Моделирование ситуации рождения сверхновой - нелегкое дело. По крайней мере, до недавнего времени все эксперименты терпели крах. Но астрофизикам все-таки удалось взорвать звезду.
11 ноября 1572 г. астроном Тихо Браге (Tycho Brahe ) заметил в созвездии Кассиопеи новую звезду, сияющую так же ярко, как Юпитер. Пожалуй, именно тогда рухнула уверенность в том, что небеса вечны и неизменны, и родилась современная астрономия. Спустя четыре века астрономы поняли, что некоторые звезды, вдруг становясь в миллиарды раз ярче обычных, взрываются. В 1934 г. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky ) из Калифорнийского технологического института назвал их «сверхновыми». Они снабжают космическое пространство во Вселенной тяжелыми элементами, управляющими формированием и эволюцией галактик, и помогают изучать расширение пространства.
Цвикки и его коллега Вальтер Бааде (Walter Baade ) предположили, что энергию для взрыва дает звезде гравитация. По их мнению, звезда сжимается, пока ее центральная часть не достигнет плотности атомного ядра. Коллапсирующее вещество может выделить гравитационную потенциальную энергию, достаточную чтобы выбросить наружу ее остатки. В 1960 г. Фред Хойл (Fred Hoyle ) из Кембриджского университета и Вилли Фаулер (Willy Fowler ) из Калтеха считали, что сверхновые похожи на гигантскую ядерную бомбу. Когда звезда типа Солнца сжигает свое водородное, а затем и гелиевое топливо, наступает очередь кислорода и углерода. Синтез этих элементов не только обеспечивает гигантский выброс энергии, но и производит радиоактивный никель-56, распад которого может объяснить послесвечение взрыва, длящееся несколько месяцев.
Обе идеи оказались правильными. В спектрах некоторых сверхновых нет следов водорода (обозначаются как тип I); по-видимому, у большинства из них произошел термоядерный взрыв (тип Iа ), а у остальных (типы Ib и Ic ) - коллапс звезды, сбросившей свой внешний водородный слой. Сверхновые, в спектрах которых обнаружен водород (тип II), также возникают в результате коллапса. Оба явления превращают звезду в разлетающееся газовое облако, а гравитационный коллапс приводит к образованию сверхплотной нейтронной звезды или даже черной дыры. Наблюдения, в особенности сверхновой 1987А (тип II), подтверждают предложенную теорию.
Однако до сих пор взрыв сверхновой остается одной из главных проблем астрофизики. Компьютерные модели воспроизводят его с трудом. Очень сложно заставить звезду взорваться (что само по себе приятно). Звезды - саморегулирующиеся объекты, которые остаются стабильными в течение миллионов и миллиардов лет. Даже умирающие светила имеют механизмы затухания, но не взрыва. Чтобы воспроизвести последний, потребовались многомерные модели, расчет которых был вне возможностей компьютеров.
Взрыв - дело нелегкое
Белые карлики - это неактивные остатки звезд, похожих на Солнце, которые постепенно остывают и затухают. Они могут взрываться как сверхновые типа Ia . Однако, по мнению Хойла и Фаулера, если белый карлик вращается вокруг другой звезды на близкой орбите, он может аккретировать (отсасывать) вещество со своего компаньона, увеличивая тем самым свою массу, центральную плотность и температуру до такой степени, что возможен взрывной синтез из углерода и кислорода.
Термоядерные реакции должны вести себя как обычный огонь. Фронт горения может распространяться через звезду, оставляя за собой «ядерный пепел» (в основном - никель). В каждый момент времени реакции синтеза должны идти в небольшом объеме, в основном - в тонком слое на поверхности пузырей, заполненных «пеплом» и плавающих в глубине белого карлика. Из-за своей низкой плотности пузыри могут всплывать к поверхности звезды.
Но термоядерное пламя будет гаснуть, поскольку выделение энергии приводит к расширению и охлаждению звезды, гася ее горение. В отличие от обычной бомбы, у звезды нет оболочки, ограничивающей ее объем.
