Рождение и гибель сверхновых звезд. Смерть звезды, взрыв сверхновой, сверхновая, космический круговорот химических элементов Как рождается сверхновая звезда
Каждое утро, входя в свой рабочий кабинет и включая компьютер, Паоло Маццали надеется на известие о космической катастрофе. Сухощавый итальянец с ухоженной бородой - сотрудник немецкого Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге под Мюнхеном. И охотник за сверхновыми. Он выслеживает в космосе гибнущие звезды, стремясь разгадать секреты их ослепительной агонии. Взрывы звезд - одно из самых грандиозных космических явлений. И главная движущая сила круговорота рождения и смерти миров во Вселенной. Ударные волны от их взрывов расходятся по пространству как круги по воде. Сжимают межзвездный газ в гигантские нити и дают импульс к образованию новых планет и светил. И даже влияют на жизнь на Земле. «Почти все элементы, из которых состоим мы сами и наш мир, возникли благодаря взрывам сверхновых», - говорит Маццали.
КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ |
Невероятно, но факт: кальций у нас в костях и железо в кровяных тельцах, кремний в чипах наших компьютеров и серебро в наших украшениях - все это зародилось в горниле космических взрывов. Именно в звездном пекле атомы этих элементов спаялись воедино, а потом мощным порывом были выброшены в межзвездное пространство. И сам человек, и все вокруг него - не что иное, как звездная пыль.
Как устроены эти космические ядерные печи? Какие звезды заканчивают свою жизнь взрывом? И что служит его детонатором? Эти фундаментальные вопросы уже давно волнуют ученых. Астрономические
приборы становятся все точнее, программы компьютерного моделирования - все совершеннее. Вот почему за последние годы исследователи смогли разгадать многие секреты сверхновых. И раскрыть
удивительные подробности того, как живет и умирает звезда.
Такой научный прорыв стал возможен благодаря увеличению количества наблюдаемых объектов. Раньше астрономам только по счастливой случайности удавалось заметить в космосе яркую вспышку
умирающей звезды, затмевающую свет всей галактики. Сейчас автоматизированные телескопы проводят систематический мониторинг звездного неба. А компьютерные программы сопоставляют снимки,
сделанные с интервалом в несколько месяцев. И сигнализируют о появлении на небосводе новых светящихся точек или усилении свечения уже известных звезд.
Еще есть целая армия астрономов-любителей. Особенно их много в Северном полушарии. Даже с помощью маломощных телескопов им зачастую удается зафиксировать яркие вспышки гибнущих звезд.
В 2010 году любители и профессионалы вели наблюдение в общей сложности за 339 сверхновыми. А в 2007 году «поднадзорных» было целых 573. Проблема лишь в том, что все они находятся в других
галактиках, далеко за пределами Млечного Пути. Это затрудняет их детальное изучение.
Как только в космосе обнаруживается новый яркий объект с необычными характеристиками, весть о находке мгновенно распространяется по интернету. Так произошло и в случае со сверхновой 2008D.
Буква «D» в аббревиатуре обозначает, что это уже четвертая сверхновая, открытая в 2008 году.
Новость о том, что 9 января группа американских астрономов зафиксировала в космосе сверхмощный выброс рентгеновского излучения, застала Паоло Маццали в Токио, где он читал лекции. «Узнав
об этом, - говорит он, - мы сразу отложили все дела и на три месяца сосредоточились на изучении этого объекта».
Днем Маццали держал телефонную связь с коллегами в Чили, координируя наблюдения за космическим фейерверком при помощи одного из установленных там супертелескопов. А по ночам консультировался
с европейскими учеными. До сих пор он с восторгом вспоминает об этой напряженной работе и бессонных ночах. Тогда астрономам выпал редчайший шанс проследить за процессом взрыва звезды почти
с самого начала и до конца. Обычно гибнущая звезда попадает в объективы телескопов только через несколько дней после начала агонии.
Мощным импульсом для развития современных исследований сверхновых звезд стала астрономическая сенсация века. Случилась она в 1987 году. Но Ханс-Томас Янка, коллега Маццали по Институту
астрофизики, помнит все, как будто это было вчера. 25 февраля все сотрудники отмечали день рождения руководителя института. Янка только-только защитил диплом и подбирал тему для докторской
диссертации. Посреди праздника как гром среди ясного неба грянула весть об открытии накануне сверхновой под кодом SN 1987А. «Это вызвало настоящий фурор», - говорит он. Вопрос с темой для
диссертации был моментально решен.
Что же в ней такого особенного? Ее обнаружили в ближайшей к нам галактике - Большом Магеллановом Облаке, на расстоянии всего 160 тысяч световых лет от Земли. По космическим меркам - рукой
подать.
И еще одно интересное совпадение. Грандиозная агония этой звезды началась 160 тысяч лет назад, когда в саваннах Восточной Африки появился уникальный вид приматов - человек разумный.
Пока свет от ее вспышки достиг Земли, люди успели заселить планету, изобрести колесо, создать сельское хозяйство и промышленность, изучить сложные законы физики и сконструировать мощные
телескопы. Как раз вовремя, чтобы зафиксировать и проанализировать световой сигнал из Магелланова Облака.
