Нестандартные сверхновые позволили заглянуть в прошлое

Астрономы разглядели самый далекий взрыв звезды, который случился меньше чем через 3 миллиарда лет после Большого взрыва. Помог нестандартный тип звездных взрывов, и именно с его помощью ученые планируют заглянуть в самое глубокое прошлое мира.

Изучая расширение Вселенной, эволюцию галактик и историю формирования звезд, астрономы часто полагаются на взрывы сверхновых. Эти космические катаклизмы, в результате которых погибают звезды, служат прекрасными «фонарями», которые могут подсказать расстояние до далекой галактики, подсветить газ и пыль в ней или рассказать о ее звездном населении.

Такое разнообразие функций проистекает из невероятной яркости этих «фонарей». В течение месяцев после взрыва сверхновая может светиться ярче, чем миллиарды звезд галактики, в которой она взорвалась, вместе взятые. Поэтому видно их на таких расстояниях, где даже самые мощные телескопы оказываются в состоянии разглядеть лишь совместное свечение огромных скоплений.

Однако заметить сверхновую нелегко. Нельзя же каждую ночь наводить телескоп на одну и ту же галактику (или десяток тысяч галактик, попавших в его поле зрения) и проверять, не взорвалось ли здесь чего. Конкуренция за наблюдательное время на крупных телескопах очень высока, и наводиться на один и тот же объект каждую ночь или хоть раз в неделю вам никто не даст. Поэтому открытие сверхновых, особенно далеких, обнаружение которых требует длительных экспозиций, до сих пор остается во многом вопросом удачи наблюдателя.

Искать, где узко

Полтора года назад астроном Джефф Кук из Калифорнийского университета в Дэвисе придумал, как искать очень далекие сверхновые. Он остановил свой выбор на особом классе звездных взрывов -- сверхновых типа IIn. Эти сверхновые ярко светятся в ультрафиолете, а благодаря тому, что Вселенная расширяется, эффект красного смещения линий в спектре «перетаскивает» это свечение в оптическую область, очень удобную для наблюдений наземными телескопами.

Кроме того, взрывы сверхновых типа IIn длятся дольше обычных, а то же самое космологическое расширение еще более растягивает процесс взрыва с точки зрения землян. Это позволяет искать их в «сложенных» снимках звездного неба, полученных при объединении нескольких фотографий одной и той же области. Сигналы при этом складываются, а шум -- не всегда, что и позволяет заметить гораздо более слабые объекты.

Как подсчитал Кук, для сверхновых типа IIn можно складывать даже фотографии, полученные с промежутком в несколько месяцев. За это время сверхновые других типов успели бы вспыхнуть и погаснуть, так что складывание фотографий в этом случае большого эффекта бы не дало. Наконец, свечение в линиях от сверхновых типа IIn сохраняется несколько лет, так что, заподозрив неладное, можно успеть подать заявку на крупный телескоп, получить спектр и проверить свои подозрения прежде, чем сверхновая совсем угаснет.

Рекорды пали

Примерно так и поступили сам Кук и группа его коллег из США, Великобритании, Канады и Израиля. Они сложили снимки одной и той же области неба, сделанные за последние 5 лет Канадо-Франко-Гавайским телескопом (CFHT) в рамках программы получения глубоких изображений космоса. Воспользовавшись критериями, рассчитанными Куком в его работе позапрошлогодней давности, ученые отобрали ряд кандидатов в сверхновые и получили их спектры с помощью 10-метрового телескопа имени Кека спустя несколько лет после предполагаемого взрыва.

В трех случаях подозрения не были напрасны, а два из них оказались рекордно далекими -- они случились, когда наша расширяющаяся Вселенная была вдвое меньше нынешнего. Самый рекордный взрыв произошел почти 11 миллиардов лет назад, когда Вселенной было лишь 2,8 миллиарда лет от роду. Работа ученых опубликована в последнем номере Nature.

Предыдущий рекорд такого рода -- чуть меньше 10 миллиардов лет, однако это были сверхновые типа Ia (для сверхновых II типа прежний рекорд -- около 6 миллиардов лет). Сверхновые типа Ia в несколько раз ярче сверхновых IIn, но во много раз реже. Правда, их физика гораздо понятнее, а светимость постоянна, поэтому по ним проще определять расстояния до далеких галактик и историю расширения нашего мира.

Будущее за прошлым

Тем не менее, будущее этих работ -- именно за сверхновыми типа IIn. Пусть в их свойствах куда больше неопределенности, они могут взять числом. По подсчетам Кука, регулярные обзоры неба телескопами 8-метрового класса могут за несколько лет найти до 40 тысяч таких взрывов. Здесь уже начинает работать статистика, и не так важно, что яркость взрыва может сильно меняться от случая к случаю -- ее среднее по тысяче взрывов значение будет более или менее постоянным.

Кроме того, в данных этих инструментов (а один из них, LSST, уже строится и должен вступить в строй к 2016 году) должны найтись сверхновые типа IIn, которые рванули меньше чем через миллиард лет после Большого взрыва. Здесь у «стандартных» взрывов Ia куда более серьезная проблема -- их там может не быть вовсе. Сверхновая типа Ia -- это взрыв белого карлика, «перебравшего» вещества со звезды-соседки, а белые карлики получаются из звезд-долгожителей. За миллиард лет они могут просто не успеть прожить свою жизнь.

Сверхновые же типа IIn получаются из массивных звезд, которые проживают яркую, но короткую жизнь длиной в миллионы лет. Так что, наблюдая за этими сверхновыми, мы будем видеть самые первые нормальные звезды и сможем понять, чем они отличались от тех, что окружают нас сегодня. Одно такое сравнение Кук и его коллеги уже сделали -- вопреки некоторым теориям, через 3 миллиарда лет после Большого взрыва рождались звезды тех же масс, что и сейчас, в постаревшей впятеро Вселенной. Как оно было через 1 миллиард лет от сотворения мира, узнаем в ближайшие годы.