Кроме того, в лаборатории невозможно воссоздать взрыв сверхновой, его можно только наблюдать в космосе. Наша группа провела тщательное моделирование, используя суперкомпьютер IBM p690 . Численная модель звезды была представлена расчетной сеткой, имевшей 1024 элемента по каждой из сторон, что позволило разрешить детали размером в несколько километров. Каждый вычислительный сет потребовал более чем 10 20 арифметических операций; с такой задачей мог справиться лишь суперкомпьютер, проделывающий более 10 11 операций в секунду. В итоге все это заняло почти 60 процессоро-лет. Различные вычислительные ухищрения, упрощающие модель и используемые в других областях науки, неприменимы к сверхновым с их асимметричными течениями, экстремальными условиями и гигантским пространственным и температурным диапазоном. Физика частиц, ядерная физика, гидродинамика и теория относительности очень сложны, а модели сверхновых должны оперировать ими одновременно.
Под капотом
Решение пришло с неожиданной стороны - при изучении работы автомобильного двигателя. Перемешивание бензина и кислорода и их воспламенение создают турбулентность, которая, в свою очередь, увеличивает поверхность горения, интенсивно деформируя ее. При этом скорость сжигания топлива, пропорциональная площади горения, возрастает. Но и звезда тоже турбулентна. Потоки газа проходят в ней огромные расстояния с большой скоростью, поэтому малейшие возмущения быстро превращают спокойное течение в турбулентный поток. В сверхновой всплывающие горячие пузыри должны перемешивать вещество, заставляя ядерное горение распространяться так быстро, что звезда не успеет перестроиться и «затушить» пламя.
В исправно работающем двигателе внутреннего сгорания пламя распространяется с дозвуковой скоростью, ограниченной скоростью диффузии тепла сквозь вещество - такой процесс называют дефлаграцией, или быстрым горением. В «стреляющем» двигателе пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью в виде ударной волны, проносящейся по кислородно-топливной смеси и сжимающей ее (детонация). Термоядерное пламя может распространяться тоже двумя путями. Детонация способна полностью сжечь звезду, оставив только самые «негорючие» элементы, такие как никель и железо. Однако в продуктах этих взрывов астрономы обнаруживают большое разнообразие элементов, включая кремний, серу и кальций. Следовательно, ядерное горение распространяется, по крайней мере, в начале, как дефлаграция.
В последние годы были созданы надежные модели термоядерной дефлаграции. Исследователи из Калифорнийского (г. Санта-Круз), Чикагского университетов и наша группа опирались при этом на программы, созданные для исследования химического горения и даже для прогноза погоды. Турбулентность - принципиально трехмерный процесс. В турбулентном каскаде кинетическая энергия перераспределяется от больших масштабов к малым и, в конце концов, рассеивается в виде тепла. Исходный поток дробится на все более и более мелкие части. Поэтому моделирование непременно должно быть трехмерным.
Модель сверхновой имеет грибообразный вид: горячие пузыри поднимаются в слоеной среде, сморщиваясь и растягиваясь турбулентностью. Усиленный ею рост скорости ядерных реакций за несколько секунд приводит к разрушению белого карлика, остатки которого разлетаются со скоростью около 10 тыс. км/с, что соответствует наблюдаемой картине.
Но до сих пор не ясно, отчего воспламеняется белый карлик. Кроме того, дефлаграция должна выбрасывать большую часть вещества карлика неизмененной, а наблюдения показывают, что лишь малая часть звезды не изменяется. Вероятно, взрыв обусловлен не только быстрым горением, но и детонацией, а причина сверхновых типа Ia - не только аккреция вещества на белый карлик, но и слияние двух белых карликов.
Гравитационная могила
Другой тип сверхновых, вызванный коллапсом звездного ядра, объяснить труднее. С наблюдательной точки зрения эти сверхновые более разнообразны, чем термоядерные: одни из них имеют водород, другие нет; одни взрываются в плотной межзвездной среде, другие - в почти пустом пространстве; одни выбрасывают огромное количество радиоактивного никеля, другие нет. Энергия выброса и скорость расширения также различаются. Самые мощные из них производят не только классический взрыв сверхновой, но и продолжительный гамма-всплеск (см.: Герелс Н., Леонард П. и Пиро Л. Ярчайшие взрывы во Вселенной // ВМН, № 4, 2003). Эта неоднородность свойств - одна из многих загадок. Сверхновые с коллапсом ядра - основные кандидаты для формирования самых тяжелых элементов, таких как золото, свинец, торий и уран, которые могут образоваться только в особых условиях. Но никто не знает, действительно ли такие предпосылки возникают в звезде, когда ее ядро взрывается.
Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов. Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов. Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.
