Сверхновая – это огромный взрыв, которым завершают свое существование некоторые звезды. Очень часто их можно заметить в других галактиках. Но в нашей это редкое явление для наблюдения, потому что пылевые и газовые дымки перекрывают обзор. Последняя наблюдаемая сверхновая в Млечном Пути была замечена Иоганном Кеплером в 1604 году. Телескоп Чандра смог отыскать лишь остатки от звезды, взорвавшейся больше века назад.
Сверхновая рождается, когда в центре звезды происходят изменения. Есть два главных типа. Первый – в двойных системах. Двоичные звезды – объекты, связанные общим центром. Одна из них подворовывает вещество у второй и становится чересчур массивной. Но не способна уравновесить внутренние процессы и взрывается в сверхновой. Второй – в момент смерти. Топливо имеет свойство заканчиваться. В итоге, часть массы начинает поступать в ядро, и оно становится таким тяжелым, что не выдерживает собственной гравитации. Происходит процесс расширения, и звезда взрывается. Солнце – одиночная звезда, но ей не пережить подобного, так как не хватает массы.
Сам процесс охватывает небольшой временной промежуток, но может очень многое поведать о Вселенной. Например, один из экземпляров подтвердил свойство Вселенной расширяться и то, что темпы увеличиваются. Также выяснилось, что эти объекты влияют на момент распределения элементов в пространстве. При взрыве звезда выстреливает элементами и космическими обломками. Многие из них даже попадают на нашу планету.
Чтобы их найти исследователи используют различные приборы. Некоторые нужны для наблюдения за видимым светом после взрыва. А другие отслеживают рентгеновские и гамма-лучи. Снимки получают при помощи телескопов Хаббл и Чандра. В июне 2012 года начал работать телескоп, фокусирующий свет в области высоких энергий электромагнитного спектра. Речь идет о миссии NuSTAR, которая ищет разрушившиеся звезды, черные дыры и остатки сверхновых. Ученые планируют узнать побольше о том, как они взрываются и создаются.
Для того, чтобы внести свою лепту, вам не нужно становиться ученым. В 2008 году сверхновую нашел обычный подросток. В 2011 году это повторила 10-летняя канадская девочка, рассматривавшая снимок ночного неба на своем компьютере. Очень часто снимки любителей вмещают множество интересных объектов. Немного практики и вы можете найти следующую сверхновую!
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.
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.
Новые вспышки являются термоядерными взрывами, происходящим в некоторых тесных звездных системах. Такие системы состоят из белого карлика и более крупной звезды-компаньона (звезды главной последовательности, субгиганта или гиганта). 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.
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.
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). А динамика изменения яркость имеет самый различный характер.
Особую категорию сверхновых составляет вспышки Ia класса. 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.1
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 гипергигантами. 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.
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.
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.
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. Произошел он в галактике Андромеда, земное небо на пару секунд осветила звезда с яркостью полной луны. Произошел бы 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.
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 миллионов 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.
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 в ходе термоядерных процессов в недрах Солнца 764 миллиона тонн водорода превращается в 760 миллион тонн гелия. То есть каждую секунду Солнце излучает энергию, эквивалентную 4 миллионам 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 дали секунды своей жизни, выплёскивает энергию, эквивалентную массе Солнца!
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. Что приводит к тому, что массивная звезда взрывается? Астрономы долгое время подозревали, что ее разрушает термоядерный синтез. Но теперь у них есть доказательства: выбросы гамма-излучения, зафиксированные европейским спутником INTEGRAL, стали живым свидетельством распада радиоактивных изотопов, запеченных в термоядерной печи со свежеприготовленной сверхновой.
Взорвавшаяся звезда была обнаружена совершенно случайно четыре месяца назад в соседней галактике M82, расположенной примерно в 11 миллионах световых лет от Земли. Она оказалась особого типа сверхновой, известной как «Ia», которая разгорается до максимальной яркости примерно за три недели, а затем медленно начинает тускнеть. На пике эти типы взорвавшихся звезд выдают энергию 4 миллиарда солнц, что делает их хорошим критерием для определения космических расстояний. Именно с помощью этих так называемых стандартных свечей в 1998 году астрофизики обнаружили неизвестную силу, темную энергию, которая отвечает за ускорение расширения Вселенной.
Ученые предположили, что взрывы сверхновых Ia вызываются внезапными слияниями углерода и кислорода в более тяжелые элементы вроде никеля-56 внутри белого карлика, что делает его нестабильным. «Слияние происходит автоматически, – написал астрофизик Роберт Киршнер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. – Термоядерное пламя разгорается в белом карлике, синтезируя углерод в более тяжелые элементы с внезапным выбросом энергии, который рвет звезду на части. Синтез останавливается на элементе с самыми прочными ядерными связями – в случае белого карлика это никель-56».
Когда были обнаружены останки звезды M82, астрономы бросились проверять, совпадают ли результаты с теоретическими предсказаниями. «Последняя сверхновая типа Ia в нашей галактике была в 1604 году», – рассказал Евгений Чуразов из Немецкого астрофизического института Макса Планка. Вместе с коллегами Чуразов использовал Международную астрофизическую гамма-лучевую лабораторию INTEGRAL, принадлежащую Европейскому космическому агентству, чтобы наблюдать за недавно обнаруженной сверхновой в период от 50 до 100 дней после взрыва. Они обнаружили аккуратный химический след, вызванный распадом радиоактивных изотопов никеля в кобальт и железо. Расчеты показали, что количество радиоактивного никеля, скорость расширения сверхновой и количество массы, произведенной в ходе взрыва, совпадают с предсказанными. «Теперь мы видим непосредственные гамма-лучи кобальта-56, которые обеспечивают однозначное доказательство того, что термоядерный взрыв принадлежит Ia. В принципе, мы этого ожидали, но получить неопровержимые доказательства всегда хорошо», – сказал Чуразов.