С 1987 года Янка работает над компьютерной моделью, которая должна объяснить внутреннюю динамику процесса гибели звезды. Теперь у него есть возможность сверять свои виртуальные реконструкции
с реальными фактами. Все благодаря данным, собранным в ходе наблюдения за взрывом звезды SN 1987А. Она по-прежнему остается самой изученной сверхновой в истории.
 |
Звезды, которые более чем в восемь раз превышают по массе наше Солнце, рано или поздно «схлопываются» под собственной тяжестью и взрываются
|
ВЗРЫВНОЙ ФИНАЛ |
 |
Взрывы сверхновых звезд это движущая сила круговорота материи. Они извергают «галактические фонтаны» потоки газа, из которого формируются новые звезды. |
 |
1. Взрывы сверхновых
|
ВЗРЫВНОЙ ФИНАЛ |
На основании анализа ее излучения был сделан кроме всего прочего вывод о том, что существует два основных типа сверхновых. Энергию для взрыва сверхновых типа 1а дает стремительный процесс термоядерного синтеза в плотном углерод-кислородном ядре небольших звезд размером с Луну, равных по массе нашему Солнцу. Их вспышки - идеальный материал для изучения эффекта ускоренного расширения Вселенной, открытие которого было отмечено Нобелевской премией по физике в 2011 году.
Второй тип - это сверхновые с коллапсирующим ядром. В их случае источником взрывной энергии служит сила тяжести, которая сжимает вещество звезды весом не меньше восьми солнечных масс и
заставляет ее «схлопываться». Взрывы этого типа регистрируются в три раза чаще. И именно они создают условия для образования таких тяжелых химических элементов, как серебро и кадмий.
Сверхновая SN 1987А относится ко второму типу. Это видно уже по размеру звезды - виновницы космического переполоха. Она была в 20 раз тяжелее Солнца. И прошла типичную для светил такой
весовой категории эволюцию.
Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа. Оно сжимается под действием собственного тяготения и постепенно принимает форму шара. Поначалу он состоит
преимущественно из водорода - первого химического элемента, возникшего вскоре после Большого взрыва, с которого началась наша Вселенная. На следующем этапе жизни звезды происходит слияние
ядер водорода с образованием гелия. В ходе этого ядерного синтеза выделяется огромное количество энергии, которая и вызывает свечение звезды. Из «размножившегося» гелия синтезируются все
более сложные элементы - сначала углерод, а потом кислород. При этом температура звезды все повышается, а в ее пламени образуются все более тяжелые атомы. Замыкает цепочку термоядерного
синтеза железо. При слиянии ядер железа с ядрами других элементов энергия уже не выделяется, а, наоборот, затрачивается. На этой стадии эволюция любой звезды прекращается.
К тому времени она уже представляет собой слоистую структуру типа луковицы. Каждый слой соответствует определенному этапу ее развития. Снаружи - водородная оболочка, под ней - слои гелия,
углерода, кислорода, кремния. А в центре - ядро, состоящее из сжатого газообразного железа, разогретого до нескольких миллиардов градусов. Оно спрессовано настолько плотно, что кубик для
игры в кости из такого материала весил бы десять тысяч тонн.
«С этого момента катастрофа неминуема», - говорит Янка. Рано или поздно давление в растущем железном ядре уже не может сдержать напор собственной силы тяжести. И оно в доли секунды
«схлопывается». Вещество, превышающее по массе Солнце, сжимается в шар диаметром всего 20 километров. Под воздействием гравитации внутри ядра отрицательно заряженные электроны «вдавливаются»
в положительно заряженные протоны и образуют нейтроны. Из ядра формируется нейтронная звезда - плотный сгусток так называемой «экзотической материи».
«Нейтронная звезда уже не может дальше сжиматься, - объясняет Янка. - Ее оболочка превращается в непробиваемую стену, от которой отскакивает притягивающееся к центру вещество из верхних слоев».
Внутренний взрыв вызывает обратную ударную волну, которая несется сквозь все слои наружу. При этом материя чудовищно раскаляется. Вблизи ядра ее температура достигает 50 миллиардов градусов
по шкале Кельвина. Когда ударная волна доходит до оболочки звезды, фонтан разогретого газа вырывается в космос с бешеной скоростью - свыше 40 тысяч километров в секунду. И при этом испускает
свет. Звезда ярко вспыхивает. Именно эту вспышку астрономы и видят в телескопы, спустя тысячи или даже миллионы лет, когда свет достигает Земли.
Как показывают компьютерные модели, запрограммированные с учетом всех законов физики, в адском пламени вокруг нейтронной звезды протекают сложные термоядерные реакции. Такие легкие элементы,
как кислород и кремний, «перегорают» в тяжелые элементы - железо и никель, титан и кальций.
Долгое время считалось, что в этом катаклизме зарождаются самые тяжелые химические элементы - золото, свинец и уран. Но недавние расчеты Ханса-Томаса Янки и его коллег поколебали эту теорию.
Моделирование показало, что мощности «ветра частиц», исходящего от сверхновой, недостаточно, чтобы «втиснуть» свободные нейтроны в разлетающиеся ядра атомов для создания все более тяжелых
агломератов.
Но откуда тогда берутся тяжелые элементы? Они рождаются при столкновении нейтронных звезд, оставшихся после взрыва сверхновых, считает Янка. Это приводит к колоссальному выбросу раскаленной
материи в космос. Причем полученное при моделировании частотное распределение тяжелых элементов в этом веществе совпадает с реальными параметрами Солнечной системы. Так что сверхновые
утратили монополию на создание космической материи. Но все начинается именно с них.