В этот момент сжатие останавливается и сменяется расширением. Вещество, втянутое вглубь гравитацией, начинает частично вытекать наружу. В классической теории данная задача решается с помощью ударной волны, которая возникает, когда внешние слои звезды со сверхзвуковой скоростью налетают на ядро, внезапно замедлившее свое сжатие. Ударная волна движется наружу, сжимая и нагревая вещество, с которым она сталкивается, и в то же время теряет свою энергию, в конце концов затухая. Моделирование показывает, что энергия сжатия быстро рассеивается. Как же в таком случае звезда взрывает себя?
Первой попыткой разрешить задачу стала работа Стирлинга Колгейта (Stirling Colgate ) и Ричарда Уайта (Richard White ) 1966 г., а позже - компьютерные модели Джима Вильсона (Jim Wilson ), созданные им в начале 1980-х гг., когда все трое работали в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Они предположили, что ударная волна - не единственный переносчик энергии от ядра к внешним слоям звезды. Возможно, вспомогательную роль играют нейтрино, рожденные во время коллапса. На первый взгляд, идея выглядит странной: как известно, нейтрино чрезвычайно неактивны, они так слабо взаимодействуют с другими частицами, что их даже трудно зарегистрировать. Но в сжимающейся звезде они обладают более чем достаточной энергией, чтобы вызвать взрыв, а в условиях предельно высокой плотности неплохо взаимодействуют с веществом. Нейтрино нагревают слой вокруг коллапсирующего ядра сверхновой, поддерживая давление в тормозящейся ударной волне.
Сверхновая с коллапсом ядра
- Сверхновые другого рода образуются при сжатии звезд с массами более 8 масс Солнца. Они относятся к типам Ib , Ic или II, в зависимости от наблюдаемых особенностей
- Массивная звезда в конце жизни имеет слоистую структуру из разных химических элементов
- Железо не участвует в ядерном синтезе, поэтому в ядре не выделяется тепло. Газовое давление падает, и лежащее выше вещество устремляется вниз
- За секунду ядро сжимается и превращается в нейтронную звезду. Падающее вещество отскакивает от нейтронной звезды и создает ударную волну
- Нейтрино вырывается из новорожденной нейтронной звезды, неравномерно подталкивая наружу ударную волну
- Ударная волна проносится по звезде, разрывая ее на части
Как ракета
Но достаточно ли такого дополнительного толчка для поддержания волны и завершения взрыва? Компьютерное моделирование показывало, что недостаточно. Несмотря на то, что газ и поглощает нейтрино, и излучает их; модели показывали, что потери доминируют, и поэтому взрыв не получается. Но в этих моделях было одно упрощение: звезда в них считалась сферически симметричной. Поэтому игнорировались многомерные явления, такие как конвекция и вращение, которые очень важны, поскольку наблюдаемые сверхновые порождают весьма несферичный, «лохматый» остаток.
Многомерное моделирование показывает, что вокруг ядра сверхновой нейтрино нагревают плазму и создают в ней всплывающие пузыри и грибообразные потоки. Конвекция переносит энергию к ударным волнам, толкая их вверх и вызывая взрыв.
Когда взрывная волна немного замедляется, пузыри горячей расширяющейся плазмы, разделенные текущим вниз холодным веществом, сливаются. Постепенно образуются один или несколько пузырей в окружении нисходящих потоков. В результате взрыв становится асимметричным. Кроме того, заторможенная ударная волна может деформироваться, и тогда коллапс принимает форму песочных часов. Дополнительная неустойчивость возникает, когда ударная волна вырывается наружу и проходит через неоднородные слои предка сверхновой. При этом химические элементы, синтезированные на протяжении жизни звезды и во время взрыва, перемешиваются.
Поскольку остатки звезды в основном вылетают в одну сторону, находящаяся в центре нейтронная звезда отскакивает в другую, как скейтборд, откатывающийся назад, когда вы спрыгиваете с него. Наша компьютерная модель показывает скорость отскока более 1000 км/с, что соответствует наблюдаемому движению многих нейтронных звезд. Но некоторые из них движутся медленнее, вероятно, потому, что пузыри во время образовавшего их взрыва не успели слиться. Возникает единая картина, в которой различные варианты становятся результатом одного основного эффекта.
Несмотря на значительные достижения последних лет, ни одна из существующих моделей не воспроизводит весь комплекс явлений, связанных со взрывом сверхновой, и содержит упрощения. Полная версия должна использовать семь измерений: пространство (три координаты), время, энергия нейтрино и скорость нейтрино (описанную двумя угловыми координатами). Более того, это нужно сделать для всех трех типов, или ароматов нейтрино.
