Гибель массивной звезды — это не всегда яркий и мощный взрыв. Иногда она вспыхивает как сверхновая, иногда выбрасывает узкие струи вещества, а в некоторых случаях… почти ничего не происходит, и звезда тихо коллапсирует в чёрную дыру. Новое исследование показывает: ключевую роль в этом выборе играют магнитные поля и вращение ядра звезды.
Учёные провели серию из 34 компьютерных моделирований коллапса массивной звезды массой около 40 солнечных. Они варьировали два параметра — силу магнитного поля и скорость вращения — и проследили, как меняется исход взрыва.
Четыре сценария одной катастрофы
Оказалось, что у коллапсирующей звезды есть четыре основных «судьбы»:
- Провал взрыва — ударная волна замирает, и звезда превращается в чёрную дыру.
- Односторонний джет — вещество выбрасывается в одном направлении.
- Двусторонние джеты — формируются мощные симметричные струи вдоль оси вращения.
- Нейтринный взрыв — более «обычный» вариант с почти сферическим выбросом вещества.
Эти сценарии зависят от того, насколько быстро вращается звезда и насколько сильны её магнитные поля.
Без вращения — почти гарантированный провал
Если звезда не вращается, шансы на успешный взрыв резко падают. Модели показали, что при слабых магнитных полях такие звезды почти всегда коллапсируют в чёрную дыру. Даже усиление вращения без магнитного поля ситуацию не спасает.
Чтобы запустить взрыв без вращения, требуется очень сильное магнитное поле — порядка сотен миллиардов гаусс. Это огромная величина, но в космосе такие значения возможны.
Вращение — ключ к спасению
Добавление вращения радикально меняет картину. Даже умеренное вращение помогает «запустить» взрыв там, где он бы не произошёл. Более того, чем быстрее вращается звезда, тем раньше начинается выброс вещества.
Причина в том, что вращение усиливает магнитные поля и перераспределяет энергию внутри звезды. Это помогает ударной волне преодолеть гравитацию и разорвать оболочку звезды.
Как рождаются космические «струи»
При сильных магнитных полях и быстром вращении возникают так называемые биполярные джеты — узкие струи вещества, вырывающиеся вдоль оси вращения. Именно такие процессы могут лежать в основе:
- гиперновых — сверхмощных взрывов,
- длительных гамма-всплесков.
Энергия таких событий достигает ~10⁵¹ эрг и продолжает расти со временем, что делает их одними из самых мощных явлений во Вселенной.
Магнитные поля усиливаются сами
Интересно, что даже слабые начальные магнитные поля могут увеличиваться в миллиарды раз во время коллапса. Это происходит за счёт:
- сжатия вещества,
- «наматывания» поля из-за вращения,
- магнитных нестабильностей.
В итоге энергия магнитного поля может достигать 10⁴⁸–10⁵⁰ эрг — достаточно, чтобы влиять на динамику взрыва.
Гравитационные волны как «подпись» взрыва
Каждый тип взрыва оставляет свой след в гравитационных волнах. Например:
- при образовании чёрной дыры сигнал становится более высокочастотным,
- джеты создают более мощные и устойчивые колебания,
- нейтринные взрывы дают более «хаотичный» сигнал.
При этом частота гравитационных волн в первую очередь зависит от вращения, а не от силы магнитного поля.
Такие сигналы могут быть зарегистрированы современными детекторами, если сверхновая произойдёт в нашей галактике.
Почему это важно
Результаты работы помогают понять, почему одни звезды взрываются ярко, а другие — «исчезают». Это также даёт ключ к разгадке происхождения:
- чёрных дыр звёздной массы,
- нейтронных звёзд,
- гамма-всплесков.
Кроме того, такие исследования важны для будущей астрономии гравитационных волн — они подсказывают, какие сигналы искать и как их интерпретировать.
Взгляд в будущее
Пока моделирование проводилось в упрощённой двумерной постановке. В реальности процессы трёхмерны и ещё сложнее. Однако уже сейчас ясно: судьба сверхновой — это тонкий баланс между вращением, магнитными полями и нейтринной физикой.
Именно от этого баланса зависит, станет ли звезда ярким космическим фейерверком — или исчезнет, почти не оставив следа.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