В момент взрыва и затем в процессе превращения в расширяющуюся туманность сверхновая представляет собой завораживающее зрелище. Но парадокс в том, что, по меркам физики, этот грандиозный
космический фейерверк хоть и эффектное, но всего лишь побочное явление. При гравитационном коллапсе звезды за одну секунду выделяется больше энергии, чем излучают в «нормальном режиме»
все звезды во Вселенной: порядка 10 46 джоулей. «Но 99 процентов этой энергии высвобождается не за счет световой вспышки, а в форме невидимых частиц нейтрино», - говорит Янка.
За десяток секунд в железном ядре звезды образуется колоссальное количество этих сверхлегких частиц - 10 октодециллионов, то есть 10 в 58-й степени.
23 февраля 1987 года прогремела научная сенсация: сразу три датчика в Японии, США и СССР зафиксировали два десятка нейтрино от вспышки сверхновой 1987А. «До этого идея возникновения нейтронных
звезд в результате гравитационного коллапса с последующим выбросом энергии в форме нейтрино была чистой гипотезой, - говорит Янка. - И вот наконец она подтвердилась». Но пока это единственный
зарегистрированный нейтринный сигнал от взорвавшейся звезды. Обнаружить следы этих частиц крайне трудно, потому что они почти не взаимодействуют с веществом. В дальнейшем при анализе этого
феномена астрофизикам пришлось довольствоваться компьютерным моделированием. И они тоже очень далеко продвинулись вперед. Например, выяснилось, что без летучих нейтрино космический
фейерверк не смог бы разгореться. В первых компьютерных моделях Янки виртуальный фронт взрывной волны массивных звезд не доходил до поверхности, а «затухал» уже после первых 100 километров,
растратив всю начальную энергию.
Исследователи поняли, что упустили какой-то важный фактор. Ведь в реальности звезды все же взрываются. «Тогда мы занялись поиском механизма, который вызывает вторичную детонацию сверхновой», -
рассказывает Янка. На решение «проблемы сверхновых» ушли долгие годы. В итоге удалось точно смоделировать процессы, протекающие в первые доли секунды взрыва. И найти разгадку.
Янка показывает на своем компьютере небольшой анимационный ролик. Сначала на экране возникает идеально круглое красное пятно - центр сверхновой. Через 40 миллисекунд этот шарик начинает
все сильнее деформироваться. Фронт ударной волны выгибается то в одну, то в другую сторону. Пульсирует и колышется. Такое впечатление, словно газовая оболочка звезды вспучивается.
Еще через 600 миллисекунд она лопается. Происходит взрыв.
Ученые так комментируют этот процесс: в горячих слоях звезды образуются воронки и пузыри, как на поверхности каши во время варки. Кроме того, клокочущее вещество перемещается взад-вперед между
оболочкой и ядром. И благодаря этому дольше подвергается воздействию высокоэнергичных нейтрино, вырывающихся из недр звезды. Они и придают материи импульс, необходимый для взрыва.
По иронии судьбы именно эти «нейтральные» частицы, которые обычно бесследно проходят сквозь вещество, служат детонатором взрыва сверхновой. Затраты ученых на изучение загадки умирающих
звезд - астрономические, под стать масштабам самого явления. Только на моделирование процессов, протекающих в первые 0,6 секунды коллапса ядра звезды, ушло три года непрерывной работы.
«Мы использовали на полную мощность все доступные суперкомпьютеры в вычислительных центрах Гархинга, Штутгарта и Юлиха», - рассказывает Янка.
Оно того стоит, уверены ученые. Ведь речь идет не просто о грандиозных космических фейерверках. Взрывы сверхновых играют ведущую роль в эволюции Вселенной. Они извергают колоссальное
количество пыли далеко в межзвездное пространство. После взрыва от светила, первоначально в десять раз превышавшего по массе Солнце, остается нейтронная звезда весом всего в полторы
солнечные массы. Большая часть вещества разлетается по космосу. Эта мощная волна материи и энергии дает толчок к образованию новых звезд.
Порой взрывы сверхновых достигают такой силы, что выбрасывают газ из оболочки звезды за пределы «материнской» галактики и распыляют его в межгалактическом пространстве. Астрофизические
компьютерные модели показывают, что этот эффект еще важнее для космической эволюции. Если бы газ оставался в пределах галактик, то в них формировалось бы гораздо больше новых звезд.
По количеству звездной пыли и частиц тяжелых элементов во Вселенной можно определить, как часто происходят взрывы сверхновых. Каждую секунду где-то в космосе взрываются пять-десять звезд.
Но с особым нетерпением астрономы ждут появления сверхновых в нашей Галактике. Наблюдения за взрывом звезды с «близкого» расстояния не может заменить даже самая продвинутая компьютерная модель.
По их прогнозам, в ближайшие 100 лет по соседству с нами должны сдетонировать две старые звезды. Последнюю на сегодня вспышку сверхновой в пределах Млечного Пути, видимую с Земли даже
невооруженным глазом, наблюдал в 1604 году астроном Иоган Кеплер.
Астрономы напряглись в ожидании. «Совсем скоро это случится снова», - говорит охотник за сверхновыми Паоло Маццали. Ученые уже выявили некоторых наиболее вероятных звездных кандидатов.
Среди них - красный сверхгигант Бетельгейзе в левом верхнем углу Ориона, самого красивого созвездия, видимого на ночном небе. Если бы эта звезда находилась в центре нашей Солнечной системы,
то простиралась бы далеко за орбиту Земли и Марса.