Но может ли взрыв быть спровоцирован различными механизмами? Ведь магнитное поле может перехватить вращательную энергию только что сформировавшейся нейтронной звезды и дать новый толчок ударной волне. Кроме того, оно будет выдавливать вещество наружу вдоль оси вращения в виде двух полярных джетов. Эти эффекты позволят объяснить наиболее мощные взрывы. В частности, гамма-всплески могут быть связаны с джетами, движущимися с околосветовой скоростью. Возможно, ядра таких сверхновых коллапсируют не в нейтронную звезду, а в черную дыру.
Пока теоретики улучшают свои модели, наблюдатели пытаются использовать не только электромагнитное излучение, но также нейтрино и гравитационные волны. Коллапс ядра звезды, его бурление в начале взрыва и его возможное превращение в черную дыру приводят не только к интенсивному выбросу нейтрино, но и сотрясают структуру пространства-времени. В отличие от света, который не может пробиться сквозь вышележащие слои, эти сигналы исходят прямо из бурлящего ада в центре взрыва. Созданные недавно детекторы нейтрино и гравитационных волн могут приоткрыть завесу над тайной смерти звезд.
Реактивный эффект сверхновой
Наблюдатели гадали, почему нейтронные звезды несутся по Галактике с огромной скоростью. Новые модели сверхновой с коллапсом ядра предлагают объяснение, основанное на внутренней асимметрии этих взрывов
Моделирование показывает, что асимметрия развивается уже в начале взрыва. Малые различия в начале коллапса звезды приводят к большим различиям в степени асимметрии
Когда заканчивается звёздное топливо, поддерживающее термоядерную реакцию, температура внутренних областей звезды начинает понижаться и они не могут противостоять гравитационному сжатию. Звезда коллапсирует, т.е. её вещество падает внутрь. При этом иногда наблюдаются вспышка сверхновой звезды или другие бурные явления. Сверхновая звезда может засиять ярче миллиардов обычных звёзд и выделить примерно столько же световой энергии, сколько наше Солнце выделяет за миллиард лет..
За последнее тысячелетие в Нашей Галактике вспыхнули только пять сверхновых (1006, 1054, 1181, 1572, 1604). По крайней мере, столько их отмечено в письменных источниках (ещё какие-то могли быть не отмечены или взорваться за густыми газопылевыми облаками). Но сейчас астрономам каждый год удаётся наблюдать до 10 вспышек сверхновых в других галактиках. Тем не менее, такие вспышки — это всё равно редкое явление. Чаще внешние оболочки звезды сбрасываются без столь мощного взрыва. Или звезда "умирает" ещё спокойнее. Итак, возможны несколько сценариев звёздного коллапса. Рассмотрим их по отдельности.
Тихое угасание свойственно звёздам с массой менее 0,8 солнечной. Тихо угасают карликовые звёзды (все красные и коричневые карлики, а также, наверное, часть оранжевых карликов). Они превращаются в "прохладные" гелиево-водородные шары вроде Юпитера, но всё-таки во много раз больше его (в чёрные карлики). Разумеется, этот процесс происходит очень медленно, так как звезда после исчерпания термоядерного топлива ещё очень долго светит за счёт постепенного гравитационного сжатия. Наша область Вселенной столь молода, что, наверное, тихо угасших звёзд пока ещё нет.
Коллапс с образованием белого карлика характерен для звёзд с массой от 0,8 до 8 солнечных. "Выгоревшие" звёзды сбрасывают свою оболочку, из которой образуется планетарная туманность из пыли и газа. Это происходит следующим образом. Пока в ядре "горел" гелий, который превращался в углерод, высокая температура ядра (т.е. большая скорость частиц) препятствовала гравитационному сжатию ядра. Когда гелий в ядре закончился, остывающее углеродное ядро стало постепенно сжиматься, увлекая за собой внутрь звезды гелий (а также водород) из наружных слоёв. Тогда этот новый гелий "загорелся" в оболочке, и оболочка стала с огромной скоростью расширяться. Оказалось, что сравнительно "лёгкая" звезда не может удержать разлетающуюся оболочку, и она превращается в так называемую планетарную туманность. Раньше считали, что из таких туманностей образуются планеты. Оказалось, что это не так: подобные туманности расширяются и рассеиваются в пространстве, но название сохранилось. Скорость расширения планетарных туманностей составляет от 5 до 100 км/с, а в среднем — 20 км/с. Ядро звезды продолжает сжиматься, т.е. коллапсирует с образованием бело-голубого карлика, который после некоторого остывания становится белым карликом. Молодые белые карлики скрыты в пылевом коконе, который ещё не успел превратиться в хорошо заметную планетарную туманность. Вспышки сверхновой при таком коллапсе не происходит, и этот сценарий окончания активной жизни звезды очень распространён. Белые карлики описаны выше, и можно только напомнить, что по объёму они соразмерны нашей планете, что атомы в них укомплектованы максимально плотно, что вещество сжато до плотностей в полтора миллиарда раз больше, чем у воды, и что в относительно стабильном состоянии эти звёзды удерживаются за счёт отталкивания тесно прижатых друг к другу электронов.
Если звезда изначально была чуть массивней, то термоядерная реакция заканчивается не на стадии горения гелия, а чуть позже (например, на стадии горения углерода), но это не принципиально меняет судьбу звезды.
Белые карлики "тлеют" неопределённо долгое время и светятся за счёт очень медленного гравитационного сжатия. Но в некоторых особых случаях они быстро коллапсируют и взрываются с полным разрушением.
Коллапс белого карлика с полным разрушением звезды бывает в том случае, если белый карлик перетянет со спутника вещество до критической массы, составляющей 1,44 солнечной. Эта масса называется чандрасекаровской по имени индийского математика Субраманьяна Чандрасекара, вычислившего её и открывшего возможность коллапса. При такой массе взаимное отталкивание электронов уже не может препятствовать гравитации. Это приводит к внезапному падению вещества внуть звезды, к резкому сжатию звезды и увеличению температуры, "вспыхиванию" углерода в центре звезды и его "сгоранию" в идущей наружу волне. И хотя термоядерное "горение" углерода не совсем взрывное (не детонация, а дефлаграция, т.е. дозвуковое "горение"), звезда полностью разрушается и её остатки разлетаются во все стороны со скоростью 10000 км/с. Этот механизм изучен в 1960 г. Хойлом и Фаулером и носит название взрыва сверхновой звезды I типа.
Все взрывы звёзд этого типа в первом приближении одинаковы: три недели светимость растёт, а потом постепенно падает в течение 6 месяцев или чуть более долгого времени. Поэтому по вспышкам сверхновых I типа можно определять расстояния до других галактик, т.к. такие вспышки видны издалека, а их истинную яркость мы знаем. Недавно, однако, выяснилось, что эти сверхновые взрываются несимметрично (хотя бы потому, что у них есть близкий спутник), и их яркость на 10% зависит от того, с какой стороны видеть вспышку. Для определения расстояний лучше измерять блеск этих сверхновых не в момент максимума яркости, а через одну-две недели спустя, когда видимая поверхность оболочки становится почти сферической.
Возможность наблюдать очень далёкие сверхновые I типа помогает изучать скорость расширения Вселенной в разные эпохи (светимость звезды говорит о расстоянии до неё и времени события, а цвет — о скорости её удаления). Так было открыто замедление расширения Вселенной в первые 8,7 млрд. лет и ускорение этого расширения в последние 5 млрд. лет, т.е. "Второй Большой взрыв".
Коллапс с образованием нейтронной звезды присущ звёздам, которые более чем в 8 раз массивнее Солнца. На заключительной стадии их развития внутри кремниевой оболочки начинает формироваться железное ядро. Такое ядро вырастает за сутки и коллапсирует менее, чем за 1 секунду, как только достигнет чандрасекаровского предела. Для ядра этот предел составляет от 1,2 до 1,5 массы Солнца. Вещество падает внутрь звезды, причём отталкивание электронов не может остановить падения. Вещество продолжает разгоняться, падать и сжиматься до тех пор, пока не начинает сказываться отталкивание между нуклонами атомного ядра (протонами, нейтронами). Строго говоря, сжатие происходит даже более этого предела: падающее вещество по инерции превосходит точку равновесия из-за упругости нуклонов на 50% ("максимальное стискивание"). После этого "сжатый резиновый мяч отдаёт назад", и ударная волна выходит во внешние слои звезды со скоростью от 30000 до 50000 км/с. Внешние части звезды разлетаются во все стороны, а в центре взорвавшейся области остаётся компактная нейтронная звезда. Это явление называется взрывом сверхновой II типа. Взрывы эти различны по мощности и другим параметрам, т.к. взрываются звёзды различной массы и различного химического состава [разные источники]. Есть указание, что при взрыве II типа энергии выделяется не больше, чем при взрыве I типа, т.к. часть энергии поглощается оболочкой, но, может быть, это устаревшие сведения.
В описанном сценарии имеется ряд неясностей. В ходе астрономических наблюдений установлено, что массивные звёзды действительно взрываются, в результате чего образуются расширяющиеся туманности, а в центре остаётся быстро вращающаяся нейтронная звезда, излучающая регулярные импульсы радиоволн (пульсар). Но теория показывает, что идущая наружу ударная волна должна расщеплять атомы на нуклоны (протоны, нейтроны). На это должна тратиться энергия, в результате чего ударная волна должна погаснуть. Но почему-то этого не происходит: ударная волна за несколько секунд достигает поверхности ядра, далее — поверхности звезды и сдувает вещество. Авторы рассматривают несколько гипотез для разных масс, но они не кажутся убедительными. Возможно, в состоянии "максимального стискивания" или в ходе взаимодействия ударной волны с продолжающим падать веществом в силу вступают какие-то принципиально новые и неизвестные нам физические законы.
В пределах Нашей Галактики связь остатков сверхновой звезды с пульсаром к середине 1980-х годов была известна только для Крабовидной туманности.
Коллапс с образованием черной дыры присущ наиболее массивным звёздам. Он тоже называется взрывом сверхновой II типа, происходит по сходному сценарию, но в результате него вместо нейтронной звезды возникает чёрная дыра. Это происходит в тех случаях, когда масса коллапсирующей звезды столь велика, что взаимное отталкивание между нуклонами (протонами, нейтронами) не может препятствовать гравитационному сжатию. Нужно отметить, что это явление в теоретическом плане менее понятно и почти не изучено методами наблюдательной астрономии. Почему, например, вещество не полностью проваливается в чёрную дыру? Имеется ли что-то аналогичное "максимальному стискиванию"? Имеется ли идущая наружу ударная волна? Почему она не тормозится?
Недавно произведены наблюдения, из которых следует, что ударная волна сверхновой рождает в расширяющейся оболочке прежней гигантской звезды гамма- вспышку или рентгеновскую вспышку (см. раздел о гамма-всплесках).
Каждая сверхновая II типа производит активного изотопа алюминия (26Al) около 0,0001 массы Солнца. Распад этого изотопа создаёт жёсткое излучение, которое длительно наблюдалось, и по его интенсивности рассчитано, что в Галактике менее трёх солнечных масс данного изотопа. Это означает, что сверхновые IIтипа должны взрываться в Галактике в среднем два раза в столетие, чего не наблюдается. Вероятно, в последние века многие подобные взрывы не замечались (например, были далеко или происходили за облаками космической пыли). В любом случае сверхновой звезде давно пора взрываться…
Звезда может погибнуть разными способами, но обычно люди думают, что звёзды взрываются.
Термин "Сверхновая" описывает взрывы с выделением большого количества энергии в момент, когда определённые звёзды достигают определённой стадии развития. Сверхновые могут сиять ярче целых галактик, и разрушать всё, что находится в сотне световых лет от них. Но сверхновые - не просто удивительное природное явления. Это самые важные явления, необходимый для развития сложной материи и в том числе, жизни
.
Мы начнём с того, как возникают сверхновые. Когда в одном месте собирается достаточно газа, его масса начинает оказывать гравитационное действие, сфокусированное в центре облака. Когда давление превосходит определённый предел, атомы водорода в центре сферы начинают претерпевать синтез, зажигающий газ и превращающий его в звезду. Но всё время жизни звезды и её горения существует противодействие между давлением температурной реакции, направленным наружу, и гравитационным сжатием, направленным внутрь.
За миллиарды лет горения действующее наружу давление уменьшается, а гравитационная сила остаётся примерно такой же. Поэтому при остывании малых и средних звёзд гравитация в них начинает выигрывать - но поскольку эти звёзды не очень велики, гравитация не приводит ни к чему другому, кроме как к удержанию материи вместе. Такая безопасно остывшая звезда зовётся белым карликом. Предел массы, который необходим для возникновения сверхновой, называется пределом чандрасекара, и равен примерно 1, 4 массы солнца. В том случае, если звезда меньше, то погаснет она мирно.
При этом белый карлик ещё может зажечь под конец жизни. В принципе, такие звёзды можно зажечь заново. Она может притянуть к себе достаточно массы, чтобы давление в центре сильно увеличилось, и начался синтез углерода. Тогда начнётся неустойчивая реакция синтеза, которая приведёт к взрыву.
Либо, если ядро белого карлика будет состоять в основном из неона, его ядро сколлапсирует, что также приведёт к взрыву - но только после него останется нейтронная звезда. Почти всегда так происходит в бинарных системах, в которых одна звезда приближается к пределу чандрасекара, высасывая материю у своего партнёра. Поскольку астрономы не могут исследовать содержимое ядра звезды, они не знают, по какому из двух путей пойдёт её развитие.
У звёзд массивнее, чем 1, 4 масс солнца, жизненный цикл другой. Красный гигант медленно сгорает, при этом его гравитация оказывается достаточно сильной, чтобы вызвать коллапс ядра и взрыв сверхновой. Звёзды массой от 1, 4 до 3 солнечных коллапсируют в нейтронные звёзды.
Звёзды тяжелее тоже коллапсируют, но при этом не останавливаются до тех пор, пока не превратятся в чёрную дыру. Это довольно редкое событие. Хотя чёрных дыр во вселенной достаточно много, их гораздо меньше, чем остальных типов остатков звёзд.
Сверхновые могут появиться и другими путями. К примеру, хотя большинство белых карликов медленно набирают массу, некоторые звёзды могут получить быстрый прирост массы (например, от столкновения с другой звездой) и быстро преодолеть предел чандрасекара - так быстро, что они не успеют начать коллапсировать.
У сверхновых есть несколько применений для астрономии. Например, сверхновые типа Ia (белый карлик, осуществивший углеродный синтез), шлёт в космос равномерные сигналы. Поэтому их окрестили "Стандартными Свечками", поскольку они служат учёным эталонами для оптических измерений. Правда, последние исследования говорят о том, что эти свечки не такие уж стандартные, как считалось ранее.
Но речь шла о том, что сверхновые - это не только прикольные и полезные явления. Чтобы породить элементы тяжелее углерода и неона, обычные звёзды не подходят. С этим справятся только сверхновые, умирающие звёзды.
Практически всё, с чем мы имеем дело, в какой-то момент было выброшено звездой в последние моменты её жизни. Земля - каменистый набор останков, выброшенных сверхновой. А также все кометы, астероиды и всё остальное, состоящие из более тяжёлой материи. И мы сами, состоящие из материи, взятой на земле, созданы из обломков сверхновой.
Звезда может погибнуть разными способами, но обычно люди думают, что звёзды взрываются.
Термин «сверхновая» описывает взрывы с выделением большого количества энергии в момент, когда определённые звёзды достигают определённой стадии развития. Сверхновые могут сиять ярче целых галактик, и разрушать всё, что находится в сотне световых лет от них. Но сверхновые – не просто удивительное природное явления. Это самые важные явления, необходимый для развития сложной материи и в том числе, жизни.
Поиск сверхновых астрономами
Начнём с того, как возникают сверхновые. Когда в одном месте собирается достаточно газа, его масса начинает оказывать гравитационное действие, сфокусированное в центре облака. Когда давление превосходит определённый предел, атомы водорода в центре сферы начинают претерпевать синтез, зажигающий газ и превращающий его в звезду. Но всё время жизни звезды и её горения существует противодействие между давлением температурной реакции, направленным наружу, и гравитационным сжатием, направленным внутрь.
Представление художника о первых звёздах
За миллиарды лет горения действующее наружу давление уменьшается, а гравитационная сила остаётся примерно такой же. Поэтому при остывании малых и средних звёзд гравитация в них начинает выигрывать – но поскольку эти звёзды не очень велики, гравитация не приводит ни к чему другому, кроме как к удержанию материи вместе. Такая безопасно остывшая звезда зовётся белым карликом. Предел массы, который необходим для возникновения сверхновой, называется пределом Чандрасекара, и равен примерно 1,4 массы Солнца. Если звезда меньше, то погаснет она мирно.
Сверхновые настолько ярки, что выделяются даже на фоне галактик
При этом белый карлик ещё может зажечь под конец жизни. В принципе, такие звёзды можно зажечь заново. Она может притянуть к себе достаточно массы, чтобы давление в центре сильно увеличилось, и начался синтез углерода. Тогда начнётся неустойчивая реакция синтеза, которая приведёт к взрыву.
Либо, если ядро белого карлика будет состоять в основном из неона, его ядро сколлапсирует, что также приведёт к взрыву – но только после него останется нейтронная звезда. Почти всегда так происходит в бинарных системах, в которых одна звезда приближается к пределу Чандрасекара, высасывая материю у своего партнёра. Поскольку астрономы не могут исследовать содержимое ядра звезды, они не знают, по какому из двух путей пойдёт её развитие.
Остатки сверхновой Тихо
У звёзд массивнее, чем 1,4 масс Солнца, жизненный цикл другой. Красный гигант медленно сгорает, при этом его гравитация оказывается достаточно сильной, чтобы вызвать коллапс ядра и взрыв сверхновой. Звёзды массой от 1,4 до 3 солнечных коллапсируют в нейтронные звёзды.
Звёзды тяжелее тоже коллапсируют, но при этом не останавливаются до тех пор, пока не превратятся в чёрную дыру. Это довольно редкое событие. Хотя чёрных дыр во Вселенной достаточно много, их гораздо меньше, чем остальных типов остатков звёзд.
Как художник видит бинарную систему
Сверхновые могут появиться и другими путями. К примеру, хотя большинство белых карликов медленно набирают массу, некоторые звёзды могут получить быстрый прирост массы (например, от столкновения с другой звездой) и быстро преодолеть предел Чандрасекара – так быстро, что они не успеют начать коллапсировать.
У сверхновых есть несколько применений для астрономии. Например, сверхновые типа Ia (белый карлик, осуществивший углеродный синтез), шлёт в космос равномерные сигналы. Поэтому их окрестили «стандартными свечками», поскольку они служат учёным эталонами для оптических измерений. Правда, последние исследования говорят о том, что эти свечки не такие уж стандартные, как считалось ранее.
Но речь шла о том, что сверхновые – это не только прикольные и полезные явления. Чтобы породить элементы тяжелее углерода и неона, обычные звёзды не подходят. С этим справятся только сверхновые, умирающие звёзды.
Практически всё, с чем мы имеем дело, в какой-то момент было выброшено звездой в последние моменты её жизни. Земля – каменистый набор останков, выброшенных сверхновой. А также все кометы, астероиды и всё остальное, состоящие из более тяжёлой материи. И мы сами, состоящие из материи, взятой на Земле, созданы из обломков сверхновой.
Для тех, кому лень смотреть видео:
Когда умирает массивная звезда, она вспыхивает как сверхновая. За короткий промежуток времени она становится невероятно яркой. Но что именно вызывает это явление? Долгое время это оставалось загадкой. Ученые не могут заглянуть внутрь звезды, поэтому единственной ответить на вопрос – смоделировать взрыв с помощью суперкомпьютера.
Начало берется от самого конца жизненного цикла звезды: израсходовав весь водород, она начинает уменьшаться. В ее центре образуется железное ядро, материя в котором под действием силы тяжести разрушается. И в сердцевине формируется нейтронная звезда, она имеет размеры города, но вещества содержит больше, чем Солнце.
Физики считают, что разрушающаяся материя попадает в центр, посылая массивную ударную волну, которая отражается наружу, но сталкивается на своем пути с еще большим количеством разрушающейся материи и не может покинуть ядро.
Крошечные неровности в поверхности материи могут быстро усиливаться в массовые колебания. Они проявляются в том, что материя скользит вокруг нейтронной звезды, как жидкость. Между тем, нейтрино – частицы, образующиеся в нейтронной звезде, сильно нагревают окружающее вещество, вызывая его извержение. Интенсивное нагревание от нейтрино плюс давление от движущегося вещества вытесняют ударную волну. Волна разгоняется и происходит взрыв звезды. И хотя сам взрыв длится меньше половины секунды, ударной волне может потребоваться до одного дня, чтобы достичь поверхности звезды.
Понимание этого процесса поможет астрономам разгадать другие загадки Вселенной. Например, откуда при подобных взрывах появляются атомы химических элементов, чрезвычайно важных для образования новых звезд и планет. Ученые считают, что последняя сверхновая вспыхнула в нашей галактике около 1870 года. Но обычно подобные события происходят два раза за столетие.