Сверхновые

Рассмотрим подробнее сверхновые звезды: их отличие от новых звезд, взрывной потенциал и разновидности. Все процессы будем разъяснять на примере сверхновых II типа, а в конце расскажем о сверхновых I типа, образующихся в двойных системах.

Содержание

1. Краткая информация о сверхновых
2. Процессы внутри сверхновых
3. Новые и сверхновые
4. Критическая масса
5. Взрыв сверхновых
6. Сверхновые I типа

Остаток сверхновой Кассиопея А в искусственных цветах.

Краткая информация о сверхновых

• Наиболее известная сверхновая: SN 1054 (крабовидная туманность)
• Расстояние до сверхновой 1054: 6500 световых лет
• Последняя сверхновая, наблюдавшаяся в галактике: SN 1604
• Расстояние до сверхновой SN 1604: 14 000 световых лет
• Рождение понятия «сверхновая»: 1933 год; Вальтер Бааде и Фриц Цвикки
• Последняя яркая сверхновая: SN 1987 в Большом Магеллановом Облаке
• Расстояние до сверхновой SN 1987: 160 000 световых лет
• Скорость взрывной волны от сверхновой: 30 000 км/с
• Число сверхновых, открываемых ежегодно: сотни
• Частота взрыва сверхновых в галактике: каждые 50 лет
• Типы сверхновых: IA, IB, IC, IIP, IIL

Ударные волны нагревают вещество вокруг сверхновой 1987А.

Процессы внутри сверхновых

Вглядываясь в Млечный Путь, вы видите звезды всех размеров и видов. Если бы Солнце было размером, например, с шар для боулинга, то Галактика была бы наводнена такими шарами вперемешку с шарами всех мыслимых размеров, включая гигантские надувные. Как и следует ожидать от такой разнообразной коллекции, у всех звезд разные жизненные сценарии, хотя все они, как и Солнце, начинают со сжигания водорода. Солнцеподобные звезды (которые в нашей системе можно сравнить с мячами для гольфа, тенниса или баскетбола) проходят через стадию красного гиганта и завершают жизнь в виде белого карлика, как описано выше. Звезды больших размеров заканчивают свое существование более зрелищно и играют более важную роль в истории возникновения жизни на Земле.

Если вкратце, жизнь всякой звезды начинается со сжимающегося облака межзвездной пыли. Сжатие стабилизируется, когда температура в ядре протозвезды достигает значений, при которых начинаются ядерные реакции превращения водорода в гелий. Когда водород выгорает, сжатие продолжается, недра звезды разогреваются и начинают гореть гелий и остатки не выгоревшего ранее водорода. Жизнь звезд, масса которых не превышает шести солнечных, заканчивается здесь они слишком легковесны, чтобы запустить новые ядерные циклы под действием высоких температур. Такая звезда становится белым карликом.

Жизнь звезд с массой 9-10 солнечных развивается иначе. Масса этих светил достаточна, чтобы, с одной стороны, продолжалось сжатие, а с другой, горение ядерного топлива. Как и внутри Солнца, все начинается с горения водорода в ядре, и оно переходит в горение образовавшегося гелия (три ядра атома гелия образуют ядро атома углерода). Этот процесс сопровождается горением остатков водорода в слое вещества, окружающем ядро звезды. Звезда теперь имеет углеродное ядро, окруженное гелиевой оболочкой, которая, в свою очередь, окружена оболочкой из невыгоревшего водорода. Когда сжатие возобновляется, температура во всех этих областях повышается. Во внутреннем ядре углерод (шесть протонов, шесть нейтронов) соединяется с другим таким же ядром, образуя кислород (восемь протонов, восемь нейтронов) и другие, более тяжелые элементы. Гелий в первой оболочке горит с образованием углерода, а водород в следующей за ней гелия.

Процессы, при которых продукты горения одного цикла становятся горючим для следующего, подчинены периодической таблице элементов, а звезда в результате становится по структуре похожа на луковицу, в которой более тяжелые химические элементы начинают образовываться после очередного коллапса. Каждая новая реакция добавляет новый слой к «луковице». Но если горение продолжается, звезда с каждым новым циклом получает энергии меньше, чем тратит на горение. Согласно оценкам, реакции синтеза железа в ядре звезды дают ей лишь несколько дней отдыха от неослабевающего действия гравитации.

Новые и сверхновые

Корень «новая» в названии звезды отсылает нас к периодически наблюдающемуся астрономическому явлению: в небе внезапно возникает звезда там, где ее раньше не было видно. Сегодня мы понимаем, что есть много различных процессов, которые могут приводить к появлению новых звезд, и мы называем их по-разному в зависимости от причин их возникновения.

