamišką, greitai besisukančios žvaigždės žlugimą.
Yra dvi vyraujančios scenarijos, paaiškinančios, kaip žluganti žvaigždė galėtų suformuoti mažus neutroninių žvaigždžių fragmentus. Pirmasis, vadinamas fisija, numato, kad asimetrinio žlugimo metu centrinės dalies itin didelės centrifuginės jėgos gali efektyviai išskaidyti branduolį į du mažesnius likučius. Antrasis scenarijus — fragmentacija — įtraukia tankią, nestabilią diską aplink žlugantį branduolį; disko dalelės susijunginėja į gniužulus, kurie subręsta į mažos masės kompaktiškus objektus, procesą primenantį planetų formavimąsi aplink jauną žvaigždę.
Brian Metzger, vienas iš bendraautorių ir teorikas Kolumbijos universitete, pažymi, kad jei dvi tokios naujagimės sub-solinės neutroninės žvaigždės susiformuotų arti viena kitos, gravitacinių bangų spinduliavimas galėtų paskatinti jų greitą susiliejimą per trumpą laiką. „Jeigu šios ‚draudžiamos‘ žvaigždės susidėlios į porą ir emisija gravitacinių bangų jas suvestų kartu, yra tikimybė, kad toks įvykis būtų lydimas supernovos, o ne atrodytų kaip vieniša, ‚nuoga‘ kilonova,“ — paaiškino Metzger.
Šiame vaizde supernova sprogsta pirma, išskirdama ryškų, vandeniliu turtingą išmetimą, kuris plečiasi išorėn. Viduje arba netrukus po šio plečiančio sluoksnio du mažieji neutroniniai objektai spiralės formoje artėja ir susijungia, sukurdami kilonovą, kuri iš pradžių spindi raudonai, kai formuojasi sunkieji r-proceso elementai. Matoma parašiška seka būtų sluoksniuota laike: raudonas, kilonovai būdingas blyksnis įterptas į supernovės spektrinę evoliuciją ir vėliau su ja susimaišęs, todėl vienu metu gali būti jaučiamas tiek r-proceso, tiek supernovos cheminis „parašas“.
Mokslinės implikacijos: elementų sintezė ir neutroninių žvaigždžių fizika
Jei superkilonovos egzistuoja, jos platintų aplinkas, kuriose gali susidaryti visatos sunkiausi elementai — auksas, platina, uranas. Tradicinės kilonovos jau žinomos kaip svarbūs r-proceso (greito neutronų gaudymo) gamintojai, prisidedančios prie sunkiųjų nuklidų sintezės per susiliejimų išmetimus. Kilonova, vykstanti supernovės medžiagos viduje, galėtų pakeisti termodinamines sąlygas, neutronų gausingumą ir srauto optinį tankį, kas savo ruožtu gali lemti kitokią r-proceso izotopų kompoziciją arba skirtingą jų erdvinį paskirstymą galaktikoje.
Už branduolių sintezės ribų, sub-solinės neutroninių žvaigždžių patvirtinimas priverstų teorikus peržiūrėti kolapso fiziką ir susijusias judesio kiekio, magnetinio stabdymo bei fragmentacijos ribų finansines prielaidas pre-supernovės branduoliuose. Tokie lengvi kompaktiški objektai suteiktų empirines ribas, reikalingas varikliams, kurie reguliuoja kampinio impulso perdavimo mechanizmus, magnetinių laukų dinamiką ir disko nestabilumus. Be to, atsirastų naujas kelias kompaktiškų objektų susijungimams ir gravitacinių bangų šaltiniams, kurių signalai gali skirtis nuo tipiškų neutroninių žvaigždžių binarų, taip praturtinant multi-messenger astronomiją ir pulsarinės populiacijos modeliavimą.
Kaip mokslininkai patikrins superkilonovos idėją
Tyrėjų komanda aiškiai pabrėžia, kad AT2025ulz nėra galutinis superkilonovos įrodymas — turimi duomenys intriguoja, bet išlieka daug dviprasmybių. Kelias į priekį yra paprastas principu: surasti daugiau tokių sutapimų ir pagerinti modelių atitikimą tiek elektromagnetiniams, tiek gravitacinių bangų duomenims. Praktinis žingsnis apima sistemingą archyvinių ir realaus laiko stebėjimų peržiūrą, tikslų spektrų derinimą bei statistinę įvertinimą, kiek dažnai tokie dviejų komponentų signalai gali atsirasti atsitiktinai.