За миллионы лет существования Бетельгейзе уже израсходовала большую часть своего ядерного топлива и может взорваться в любой момент. Перед смертью гигант вспыхнет в тысячи раз ярче,
чем светил при жизни. Он засияет на небосводе как полумесяц, а то и полная луна, утверждают астрономы. И если повезет, его зарево можно будет увидеть даже днем.
Еще несколько веков назад астрономы заметили, как блеск некоторых звезд в галактике неожиданно увеличивался более чем в тысячу раз. Редкое явление многократного увеличение свечения космического объекта ученые обозначили, как рождение сверхновой звезды. Это в некотором роде космический нонсенс, потому что в этот момент звезда не рождается, а прекращает свое существование.
Вспышка сверхновой звезды - это, по сути, взрыв звезды, сопровождающийся выделением колоссального количества энергии ~10 50 эрг. Яркость свечения сверхновой, которая становится видна в любой точке Вселенной, возрастает течение нескольких суток. При этом каждую секунду выделяется такое количество энергии, которое может выработать Солнце за все время своего существования.
Взрыв сверхновой звезды как следствие эволюции космических объектов
Ученые-астрономы объясняют это явление эволюционными процессами, миллионы лет происходящими со всеми космическими объектами. Чтобы представить себе процесс появления сверхновой, нужно понять строение звезды (рисунок ниже) .
Звезда - это огромный объект, обладающий колоссальной массой и, следовательно, такой же гравитацией. У звезды есть маленькое ядро, окруженное внешней оболочкой из газов, составляющих основную массу звезды. Гравитационные силы давят на оболочку и ядро, сжимая их с такой силой, что газовая оболочка раскаляется и, расширяясь, начинает давить изнутри, компенсируя силу гравитации. Паритет двух сил обусловливает стабильность звезды.
Под действием огромных температур в ядре начинается термоядерная реакция, превращающая водород в гелий. Выделяется еще больше тепла, излучение которого внутри звезды возрастает, но пока еще сдерживается гравитацией. А дальше начинается настоящая космическая алхимия: запасы водорода истощаются, гелий начинает превращаться в углерод, углерод - в кислород, кислород - в магний…Так посредством термоядерной реакции происходит синтез все более тяжелых элементов.
До момента появления железа все реакции идут с выделением тепла, но как только железо начинает перерождаться в следующие за ним элементы, реакция из экзотермической переходит в эндотермическую, то есть тепло перестает выделяться и начинает расходоваться. Баланс сил гравитации и теплового излучения нарушается, ядро сжимается в тысячи раз, и к центру звезды устремляются все внешние слои оболочки. Врезаясь в ядро со скоростью света, они отскакивают обратно, сталкиваясь друг с другом. Происходит взрыв внешних слоев, и вещество, из которого состоит звезда, разлетается со скоростью в несколько тысяч километров в секунду.
Процесс сопровождается такой яркой вспышкой, что ее можно увидеть даже невооруженным глазом, если сверхновая загорелась в ближайшей галактике. Затем свечение начинает угасать, и на месте взрыва образуется…А что же остается после взрыва сверхновой? Существует несколько вариантов развития событий: во-первых, остатком сверхновой может быть ядро из нейтронов, которое ученые называют нейтронной звездой, во-вторых, черная дыра, в-третьих, газовая туманность.
Вспышка сверхновой - явление поистине космического масштаба. Фактически, это взрыв колоссальной мощности, в результате которого звезда либо вообще перестает существовать, либо переходит в качественно новую форму - в виде нейтронной звезды или черной дыры. При этом внешние слои звезды оказываются выброшенными в пространство. Разлетаясь с большой скоростью, они порождают красивые светящиеся туманности.
(Всего 11 фото)
1. Туманность Симеиз 147 (она же Sh 2-240) - огромный остаток от взрыва сверхновой, находящийся на границе созвездий Тельца и Возничего. Туманность была открыта в 1952 году советскими астрономами Г. А. Шайном и В. Е. Газе на Симеизской обсерватории в Крыму. Взрыв произошел около 40000 лет назад, за это время разлетающееся вещество заняло участок неба в 36 раз больше площади полной Луны! Настоящие размеры туманности составляют впечатляющие 160 световых лет, а расстояние до нее оценивается в 3000 св. лет. Отличительная особенность объекта - длинные изогнутые газовые волокна, давшие туманности название Спагетти.
2. Крабовидная туманность (или М1 по каталогу Ш. Мессье) - один из самых известных космических объектов. Дело здесь не в ее яркости или особой красоте, а в той роли, которую Крабовидная туманность сыграла в истории науки. Туманность представляет собой остаток от вспышки сверхновой звезды, произошедшей в 1054 году. Упоминания о появлении в этом месте очень яркой звезды сохранились в китайских хрониках. М1 находится в созвездии Тельца, рядом со звездой ζ; в темные прозрачные ночи ее можно увидеть с помощью бинокля.
3. Знаменитый объект Кассиопея А, самый яркий источник радиоизлучения на небе. Это остаток сверхновой, вспыхнувшей около 1667 года в созвездии Кассиопеи. Странно, но никаких упоминаний о яркой звезде в анналах второй половины XVII века мы не находим. Вероятно, в оптическом диапазоне ее излучение было сильно ослаблено межзвездной пылью. В результате последней наблюдавшейся сверхновой в нашей галактике остается по-прежнему сверхновая Кеплера.
4. Крабовидная туманность получила известность в 1758 году, когда астрономы ожидали возвращение кометы Галлея. Шарль Мессье, известный «ловец комет» того времени, искал хвостатую гостью среди рогов Тельца, где и было предсказано. Но вместо нее астроном обнаружил вытянутую туманность, смутившую его настолько, что он принял ее за комету. В дальнейшем, дабы избежать путаницы, Мессье решил составить каталог всех туманных объектов на небе. Крабовидная туманность вошла в каталог под номером 1. Этот снимок Крабовидной туманности получен телескопом «Хаббл». На нем видно множество деталей: газовые волокна, узлы, конденсации. Сегодня туманность расширяется со скорость около 1500 км/с, изменение ее размеров заметно на фотографиях, сделанных с интервалом всего в несколько лет. Общие размеры Крабовидной туманности превышают 5 световых лет.
5. Крабовидная туманность в оптике, тепловых и рентгеновских лучах. В центре туманности находится пульсар - сверхплотная нейтронная звезда, излучающая радиоволны и генерирующая рентгеновские лучи в окружающем ее веществе (рентгеновское излучение показано голубым). Наблюдения Крабовидной туманности на разных длинах волн дали астрономам фундаментальную информацию о нейтронных звездах, пульсарах и сверхновых. Это изображение - комбинация трех снимков, полученных космическими телескопами «Чандра», «Хаббл» и «Спитцер»
6. Последняя из вспышек сверхновых, наблюдавшихся невооруженным глазом, произошла в 1987 году в соседней галактике, Большом Магеллановом Облаке. Блеск сверхновой 1987А достиг 3 величины, что немало с учетом колоссального расстояния до нее (порядка 160000 св. лет); прародителем сверхновой была звезда голубой гипергигант. После взрыва на месте звезды осталась расширяющаяся туманность и загадочные кольца в виде цифры 8. Ученые предполагают, что причиной их появления может являться взаимодействие звёздного ветра звезды-предшественника с газом, выброшенным во время взрыва
7. Остаток от сверхновой Тихо. Сверхновая вспыхнула в 1572 году в созвездии Кассиопеи. Яркую звезду наблюдал датчанин Тихо Браге, лучший астроном-наблюдатель дотелескопический эпохи. Книга, написанная Браге по следам этого события, имела колоссальное мировоззренческое значение, ведь в ту пору считалось, что звезды неизменны. Уже в наше время астрономы долго охотились за этой туманностью при помощи телескопов, и в 1952 году обнаружили ее радиоизлучение. Первый снимок в оптике был получен лишь в 1960-х годах.
8. Остаток сверхновой в созвездии Парусов. Бо́льшая часть сверхновых в нашей Галактике появляется в плоскости Млечного Пути, так как именно здесь рождаются и проводят свою короткую жизнь массивные звезды. На этом снимке разглядеть волокнистые остатки сверхновой не так-то просто из-за обилия звезд и красных водородных туманностей, однако разлетающуюся сферическую оболочку все же можно выявить по ее зеленоватому свечению. Сверхновая в Парусах вспыхнула примерно 11-12 тысяч лет назад. Во время вспышки звезда выбросила в пространство громадную массу вещества, однако полностью не разрушилась: на ее месте остался пульсар, нейтронная звезда, излучающая радиоволны.
9. Туманность Карандаш (NGC 2736), часть оболочки сверхновой из созвездия Парусов. Фактически, туманность представляет собой ударную волну, распространяющуюся в космосе со скоростью полмиллиона километров в час (на снимке она летит снизу вверх). Несколько тысяч лет назад эта скорость была еще выше, однако давление окружающего межзвездного газа, каким бы ничтожным оно ни было, замедлило разлетающуюся оболочку сверхновой
10. Туманность Медуза, еще один хорошо известный остаток сверхновой, который находится в созвездии Близнецов. Расстояние до этой туманности известно плохо и составляет, вероятно, около 5 тысяч световых лет. Дата взрыва также известна весьма примерно: 3 - 30 тысяч лет назад. Яркая звезда справа - интересная переменная эта Близнецов, которую можно наблюдать (и изучать изменения ее блеска) невооруженным глазом.
11. NGC 6962 или Восточная Вуаль крупным планом. Другое название этого объекта - Туманность Сеть.
Сверхновая звезда, или взрыв сверхновой — процесс колоссального взрыва звезды в конце ее жизни. При этом освобождается огромная энергия, а светимость возрастает в миллиарды раз. Оболочка звезды выбрасывается в космос, образуя туманность. А ядро сжимается настолько, что становится либо , либо .
Химическая эволюция вселенной протекает именно благодаря сверхновым. Во время взрыва в пространство выбрасываются тяжелые элементы, образующиеся во время термоядерной реакции при жизни звезды. Далее из этих остатков формируются с планетарными туманностями, из которых в свою очередь образуются звёзды с планетами.
Как происходит взрыв
Как известно, звезда выделяет огромную энергию благодаря термоядерной реакции, происходящей в ядре. Термоядерная реакция — это процесс превращения водорода в гелий и более тяжелые элементы с выделением энергии. Но вот когда водород в недрах заканчивается, верхние слои звезды начинают обрушиваться к центру. После достижения критической отметки вещество буквально взрывается, всё сильнее сжимая ядро и унося верхние слои звезды ударной волной.
В довольно малом объеме пространства образуется при этом столько энергии, что часть ее вынуждено уносить нейтрино, у которой практически нет массы.
Сверхновая типа Ia
Этот вид сверхновых рождается не из звезд, а из . Интересная особенность — светимость всех этих объектов одинакова. А зная светимость и тип объекта, можно вычислить его скорость по . Поиск сверхновых типа Ia очень важен, ведь именно с их помощью обнаружили и доказали ускоряющееся расширение вселенной.
