Межгалактические расстояния

Всего три недели назад в галактике Сигара (номер 82 в каталоге Месье) была обнаружена сверхновая SN 2014J. Она привлекла внимание как специалистов, так и любителей астрономии, обладающих хорошими телескопами, за счет возможности получить отличные снимки галактики с сияющей звездой. Однако интерес специалистов к сверхновой имеет под собой более веские основания. Это – самая близкая к нам сверхновая типа Ia со времен яркого взрыва в нашей галактике в 1986 году. Всего три недели потребовалось, чтобы обработать спектральные данные и установить этот важный факт.

Одна близость сверхновой SN 2014J делает ее уникальной, одной из важнейших, когда-либо наблюдавшихся человеком (с научной точки зрения, суеверия, порождавшиеся сверхновыми раньше оказывали, конечно, большее непосредственное влияние на людей). Близость взрыва позволит изучить детали процесса его образования, чтобы затем с этими знаниями улучшить наше понимание всей Вселенной, ведь размер и возраст Вселенной, известные нам, неразрывно связаны с такими взрывами. Точность, с которой можно измерять расстояния во Вселенной с использованием сверхновых типа Ia, определяется точностью определения их свойств, которые можно изучить тем лучше, чем ближе произошел взрыв. Скорее всего, SN 2014J останется ближайшим мильным камнем Вселенной в течение десятилетий – именно такова средняя частота появления подобных взрывов в окрестностях Земли.

«Будучи ближайшей сверхновой типа Ia, SN 2014J поможет нам лучше оценить скорость расширения Вселенной», – говорит Адам Рисс, один из руководителей проекта SHOES (Использование сверхновых для улучшения уравнения состояния) и обладатель Нобелевской премии по физике за 2011 год. Наблюдения сверхновых такого типа уже привели к важнейшему выводу, заключающемуся в ускоренном расширении Вселенной. За это открытие Рисс и получил премию. Измерение скорости расширения Вселенной – одна из рутинных и необходимых, но вместе с тем и наиболее важных и интересных задач космологии с момента открытия расширения Вселенной Хабблом (или Жоржем Леметром) в 1929 году. Сверхновые типа Ia – лучшие помощники в этой работе, так как с их помощью можно измерять расстояния во Вселенной. Этот факт основан на одинаковом процессе их взрывов, происходящих, когда белый карлик накапливает слишком много материи, примерно в 1.4 раза больше массы Солнца.

В результате сверхновые типа Ia взрываются с практически одинаковой абсолютной яркостью. Это значит, что если видимая яркость одной сверхновой этого типа в 10 раз меньше, чем у другой, то первая находится как раз в 10 раз дальше. Разумеется, измерения яркости имеют ошибки, обусловленные нашими приборами; проходящий свет также может поглощаться пылью и газом, или, наоборот, усиливаться гравитационным линзированием (это легко заметить по спектральному сигналу, однако восстановление исходной яркости получает дополнительный источник ошибок); наконец сами взрывы оказываются несколько отличными. В результате ошибка в определении расстояния обычно составляет 10%.

Широкие знания относительно сверхновых типа Ia позволяют еще быстрее их улучшать. Всего за несколько дней после открытия сверхновой было известно, когда ожидается пик ее яркости. Поскольку до него оставалась целая неделя, программа наблюдений была хорошо подготовлена. Видимая яркость звезды в зависимости от момента наблюдения представлена ниже.

Верхний рисунок относится к сверхновой SN 2014J, нижний – к сверхновой SN 2011fe, также класса Ia. Синими точками обозначены величины наблюдавшейся видимой яркости, зелеными – та яркость, которую мы получили бы, исключив газ и пыль на линии наблюдения. Галактика Месье 82 богата такой пылью, так что ее наблюдение оказалось сложнее.

Хотя SN 2014J безусловно относится к типу Ia, ее спектральная кривая сильно смещена в красную сторону. Это вызвано не только расширением Вселенной, но также поглощением части излучения межзвездной средой ее родной галактики. Эта пыль имеет разную поглощательную способность на разных длинах волн, искажая спектральный сигнал. Если бы свойства межзвездной пыли были неизвестны, в SN 2014J не удалось бы признать взрыв типа Ia. В случае SN 2014J среднее покраснение спектральной кривой, которое грубо можно считать равным средней разнице значений на зеленой и синей кривых (если эти кривые – примерно в одной области спектра, где и поглощение пылью примерно одинаковое), равно 1.3 звездной величины. Сверхновая уже не особо интересна любителям астрономии из-за малой яркости, однако профессионалам придется наблюдать ее еще несколько недель, по мере полного падения ее яркости. Необходимо получить максимально полную картину излучения взрыва с момента его первой регистрации телескопами до момента исчезновения, когда на месте взрыва останется только расширяющаяся оболочка газа, сброшенная звездой перед взрывом.

У SN 2014J есть всего два конкурента на роль ближайшей сверхновой типа Ia. Это SN 1972E в галактике NGC 5253 и SN 1986G в NGC 5128 (галактика Центавр А). Первая находится на расстоянии всего 11 миллионов световых лет от нас. Однако обе этих сверхновых не имеют настолько же полных наблюдательных данных. В частности, в их спектральных сигналах использовалось меньшее число каналов, и они не наблюдались до достижения максимума, тогда как SN 2014J была открыта за неделю до него, а затем найдена в наблюдательных данных еще неделей раньше, когда она была слишком тусклой, чтобы привлечь внимание. Ближайшим конкурентом, для которого собраны все необходимые сведения, является SN 2002fk в галактике NGC 1309 на расстоянии 100 миллионов лет. Галактика Месье 82 тем временем находится на расстоянии 12 миллионов световых лет от нас. Точность определения составляет около 10%. При этом используется типичный метод определения расстояния до галактики – красное смещение, и общая оценка строится на основании 8 независимых исследований. На таком же расстоянии и с такой же точностью находится сверхновая SN 1986G, прошлый рекордсмен, с которым и есть смысл сравнивать новый взрыв.