Астрофизики НИУ ВШЭ придумали новый метод поиска сверхновых

Шанс обнаружить вспышку сверхновой звезды, связанную с гамма-всплеском, на сегодняшний день равен 0,00346%. Учёные НИУ ВШЭ выяснили, как сделать такое открытие более частым. Сеть из нескольких телескопов в разных географических координатах, проверка данных в фотометрических фильтрах и анализ снимков с учётом особенностей галактики, в которой произошел всплеск, помогут открыть больше сверхновых. Исследование опубликовано в журнале Pattern Recognition and Image Analysis.

Гамма-всплеск — самая мощная вспышка во Вселенной, при которой выбрасывается огромное количество энергии в гамма-диапазоне. Активная фаза всплеска может длиться меньше секунды, но энергии выделить больше, чем Солнце за миллиарды лет жизни. Всплески случайно открыли в 1967 году, когда с секретного американского спутника Vela пришел сигнал о гамма-излучении. Спутник запустили для отслеживания ядерных взрывов в атмосфере со стороны СССР и Великобритании, но, к удивлению наблюдателей, сигнал пришел не с Земли, а из космоса.

Гамма-всплески обычно происходят на значительных расстояниях от Земли и не представляют прямой угрозы. Однако, если такой всплеск произойдет вблизи нашей галактики, озоновый слой, который защищает нас от опасного излучения, повредится, из-за чего все живое подвергнется воздействию вредоносной космической радиации. Такая катастрофа приведет к вымиранию живых организмов. Поэтому астрофизики продолжают изучать это явление и его возможные последствия, чтобы лучше понимать и оценивать потенциальные риски.

Точный механизм возникновения всплесков ещё не до конца изучен, но, по одной из теорий, некоторые из них появляются после вспышки сверхновой звезды, возникающей из-за коллапса. Коллапс — фаза в эволюции звезды массой в 8–10 раз больше Солнца, когда она исчерпывает свой запас «ядерного топлива» и перестает сопротивляться гравитационному сжатию. Из-за этого плотность её ядра становится критически высокой, и происходит взрыв, который называют вспышкой сверхновой. При взрыве в космос выбрасывается огромное количество материи со скоростями в несколько сотен километров в секунду. Это создает потоки частиц, которые сталкиваются с окружающей средой и вызывают гамма-излучение.

При этом сама вспышка сверхновой гораздо менее заметна, чем гамма-всплеск, который она порождает. И хотя к 2023 году астрофизики зарегистрировали уже около 13 000 гамма-всплесков, всего для 45 доказана связь со сверхновыми. Но на самом деле число таких всплесков может быть больше. Астрофизики НИУ ВШЭ проанализировали, какие ошибки и селективные эффекты могут возникнуть при обнаружении сверхновых, и описали, как их минимизировать.

Порядок изучения гамма-всплесков такой: приборами космических обсерваторий (Swift, Fermi, INTEGRAL) регистрируется гамма-излучение, и его координаты передаются на Землю. После этого определяют красное смещение — параметр, который характеризует расстояние до источника наблюдения. Если смещение меньше или равно 0,5, то велика вероятность, что гамма-всплеск был вызван сверхновой, и нужно организовывать наблюдения.

Сверхновая на снимках проявляется позже, на 5–20-й день после гамма-всплеска. Есть несколько ограничений, которые могут помешать её обнаружить, — например, если источник расположен слишком далеко от Земли.

Если гамма-всплеск можно сравнить с фонарем, то сверхновая похожа на свечу. Она «распыляет» свою энергию во всех направлениях, поэтому не может светить так далеко, как гамма-всплеск, который испускает пучок в одном направлении. И если было получено, что красное смещение относительно большое и мы можем наблюдать гамма-всплеск, то сверхновая в таком случае может остаться незамеченной.

Сергей Белкин
Автор статьи, аспирант базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН в НИУ ВШЭ

Учёные отмечают, что помешать увидеть сверхновую также может галактика, в которой она находится, если она будет слишком яркой и затмит сверхновую или, наоборот, настолько пыльной, что поглотит и/или рассеет её свет.

Если продолжать аналогию, то это то же самое, как идти через туман со свечкой или фонариком. Если человек будет идти со свечой, то увидеть его будет сложнее, потому что свет будет поглощаться и рассеиваться, при этом человек с фонариком с большей вероятностью будет заметен. — Поэтому, если в родительской галактике сверхновая не видна в конкретном фильтре, имеет смысл наблюдать источник в других фотометрических фильтрах. В них поглощение света может быть ниже, и это позволит выделить сверхновую.

То, где именно произошел всплеск, также важно учитывать. Если он наблюдается в рукавах, более отдаленных от центра галактики, то шанс обнаружить сверхновую будет выше, чем вблизи её ядра. Проблему можно решить, если пронаблюдать родительскую галактику еще несколько дней после того, как гамма-всплеск и связанная с ним сверхновая полностью затухнут. А затем соотнести изображения уже спокойной галактики со снимками, полученными на стадии активной сверхновой, и удалить галактику как фон. Сама галактика исчезнет, а вблизи её ядра будет наблюдаться сверхновая.

На Земле исследованиям могут помешать плохие погодные условия. Для того чтобы ветер, влажность, дождь, облачность не мешали наблюдениям, исследователи предлагают организовать единую сеть наблюдений в разных географических широтах и долготах.

Необходима отлаженная сеть из нескольких телескопов, которые разбросаны по всему миру. Мы надеемся, что при содействии коллег из разных стран это станет возможным. Мы призываем подробнее изучать каждый случай, который выбивается из общего ряда, даже если изначально кажется, что он не значимый.

Алексей Позаненко
Автор статьи, кандидат наук, доцент базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН в НИУ ВШЭ

3 августа, 2023 г.

Физика