Возможно, завтра они вспыхнут
Существует целый список, в который включены кандидаты в сверхновые звёзды. Конечно, достаточно сложно определить, когда именно произойдет взрыв. Вот ближайшие из известных:
- IK Пегаса. Двойная звезда расположена в созвездии Пегас на удалении от нас до 150 световых лет. Её спутник – массивный белый карлик, который уже перестал производить энергию посредством термоядерного синтеза. Когда главная звезда превратится в красный гигант и увеличит свой радиус, карлик начнёт увеличивать массу за счёт неё. Когда его масса достигнет 1,44 солнечной, может произойти взрыв сверхновой.
- Антарес . Красный сверхгигант в созвездие Скорпиона, от нас до него 600 световых лет. Компанию Антаресу составляет горячая голубая звезда.
- Бетельгейзе. Подобный Антаресу объект, находится в созвездии Орион. Расстояние до Солнца от 495 до 640 световых лет. Это молодое светило (около 10 миллионов лет), но считается, что оно достигло фазы выгорания углерода. Уже в течение одного-двух тысячелетий мы сможем полюбоваться взрывом сверхновой.
Влияние на Землю
Сверхновая звезда, взорвавшись поблизости, естественно, не может не повлиять на нашу планету. Например, Бетельгейзе, взорвавшись, увеличит яркость примерно в 10 тысяч раз. Несколько месяцев звезда будет иметь вид сияющей точки, по яркости подобной полной Луне. Но если какой-либо полюс Бетельгейзе будет обращён на Землю, то она получит от звезды поток гамма-лучей. Усилятся полярные сияния, уменьшится озоновый слой. Это может оказать очень негативное влияние на жизнь нашей планеты. Всё это только теоретические расчёты, каким же фактически будет эффект взрыва этого супергиганта, точно сказать нельзя.
Смерть звезды, так же, как и жизнь, иногда бывает очень красивой. И пример тому – сверхновые звёзды. Их вспышки мощны и ярки, они затмевают все светила, что расположены рядом.
Что вы знаете о сверхновых звездах? Наверняка скажете, что сверхновая звезда является грандиозным взрывом звезды, на месте которой остаётся нейтронная звезда или чёрная дыра.
Однако на самом деле не все сверхновые являются конечной стадией жизни массивных звезд. Под современную классификацию сверхновых взрывов, помимо взрывов сверхгигантов, входят также некоторые другие явления.
Новые и сверхновые
Термин «сверхновая» перекочевал от термина «новая звезда». «Новыми» называли звезды, которые возникали на небосклоне практически на пустом месте, после чего постепенно угасали. Первые «новые» известны ещё по китайским летописям, датируемым вплоть до второго тысячелетия до нашей эры. Что интересно, среди этих новых нередко встречались сверхновые. К примеру, именно сверхновую в 1571 году наблюдал Тихо Браге, который впоследствии ввёл термин «новая звезда». Сейчас нам известно, что в обоих случаях речь не идёт о рождении новых светил в буквальном смысле.
Новые и сверхновые звезды обозначают резкое увеличение яркости какой-либо звезды или группы звезд. Как правило, раньше люди не имели возможности наблюдать звёзды, которые порождали эти вспышки. Это были слишком тусклые объекты для невооруженного глаза или астрономического прибора тех лет. Их наблюдали уже в момент вспышки, что естественно походило на рождение нового светила.
Не смотря на схожесть этих явлений, в наши дни существует резкое различие в их определениях. Пиковая светимость сверхновых звезд в тысячи и сотни тысяч раз больше пиковой светимости новых. Такое расхождение объясняется принципиальным различием природы этих явлений.
Рождение новых звезд
Новые вспышки являются термоядерными взрывами, происходящим в некоторых тесных звездных системах. Такие системы состоят из и более крупной звезды-компаньона (звезды главной последовательности, субгиганта или ). Могучее тяготение белого карлика притягивает вещество из звезды-компаньона, в результате чего вокруг него образуется аккреционный диск. Термоядерные процессы, происходящие в аккреционном диске, временами теряют стабильность и приобретают взрывной характер.
В результате такого взрыва яркость звездной системы увеличивается в тысячи, а то и в сотни тысяч раз. Так происходит рождение новой звезды. Доселе тусклый, а то и невидимый для земного наблюдателя объект приобретает заметную яркость. Как правило, своего пика такая вспышка достигает всего за несколько дней, а затухать может годами. Нередко такие вспышки повторяются у одной и той же системы раз в несколько десятилетий, т.е. являются периодичными. Также вокруг новой звезды наблюдается расширяющаяся газовая оболочка.
Сверхновые взрывы обладают совершенно иной и более разнообразной природой своего происхождения.
Сверхновые принято разделять на два основных класса (I и II). Эти классы можно назвать спектральными, т.к. их отличает присутствие и отсутствие линий водорода в их спектрах. Также эти классы заметно отличаются визуально. Все сверхновые I класса схожи как по мощности взрыва, так и по динамике изменения блеска. Сверхновые же II класса весьма разнообразны в этом плане. Мощность их взрыва и динамика изменения блеска лежит в весьма обширном диапазоне.
Все сверхновые II класса порождаются гравитационным коллапсом в недрах массивных звезд. Другими словами, этот тот самый, знакомый нам, взрыв сверхгигантов. Среди сверхновых первого класса существуют те, механизм взрыва которых скорее схож с взрывом новых звезд.
