Сверхновые — один из самых ярких и разрушительных видов космических событий. Для астрофизиков они представляют не только интерес как финальная стадия эволюции звезд, но и как инструмент измерения масштабов Вселенной.
В скором времени NASA приступит к наблюдению за такими взрывами в массовом масштабе. Телескоп Roman создаст подробный «фильм» этих процессов и поможет ответить на фундаментальные вопросы о природе космоса.
Космический телескоп Nancy Grace Roman, запуск которого ожидается примерно через два года, должен будет занять позицию на орбите около точки L2 системы Солнце–Земля. Один из главных этапов его работы — так называемое высокоширотное исследование во временной области. В течение двух лет он будет регулярно — раз в пять дней — снимать один и тот же участок неба вне Млечного Пути. Серии изображений объединят в последовательности, по сути — в астрономическое видео, в котором можно будет увидеть, как появляются и исчезают сверхновые.
Сверхновые типа Ia возникают в двойных системах, где одна из звезд — белый карлик. Белый карлик оттягивает вещество от своей звезды-компаньона, и это вещество накапливается на его поверхности. В конце концов, он взрывается как сверхновая звезда
Основное внимание в этом исследовании уделено сверхновым типа Ia, которые возникают в двойных системах, когда белый карлик втягивает вещество соседней звезды, а по достижению массой критического значения происходит взрыв. Эти сверхновые особенно интересны тем, что обладают предсказуемой пиковой яркостью, а значит — могут использоваться как «стандартные свечи» для измерения расстояний в космосе.
На этом рисунке представлено исследование телескопа Nancy Grace Roman. Основная часть исследования охватит более 18 квадратных градусов — область неба размером с 90 полных лун — и позволит обнаружить сверхновые, вспыхнувшие примерно 8 миллиардов лет назад. Более мелкие области исследования могут заглянуть еще дальше в прошлое, возможно, во времена, когда Вселенной было около миллиарда лет. Исследование будет проводиться в северном и южном полушариях, в областях неба, которые будут постоянно видны с телескопа Roman. Основная часть исследования будет состоять из 30-часовых наблюдений каждые пять дней в течение двух лет в середине основной пятилетней миссии телескопа Roman
Согласно моделированию, выполненному группой под руководством американского астрофизика Бена Роуза из Университета Бэйлора, телескоп Roman способен зафиксировать около 27 000 сверхновых типа Ia. Это почти в десять раз больше, чем известно астрономам сегодня. Данные об этих взрывах позволят точнее отслеживать историю расширения Вселенной и, возможно, выявить изменения в поведении темной энергии на ранних этапах ее эволюции.
На этой диаграмме сравнивается ожидаемый набор сверхновых типа1a, обнаруженный Roman, с космологической выборкой того же типа, подготовленной Dark Energy Survey
Кроме сверхновых типа Ia, исследование может выявить десятки тысяч других переходных явлений. Среди них — сверхновые с коллапсом ядра, сверхяркие сверхновые, события приливного разрушения, редкие килоновые и, потенциально, сверхновые с парной нестабильностью.
Чтобы понять, как обрабатывать будущие наблюдения, астрономы уже создали подробное численное моделирование. Проект, получивший название Hourglass, включает в себя более 64 000 транзиентов, более 11 миллионов фотометрических наблюдений и 500 тысяч спектров. Он позволяет прогнозировать, сколько объектов Roman может обнаружить, и дает астрономам базу для обучения алгоритмов машинного обучения, которые будут использоваться для автоматической классификации объектов.
По расчетам, Roman зафиксирует не только десятки тысяч обычных сверхновых, но и примерно 70 сверхярких, 35 событий приливного разрушения, три килоновые и до десяти сверхновых с парной нестабильностью. Для сравнения: на сегодняшний день известно менее 300 сверхярких сверхновых и около 100 случаев TDE.
На этой иллюстрации художника изображено слияние двух нейтронных звезд, испускающих гравитационные волны и взрывающихся как килоновая. Существует только одна подтвержденная килоновая, так что если телескопу Nancy Grace Roman удастся найти еще три, это будет огромным скачком в количестве полученных данных, необходимых для оценки частоты подобных вспышек и проверки теоретических моделей их развития
Каждый из этих объектов представляет собой источник информации о крайне необычных условиях. Например, килоновые — результат столкновения нейтронных звезд — связаны с образованием тяжелых элементов и излучением гравитационных волн. Подтвержден лишь один такой взрыв, поэтому даже три новых события сильно расширят объем доступных данных.
Парно-нестабильные сверхновые еще более редки. Только звезды в 130–250 раз массивнее Солнца могут взрываться подобным образом, полностью исчезая в процессе. Пока астрономы лишь предполагают, что им удалось наблюдать несколько таких взрывов, но телескоп Roman может зафиксировать до десяти сверхновых с парной нестабильностью. Это позволит проверить существующие теории и точнее понять, как развивается подобный сценарий гибели звезды.
Хотя миссия Roman входит в планы NASA, ее будущее все еще зависит от поддержки нынешней администрации США. Сокращения бюджета могут повлиять на сроки или объем исследований. Если проект стартует в запланированные сроки, Roman обеспечит ученых беспрецедентным массивом данных. Он не только поможет разобраться в природе сверхновых, но и даст представление о процессах, происходивших в далеком прошлом Вселенной.