Новые звезды (novae) рождаются в двойных звездных системах, где закончился жизненный цикл одной из звезд, которая стала белым карликом. Если звезды в системе расположены достаточно близко друг к другу, карлик начнет перетягивать вещество, преимущественно водород, с оболочки своего компаньона. Когда перетекающий на поверхность белого карлика водород накапливается там в достаточном количестве, в нем начинают запускаться термоядерные реакции превращения водорода в гелий. В результате ряда вызванных этим процессов в водородной оболочке белого карлика формируется ударная волна, сбрасывающая оболочку в окружающее пространство. Это сопровождается вспышкой, которую мы и называем вспышкой новой звезды (nova). Вскоре после нее процесс перетекания и накопления вещества может возобновиться и звезда вспыхнет вновь.

Люди часто путают новые и сверхновые: только описанные выше звезды с периодическим резким повышением яркости называются новыми (novae). Сверхновая - это явление, вызванное взрывом звезды, к которому приводит цепь драматических событий.

Критическая масса

Железо конечный продукт ядерного горения. Нельзя получить энергию из железа путем никаких ухищрений. Оно накапливается в ядре звезды как угли в дровяной печи, подготавливая почву для одного из самых зрелищных явлений во Вселенной. Оно аккумулируется, и ядерные силы не могут уберечь его от сжатия под действием собственной гравитации. Электроны в железном ядре в течение некоторого времени создают давление, противодействующее гравитации. В результате ядро массивной звезды становится сходным с белым карликом, но только состоит из железа.

По мере накопления железных «углей» в центре звезды, его масса приближается к некоторому критическому значению. Когда его масса на 40% превысит массу Солнца, электроны начинают соединяться с протонами в ядрах железа, образуя нейтроны. С исчезновением каждого электрона способность оставшихся частиц противодействовать гравитационному сжатию уменьшается. За короткое время ядро превращается в массу нейтронов, что приводит к катастрофическому коллапсу.

Продолжительность сжатия зависит от массы, и оно будет длиться до тех пор, пока нейтроны невозможно будет сблизить еще немного. Она также может пойти дальше и окончиться формированием черной дыры (об этом речь ниже). Но пока задумаемся на минутку о звездном остатке об этой гигантской, похожей на луковицу оболочке из тяжелых элементов, которые образовались в процессе термоядерных реакций.

RS змееносца — повторная новая в созвездии змееносца.

Взрыв сверхновых

С точки зрения этой оболочки, у нее буквально земля ушла из-под ног. Железное ядро, которое поддерживало вес звезды, исчезло в одночасье. И оболочка начала сжиматься, проваливаясь внутрь до момента столкновения с ядром из нейтронов, после чего произошел ее отскок с последующим возникновением ударных волн. И внутренности звезды взорвались. В возникшем вихре в процессе термоядерных реакций образуются тяжелые элементы вплоть до урана. Это масштабное событие приводит к появлению нового объекта в небе: рождается сверхновая.

Последовательность взрыва сверхновой.

Остатки сброшенной оболочки расширяются в межзвездное пространство, унося с собой образовавшиеся в звезде тяжелые элементы. В течение следующих нескольких тысяч лет эти облака вещества будут охлаждаться и перемешиваться с межзвездной средой, становясь частью газопылевых облаков, из которых впоследствии родятся молодые звезды и новые планетные системы. Формирование Солнечной системы происходило тогда, когда наша Галактика Млечный Путь уже прошла ряд этапов своей эволюции. В результате и Солнце, и планеты, и даже живые организмы содержат в себе тяжелые элементы, образовавшиеся в первом поколении звезд давно умерших.

Сверхновые I типа

С исторической точки зрения, явление, описанное нами выше, именуется «сверхновая II типа». Формирование сверхновой I типа происходит по другому сценарию, хотя и заканчивается таким же мощным взрывом. Сверхновые I типа образуются в двойных звездных системах, в которых одна из звезд уже окончила свой жизненный путь, превратившись в белого карлика. Может случиться, что этот карлик станет перетягивать с компаньона вещество, наращивая массу, пока она не достигнет критического значения, то есть не превысит на 40% массу Солнца. В этот момент и произойдет взрыв.

Поразмышляем о том, что дает история сверхновых в масштабе всей Галактики. Начинается она миллиарды лет назад: это облако из водорода и гелия, оставшихся от Большого взрыва. С рождением и смертью больших короткоживущих звезд, вспыхивающих как сверхновые, начинают появляться тяжелые элементы во все растущем количестве. Так что Млечный Путь можно рассматривать как гигантскую машину, берущую из запасов первичного вещества водород и возвращающую в него более тяжелые элементы.

Если вам интересно, астрономы ожидают, что звезда 1K в созвездии Пегас, отдаленная от нас на 150 св. лет, взорвется в виде сверхновой I типа в ближайшие несколько миллионов лет или около того.

В начале 2002 года космический телескоп «Хаббл» сделал серию снимков того, как необычная звезда V838 Mon в созвездии Единорог внезапно «разбухла», нагревая и подсвечивая окружающие ее пылевые облака.