Смерть сверхгигантов
Сверхновыми становятся звезды, масса которых превышает 8-10 солнечных масс. Ядра таких звезд, исчерпав, водород, переходят к термоядерным реакциям с участием гелия. Исчерпав гелий, ядро переходит к синтезу всё более тяжелых элементов. В недрах звезды создаётся всё больше слоёв, в каждом из которых происходит свой тип термоядерного синтеза. В конечной стадии своей эволюции такая звезда превращается в «слоёный» сверхгигант. В его ядре происходит синтез железа, тогда как ближе к поверхности продолжается синтез гелия из водорода.
Слияние ядер железа и более тяжёлых элементов происходит с поглощением энергии. Поэтому, став железным, ядро сверхгиганта больше не способно выделять энергию для компенсации гравитационных сил. Ядро теряет гидродинамическое равновесие и приступает к беспорядочному сжатию. Остальные слои звезды продолжают поддерживать это равновесие, до тех пор, пока ядро не сожмётся до некого критического размера. Теперь гидродинамическое равновесие теряют остальные слои и звезда в целом. Только в этом случае «побеждает» не сжатие, а энергия, выделившая в ходе коллапса и дальнейших беспорядочных реакций. Происходит сброс внешней оболочки - сверхновый взрыв.
Классовые различия
Различные классы и подклассы сверхновых объясняются тем, какой звезда была до взрыва. К примеру, отсутствие водорода у сверхновых I класса (подкласса Ib, Ic) является следствие того, что водорода не было у самой звезды. Вероятнее всего, часть её внешней оболочки была потеряна в ходе эволюции в тесной двойной системе. Спектр подкласса Ic отличается от Ib отсутствием гелия.
В любом случае сверхновые таких классов происходят у звезд, не имеющих внешней водородно-гелиевой оболочки. Остальные же слои лежат в довольно строгих пределах своего размера и массы. Это объясняется тем, что термоядерные реакции сменяют друг друга с наступлением определенной критической стадии. Поэтому взрывы звезд Ic и Ib класса так похожи. Их пиковая светимость примерно в 1,5 миллиардов раз превышает светимость Солнца. Эту светимость они достигают за 2-3 дня. После этого их яркость в 5-7 раз слабеет за месяц и медленно уменьшается в последующие месяцы.
Звёзды сверхновых II типа обладали водородно-гелиевой оболочкой. В зависимости от массы звезды и других её особенностей это оболочка может иметь различные границы. Отсюда объясняются широкий диапазон в характерах сверхновых. Их яркость может колебаться от десятков миллионов до десятков миллиардов солнечных светимостей (исключая гамма-всплески - см. дальше). А динамика изменения яркость имеет самый различный характер.
Трансформация белого карлика
Особую категорию сверхновых составляет вспышки . Это единственный класс сверхновых звезд, который может происходить в эллиптических галактиках. Такая особенность говорит о том, что эти вспышки не являются продуктом смерти сверхгигантов. Сверхгиганты не доживают до того момента, как их галактики «состарятся», т.е. станут эллиптическими. Также все вспышки этого класса имеют практически одинаковую яркость. Благодаря этому сверхновые Ia типа являются «стандартными свечами» Вселенной.
Они возникают по отличительно иной схеме. Как отмечалось ранее, эти взрывы по своей природе чем-то сходны с новыми взрывами. Одна из схем их возникновения предполагает, что они также зарождаются в тесной системе белого карлика и его звезды-компаньона. Однако, в отличие от новых звезд, здесь происходит детонация иного, более катастрофического типа.
По мере «пожирания» своего компаньона, белый карлик увеличивается в массе до тех пор, пока не достигнет предела Чандрасекара. Этот предел, примерно равный 1,38 солнечной массы, является верхней границы массы белого карлика, после которого он превращается в нейтронную звезду. Такое событие сопровождается термоядерным взрывом с колоссальным выделением энергии, на много порядков превышающим обычный новый взрыв. Практически неизменное значение предела Чандрасекара объясняет столь малое расхождение в яркостях различных вспышек данного подкласса. Эта яркость почти в 6 миллиардов раз превышает солнечную светимость, а динамика её изменения такая же, как у сверхновых Ib, Ic класса.
Гиперновые взрывы
Гиперновыми называют вспышки, энергия которых на несколько порядков превышает энергию типичных сверхновых. То есть, по сути они гиперновые являются очень яркими сверхновыми.
Как правило, гиперновым считается взрыв сверхмассивных звезд, также называемых . Масса таких звезд начинается с 80 нередко превышает теоретический предел 150 солнечных масс. Также существуют версии, что гиперновые звезды могут образовываться в ходе аннигиляции антиматерии, образованию кварковой звезды или же столкновением двух массивных звезд.
Примечательны гиперновые тем, что они являются основной причиной, пожалуй, самых энергоёмких и редчайших событий во Вселенной - гамма-всплесков. Продолжительность гамма всплесков составляет от сотых секунд до нескольких часов. Но чаще всего они длятся 1-2 секунду. За эти секунды они испускают энергию, подобную энергии Солнца за все 10 миллиардов лет её жизни! Природа гамма-всплесков до сих пор по большей части остаётся под вопросом.
Прародители жизни
Несмотря на всю свою катастрофичность, сверхновые по праву можно назвать прародителями жизни во Вселенной. Мощность их взрыва подталкивает межзвездную среду на образования газопылевых облаков и туманностей, в которых впоследствии рождаются звезды. Ещё одна их особенность состоит в том, что сверхновые насыщают межзвездную среду тяжелыми элементами.
Именно сверхновые порождают все химические элементы, что тяжелее железа. Ведь, как отмечалось ранее, синтез таких элементов требует затрат энергии. Только сверхновые способны «зарядить» составные ядра и нейтроны на энергозатратные производство новых элементов. Кинетическая энергия взрыва разносит их по пространству вместе с элементами, образовавшимися в недрах взорвавшейся звезды. В их число входят углерод, азот и кислород и прочие элементы, без которых невозможна органическая жизнь.
Наблюдение за сверхновыми
Сверхновые взрывы являются крайне редкими явлениями. В нашей галактике, содержащей более сотни миллиардов звёзд, происходит всего лишь несколько вспышек за столетие. Согласно летописным и средневековым астрономическим источникам, за последние две тысячи лет были зафиксированы лишь шесть сверхновых, видимых невооруженным глазом. Современным астрономам ни разу не доводилось наблюдать сверхновых в нашей галактике. Наиболее ближайшая произошла в 1987 в Большом Магеллановым Облаке, в одном из спутников Млечного Пути. Каждый год учёные наблюдают до 60 сверхновых, происходящих в других галактиках.
Именно из-за этой редкости сверхновые практически всегда наблюдаются уже в момент вспышки. События, предшествующие ей почти никогда не наблюдались, поэтому природа сверхновых до сих пор во многом остаётся загадочной. Современная наука не способна достаточно точно спрогнозировать сверхновые. Любая звезда-кандидат способна вспыхнуть лишь через миллионы лет. Наиболее интересна в этом плане Бетельгейзе, которая имеет вполне реальную возможность озарить земное небо на нашем веку.
Вселенские вспышки
Гиперновые взрывы случаются ещё реже. В нашей галактике такое событие случаются раз в сотни тысяч лет. Однако, гамма-всплески, порождаемые гиперновыми, наблюдаются почти ежедневно. Они настолько мощны, что регистрируются практически со всех уголков Вселенной.
К примеру, один из гамма-всплесков, расположенных в 7,5 миллиардов световых лет, можно было разглядеть невооружённым глазом. Произойти он в галактике Андромеда, земное небо на пару секунд осветила звезда с яркостью полной луны. Произойти он на другом краю нашей галактики, на фоне Млечного Пути появилось бы второе Солнце! Получается, яркость вспышки в квадриллионы раз ярче Солнца и в миллионы раз ярче нашей Галактики. Учитывая, что галактик во Вселенной миллиарды, неудивительно, почему такие события регистрируются ежедневно.
Влияние на нашу планету
Маловероятно, что сверхновые могут нести угрозу современному человечеству и каким-либо образом повлиять на нашу планету. Даже взрыв Бетельгейзе лишь осветит наше небо на несколько месяцев. Однако, безусловно, они решающим образом влияли на нас в прошлом. Примером тому служит первое из пяти массовых вымираний на Земле, произошедших 440 млн. лет назад. По одной из версий причиной этому вымиранию послужил гамма-вспышка, произошедшая в нашей Галактике.
Более примечательна совсем иная роль сверхновых. Как уже отмечалось, именно сверхновые создают химические элементы, необходимые для появления углеродной жизни. Земная биосфера не была исключением. Солнечная система сформировалось в газовом облаке, которые содержали осколки былых взрывов. Получается, мы все обязаны сверхновым своим появлением.
Более того, сверхновые и в дальнейшем влияли на эволюцию жизни на Земле. Повышая радиационный фон планеты, они заставляли организмы мутировать. Не стоит также забывать про крупные вымирания. Наверняка сверхновые не единожды «вносили коррективы» в земную биосферу. Ведь не будь тех глобальный вымираний, на Земле бы сейчас господствовали совсем другие виды.
Масштабы звездных взрывов
Чтобы наглядно понять, какой энергией обладают сверхновые взрывы, обратимся к уравнению эквивалента массы и энергии. Согласно нему, в каждом грамме материи заключено колоссальное количество энергии. Так 1 грамм вещества эквивалентен взрыву атомной бомбы, взорванной над Хиросимой. Энергия царь-бомбы эквивалента трём килограммам вещества.
Каждую секунду ходе термоядерных процессов в недрах Солнца 764 миллиона тонн водорода превращается в 760 миллион тонн гелия. Т.е. каждую секунду Солнце излучает энергию, эквивалентную 4 млн. тоннам вещества. Лишь одна двухмиллиардная часть всей энергии Солнца доходит до Земли, это эквивалентно двум килограммам массы. Поэтому говорят, что взрыв царь-бомбы можно было наблюдать с Марса. К слову, Солнце доставляет на Землю в несколько сотен раз больше энергии, чем потребляет человечество. То есть, чтобы покрыть годовые энергетические потребности всего современного человечества нужно превращать в энергию всего несколько тонн материи.
Учитывая вышесказанное, представим, что средняя сверхновая в своём пике «сжигает» квадриллионы тон вещества. Это соответствует массе крупного астероида. Полная же энергия сверхновой эквивалентна массе планеты или даже маломассивной звезды. Наконец, гамма-всплеск за секунды, а то и за доли секунды своей жизни, выплёскивает энергию, эквивалентную массе Солнца!
Такие разные сверхновые
Термин «сверхновая» не должен ассоциироваться исключительно с взрывом звёзд. Эти явления, пожалуй, также разнообразны, как разнообразны сами звёзды. Науке только предстоит понять многие их секреты.