Ateities ir naujos kartos observatorijos padės tai įgyvendinti. Apžvalgos, tokios kaip Vera C. Rubin observatorijos Legacy Survey of Space and Time (LSST), radikaliai padidins greitų tranzientų aptikimo dažnį, leidžiant analizuoti daug didesnį įvykių rinkinį. NASA misijos, pavyzdžiui, Nancy Grace Roman Space Telescope bei siūloma UVEX misija, suteiks papildomą ultravioletinį ir infraraudoną sluoksnį stebėjimams. Žemės bazės radijo tinklai — įskaitant Caltech Deep Synoptic Array-2000 tipo masyvus — išplės radijo tolimesnių stebėjimų galimybes, o specializuoti projektai, tokie kaip Caltech Cryoscope Antarktidoje, galėtų tirti ilgų bangų ilgių laiko srities signalus, kuriuos sunku užfiksuoti kituose regionuose.
Kasliwal pabrėžia praktinę pamoką: „Būsimos kilonovos įvykiai gali neatrodyti kaip GW170817 ir gali būti painiojami su supernovėmis. Mes turime ieškoti naujų galimybių duomenyse iš ZTF ir taip pat iš Vera Rubin observatorijos... Mes negalime su visišku tikrumu teigti, kad radome superkilonovą, bet šis įvykis vis tiek praplečia akiratį.“ Ši pastaba išplečia platesnį laiko srities astronomijos kontekstą: tranzientų elgesio įvairovė yra norma, o ne išimtis, todėl reikia lanksčių stebėjimo ir analizės protokolų.
Ekspertų įžvalgos
„Šis kandidatinis įvykis verčia mus būti kūrybingais modeliuose,“ sako dr. Elena Soto, stebimųjų astronomijos specialistė Arizonos universitete, nedalyvavusi tyrime. „Jei kilonova gali būti įterpta į supernovės išmestas medžiagas, mums reikės jungtinių elektromagnetinių ir gravitacinių bangų duomenų apdorojimo grandinių, kurios sugebėtų atskirti sutampančius šviesos kreives ir spektrus. Tai yra tiek duomenų analizės, tiek teorinė užduotis.“
Dr. Soto priduria, kad multi-messenger koordinacija — greiti gravitacinių bangų perspėjimai, po kurių seka robotizuoti optiniai, infraraudonieji ir radijo stebėjimai — bus esminė. „Pirmosios kelios valandos ir dienos slepia patį diagnostinį turinį,“ ji patikslina. „Praleidus tą ankstyvą langą, įdomūs įvykiai gali praslysti pro tinklus ir būti kataloguojami kaip eilinės supernovės, taip prarandant galimybę suprasti jų tikrąją prigimtį.“
Ką stebėti toliau
Superkilonovų patvirtinimas reikalauja kelių įrodymų derinio: a) pasikartojančių sutapimų tarp gravitacinių bangų perspėjimų ir neįprastų optinių tranzientų; b) spektrų, kurie rodo pradinį r-proceso dominavimą, vėliau užleidžiant vietą vandeniliu turtingoms ar supernovinėms savybėms; ir c) teorinių modelių, galinčių atkurti sluoksniuotą emisiją ir numatomus nuklidų derinius. Taip pat svarbu statistiškai įvertinti foninius sutapimus bei instrumentų selekcinius efektus, kad būtų galima patikimai susieti elektromagnetinius ir gravitacinius signalus.
Platesnei bendruomenei AT2025ulz primena, kad tranzientiniame danguje netrūksta netikėtumų. Instrumentai tapo tokie jautrūs, kad gali užfiksuoti silpnus, greitus ir sudėtingus įvykius. Didėjant aptiktų susijungimų ir tranzientų skaičiui, astronomai patobulins įvykių klasifikacijas ir praplės sprogimų taksonomiją — galbūt įtraukdami superkilonovas į žinomų reiškinių sąrašą.
Galutinė ir drąsi tezė — kad supernova gali pagimdyti neutronines žvaigždes, kurios greitai susijungia kilonovoje — stovės arba kris remiantis pakartotiniais stebėjimais ir nuoseklia tarpdiscipline analize. Kol kas AT2025ulz lieka intriguojantis kandidatas, jis praplečia klausimų spektrą, kuriuos mokslininkai užduoda apie žvaigždžių mirtį, neutroninių žvaigždžių gimimą ir sunkiausių elementų kilmę visatoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą