Главная Фотогалерея Рефераты Новости Видеогалерея Статьи  
 
 
Содержание
 
   

Взрыв звезды, сверхновые

     В 1915 году центральное бюро астрономических сообщений получило телеграмму следующего содержания: «Звезда раздувается и лопается». Телеграмма была направлена в связи с очередной вспышкой новой. Мы помним, что при вспышке светимость новой в сотни тысяч раз может превышать светимость Солнца. А может ли звезда светить так же, как миллиарды Солнц?
     На первый взгляд подобный вопрос кажется абсурдным. И тем не менее во Вселенной происходят поражающие воображение человека явления поистине циклопических масштабов, когда одна звезда вдруг становится почти столь же яркой, как гигантская, содержащая сотни миллиардов звезд галактика.
     В 1885 году в астрономической обсерватории в Тарту была обнаружена новая звездочка. Располагалась она поблизости от центра туманности Андромеды и имела блеск примерно 6,5 звездной величины. А это значит, что, обладая хорошим зрением, ее можно было наблюдать и без оптических инструментов. Поскольку сама туманность Андромеды имеет блеск 4,4т, сразу становится ясно, что в этом случае блеск отдельной звезды лишь в четыре с небольшим раза слабее блеска гигантской галактики, превышающей по своим размерам нашу.
     Однако в то время мало что было известно о структуре галактик и расстоянии до них. Поэтому открытию 1885 года не было придано никакого значения. А ведь знай тартуские астрономы о том, что туманность Андромеды находится от нас на расстоянии свыше 2 миллионов световых лет и содержит сотни миллиардов звезд, они, бесспорно, смогли бы оценить всю грандиозность открытого ими явления, когда одна единственная звезда светила ярче многих миллиардов звезд.
       В 1895 году в NGC 5253 вспыхнула звезда, блеск которой превышал блеск всей галактики в 100 раз! Конечно, NGC 5253 гораздо меньше туманности Андромеды, но тем не менее и в ней есть несколько миллиардов звезд. В 1972 году в NGC 5253 снова зарегистрировали чудовищный взрыв. За последние 90 лет астрономы наблюдали около 100 подобных катаклизмов. Для того чтобы отличить эти вспышки от вспышек обычных новых, в 1934 году американские астрономы Ф. Цвикки и В. Бааде предложили называть новый класс объектов «сверхновыми».
       Нельзя, конечно же, говорить о том, что лишь в первой половине XX века люди смогли оценить грандиозный масштаб этого явления. В записях китайских и японских астрономов мы находим описание неожиданно появившейся на небе звезды - «звезды-гостьи». Она вспыхнула в 1054 году и была много ярче Венеры. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике наблюдалось пять сверхновых звёзд: в 1006, 1054, 1572, 1604, 1667 годах. Остальные вспышки происходили в других галактиках.
     Изучая зависимость блеска сверхновых от времени, астрономы установили, что существует два типа «кривых блеска» у сверхновых. В первом случае имеется ярко выраженный и достаточно продолжительный максимум блеска (до месяца), после которого блеск звезды линейно спадает. Во втором случае максимумы блеска выражены гораздо хуже, а спад блеска существенно круче.
     Выделение двух групп кривых блеска и исследование спектров при вспышках позволило подразделить сверхновые на два типа - сверхновые I типа и сверхновые II типа. Очень скоро выяснилось весьма интересное и довольно загадочное обстоятельство. Оказалось, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, в то время как в спиралях возгораются сверхновые как II, так и I типов. Этот наблюдательный факт чрезвычайной важности сразу позволил связать теорию звездной эволюции с характеристиками сверхновых.
     Дело в том, что в эллиптических галактиках нет массивных звезд. Звездное население этих галактик составляют главным образом звезды, масса которых близка к массе Солнца. Там (в эллиптических галактиках) рождение звезд давно прекратилось, и основную часть населения составляют очень старые, маломассивные звезды.
     Естественно, что миллиарды лет тому назад и в эллиптических галактиках были массивные звезды. Но они давно прошли или стадию красных гигантов, или еще один интересный этап, о котором речь пойдет ниже. В любом случае ясно, что сверхновые I типа до взрыва представляют собой старые звезды малой массы, порядка массы Солнца или чуть больше.
       Но ведь когда мы обсуждали судьбу Солнца, мы видели, что никакие взрывы ему не грозят. Стадия красного гиганта, планетарная туманность, белый карлик  вот стандартный путь звездной эволюции.
       Астрономам наблюдателям хорошо известен факт образования планетарных туманностей. В нашей Галактике ежегодно образуется несколько таких объектов, и, следовательно, ровно такое же число звезд с массой, примерно равной солнечной, заканчивают свой путь на главной последовательности, превращаясь в белые карлики.
     Однако примерно один раз в 50- 100 лет происходит вспышка сверхновой звезды I типа. Важно, что взрывается звезда с массой, примерно равной массе Солнца. Значит, в одном из ста случаев мы имеем отклонение от стандартного пути звездной эволюции. Сотня звезд «идет в ногу» по главной последовательности к закономерному концу, а одна уходит с проторенной дороги и идет своим путем. Почему?
     Гипотез здесь, естественно, немало, но «хорошего» ответа на этот интригующий вопрос нет. Мы поговорим о некоторых моделях взрывов сверхновых звёзд I типа. Но, перед тем как перейти к описанию природных процессов, приводящих звезду к драматическому финишу, остановимся вкратце на некоторых сравнительных характеристиках вспышек сверхновых I и II типа.
       При взрывах сверхновых звезд выбрасывается огромное количество вещества. При вспышках новых оно достигает 10~4 - 10~5 массы Солнца. А при взрыве сверхновой звезды II типа масса выброшенного, газа превосходит массу Солнца. Образуется огромная оболочка, туманность, существующая десятки тысяч лет. Но если во время взрыва выбрасывается столь большая масса, то это неопровержимо свидетельствует о том, что взорвалась достаточно массивная звезда. Вывод этот подкрепляется оценками, согласно которым при взрыве сверхновой звезды I типа образуется оболочка с массой «всего» в 0,1 массы Солнца.
       Итак, в случае сверхновых звёзд I и II типов мы имеем дело с грандиозными взрывами. Каков механизм этих взрывов и в чем их причина? Это очень трудный вопрос, и мы начнем его обсуждение со сверхновых II типа. Здесь ясности больше, хотя, конечно, и в этом случае понятие ясностей весьма относительно, поскольку природа не очень-то прислушивается к расчетам теоретиков.
       В предыдущем разделе мы утверждали, что судьба звезды, вообще говоря, определяется ее массой. Мы подчеркивали, что у массивных звезд ядро может претерпевать ряд превращений, когда идет последовательная смена циклов термоядерных реакций   протон-протонный, С-N-О, тройной а-процесс. Когда в ядре истощается гелий, начинается горение углерода с образованием более тяжелых элементов.
       Во всей этой цепочке событий могут возникнуть некоторые неустойчивые состояния ядра звезды, которые «столкнут» ее с обычного эволюционного пути и превратят, в сверхновую II типа. Хорошо известно, например, что скорость генерации энергии в термоядерных реакциях очень чувствительна к температуре. Повышение температуры повышает давление в ядре, а это, в свою очередь, приводит к расширению и охлаждению ядра, и такая обратная связь поддерживает постоянный уровень температуры. 

   Но если этот механизм обратной связи хорошо работает в протон-протонном цикле, то в реакциях с участием углерода температурная зависимость для выхода энергии гораздо более сильная, чем в протон-протонном цикле. При некоторых условиях процесс горения углерода в центре красного гиганта может принять катастрофический характер и полностью взорвать звезду. В этом, кстати говоря, и состоит некоторая трудность модели: звезда должна взорваться без остатка, а наблюдения показывают, что взрывы некоторых сверхновых оставляют после себя в качестве остатков очень интересные объекты - нейтронные звезды.
     Можно представить себе и несколько иной ход событий. Горение углерода проходит без катастрофы. Но тем не менее ядро звезды очень горячее, и в нем будет образовываться множество нейтрино. Чрезвычайно слабо взаимодействуя с веществом, они могут уносить большое количество энергии. Интересно, что этот процесс называется URCA-процессом (по-русски читается УРКА). Читатели, знакомые со слэнгом, оценят точность термина, поскольку нейтрино уносят энергию незаметно, «тайком». (Автор термина знаменитый физик Гамов говорил, что в Рио-де-Жанейро есть казино URCA, где игроки незаметно теряют деньги. Звезды также незаметно теряют энергию в процессе испускания нейтрино.
     Теряя постепенно энергию, ядро звезды все больше сжимается и нагревается. Наконец оно вступает в стадию катастрофического сжатия - коллапса. В конце этой стадии происходит всплеск нейтринного излучения высокой энергии. Оболочка взрывается, а ядро коллапсирует в нейтронную звезду или черную дыру.
     Рассмотрим эти процессы несколько подробнее, с привлечением некоторых других идей. Пусть мы имеем достаточно массивную звезду с массой больше десяти солнечных масс. Температура в центре такой звезды - несколько миллиардов градусов, гелия и водорода там уже нет. Такая звезда очень быстро эволюционирует, образуя в центре железное ядро.
     Она имеет к этому моменту времени достаточно сложную структуру. Железное ядро окружено углеродно-кислородной «мантией», содержащей потенциальное ядерное горючее, легкие элементы. Самые внешние слои звезды представляют собой смесь водорода и гелия. Мы уже говорили о ядре, в котором идет горение углерода. В железном ядре ядерное горючее исчерпано, тем не менее звезда огромными темпами теряет энергию за счет УРКА-процесса. В то же время происходит увеличение температуры ядра за счет его сжатия.
     Можно представить себе, к чему приводит рано или поздно рост температуры ядра. Ядра железа при некоторой критической температуре начнут разваливаться на нейтроны и ядра гелия-4. Это очень важный момент, так как начиная именно с него рост температуры прекращается, поскольку большая часть энергии идет на диссоциацию ядер железа. Дополнительно к этому огромная энергия уносится нейтрино.
  Все это приводит к тому, что ядро теряет упругость, начинает катастрофически сжиматься, причем время этого сжатия очень мало - меньше секунды. Естественно, оболочка начинает падать на ядро. Плотность и температура ее при этом резко возрастают, и в результате она взрывается, как чудовищная термоядерная бомба. Таким образом, мы видим здесь сочетание двух процессов - гравитационного коллапса ядра и термоядерного взрыва оболочки. Первый процесс обеспечивает энергией нейтрино и процессы диссоциации ядер, второй, собственно говоря,  прямое следствие первого.
     В какой мере приведенную выше картину взрыва сверхновой II типа можно считать обоснованной? Полной теории этого явления не существует. Не совсем ясно, как происходит коллапс ядра. Многие расчеты говорят, что коллапс приводит к появлению черной дыры, в то время как наблюдательные данные свидетельствуют о том, что остатком взрыва сверхновой II типа является нейтронная звезда. Мы также не говорили о роли вращения, которое в принципе может прекратить на определенном этапе сжатие ядра.
     Но если в изучении процессов сверхновых II типа определенный прогресс налицо, то со сверхновыми 1 типа дело обстоит гораздо хуже. Мы уже говорили, что сверхновая I типа возникает в результате взрыва обычной звезды с массой, близкой к массе солнца. Что мешает ей превратиться в белый карлик?
     Здесь нет единой точки зрения. Существует гипотеза, согласно которой взрыв сверхновой I типа связан с эволюцией звезды, находящейся в тесной двойной системе, с перекачкой материала на белый карлик. Механизм перекачки таков, что масса белого карлика постепенно увеличивается, переходя некоторый предел (предел Чандрасекара), после чего он начинает коллапсировать и сбрасывать оболочку.
     Подчеркнем еще раз, что законченной теории, полностью объясняющей путь эволюции звезд, вспыхивающих, как сверхновые, нет. Поэтому проблема сверхновых - одна из узловых проблем современной астрофизики. Она тесно связана с пульсарами, черными дырами, космическими лучами и нуклеосинтезом.
     Что же остается после чудовищных взрывов звезд? Прежде всего сброшенные при вспышке внешние слои звезды, разлетающиеся со скоростью около 10 тысяч км/сек. Именно по этому признаку (большая скорость) остатки от вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например планетарных, расширяющихся со скоростью порядка десятков километров в секунду.
     Из-за огромной мощности взрыва оболочка при разлете сгребает межзвездный газ, и общая картина остатков взрыва получается довольно сложной. Ведь масса выметенного при взрыве межзвездного газа достигает 8 тысяч солнечных масс. Несмотря на масштабы процесса, мы можем наблюдать его ограниченное время.
       Непосредственно после взрыва в течение сотен лет можно видеть так называемые оптические остатки сверхновой. В течение десятков тысяч лет можно будет исследовать послевзрывные процессы, изучая рентгеновское и радиоизлучение остатков вспышек сверхновых. Однако через сотни тысяч лет и это станет невозможным. Астрономам останутся для наблюдения лишь пульсары, радиоизлучение которых будет последним свидетелем происшедшей катастрофы. 


   
Поиск
Rambler's Top100