Астрономы также обнаружили новый тип сверхновых. Он оказался настолько маленьким, что именно из-за этого подобные явления не были обнаружены ранее. Новый вид сверхновой, который прозвали «Type Iax», является отныне самым маленьким доселе известным. Ключевой особенностью данного вида является то, что взрыв разрушает звезду только частично.
До сегодняшнего дня было известно только два типа сверхновых. Сверхновые II типа происходят в связи с разрушением ядра звезд в 10, а то и 100 раз больше, чем наше Солнце. Происходит взрыв из-за того, что ядро звезды сжимается настолько (а следовательно повышается и давление), что внутри него начинается реакция нейтронизации (протоны начинают превращаться в нейтроны). Вследствие этого ядро начинает буквально «иссыхать», теряя свои свойства и разрушается, вызывая взрыв.
Сверхновые типа Iax образуются из маленьких белых карликов, которые поглощают компоненты от второй звезды бинарной системы до тех пор, пока их размер, масса и температура не становятся настолько критическими, что происходит взрыв. В обоих случаях звезда полностью разрушается. Но в новом обнаруженном типе этого не происходит. Это такая своеобразная «минисверхновая», которая, кстати, тоже образуется из белых карликов. При этом взрыв разрушает только часть звезды, оставляя целым ее ядро. Это объясняется тем, что термоядерные реакции и сами сверхновые типа Iax в 100 раз меньше, чем в случае с обычными сверхновыми.
К этому моменту ученые уже успели обнаружить 25 таких сверхновых звезд подобного типа. Все они относятся к бинарным системам, где одна из звезд полностью сжигает запас водорода, и благодаря этим реакциям образуется гелий, который начинает забираться второй звездой. Ученые пока предлагают два объяснения тому, почему в данном случае происходит взрыв.
Либо соседняя звезда поджигает внешний слой гелия, в результате чего образуется ударная волна, которая влияет на белый карлик и как следствие – вызывает взрыв. Либо весь гелий, вырабатываемый белым карликом накапливается в одном месте, что в результате создает колоссальное давление и детонацию. В обоих случаях эти взрывы оказываются недостаточно большими, чтобы вызвать полное разрушение белого карлика.
За почти 4,6 миллиарда лет, что насчитывает история нашей планеты, на Земле случилось не менее пяти катастрофических вымираний флоры и фауны. Самое знаменитое из них (но далеко не самое опустошительное) – гибель динозавров 65 миллионов лет назад. Причины выдвигались разные – изменения климата, падение астероида, массовые извержения вулканов... Один из вариантов – вспышка сверхновой звезды неподалеку от Солнечной системы.
Массивная звезда, превосходящая наше Солнце по массе в 8 раз и более, в конце своей «жизни», израсходовав термоядерное горючее, взрывается под собственной тяжестью. При этом возникает вспышка, яркость которой больше, чем яркость всех звезд целой галактики. Кроме того, во все стороны летит радиация – гамма-лучи, космические лучи, а также радиоактивные изотопы. Другой вариант – белый карлик постепенно перетягивает материю от большой звезды, вокруг которой вращается, и, достигнув определенной массы, взрывается.
Физики уже лет сорок обсуждают возможные опасности для Земли от взрыва находящейся неподалеку звезды. Пришли к выводу, что основная угроза – разрушение гамма-лучами озонового слоя, который защищает биосферу от ультрафиолетового излучения Солнца и о целостности которого человечество стало заботиться только в последние десятилетия. Бывали ли такие случаи в геологическом прошлом? Есть основания подозревать, что бывали, и последний – менее трех миллионов лет назад, когда по Африке уже гуляли наши отдаленные предки – австралопитеки.
Радиация не могла оставить материальные следы на планете, но разлетевшиеся радиоактивные изотопы, попав на Землю, могли сохраниться. В 1987 году французские ученые сообщили об обнаружении в глубинных пластах гренландского льда двух слоев изотопа бериллий-10, отложенных примерно 35 и 60 тысяч лет назад. С тех пор аналогичные слои найдены и в других районах Земли. Это могут быть следы двух взрывов сверхновых, правда, достаточно удаленных от нас и потому не сильно повредивших озоновый слой.
В 1999 году немецкие ученые, исследуя пробы осадков со дна Тихого океана, нашли слой, в котором содержание железа-60 в сто раз превышало нормальное. По скорости распада этого изотопа (период полураспада около полутора миллионов лет) рассчитали, что слой радиоактивного железа образовался примерно 2,8 миллиона лет назад. И тоже из-за довольно удаленной вспышки сверхновой – в 50-400 световых годах от Земли. Австралопитеки могли ее наблюдать.
Насколько такая вспышка могла быть опасной для озонового слоя и для всего живого на Земле? Оценки астрофизиков различны в зависимости от типа сверхновой. Если сверхновая, оставившая 2,8 миллиона лет назад следы железа-60, находилась далеко (300-400 световых лет) и вспышка была не очень яростной, ущерб для биосферы оказывался минимальным. Возможно, произошли генетические мутации, какие-то организмы вымерли, но следов массовой гибели организмов в палеонтологической летописи того времени не имеется.
Велики ли шансы повторения таких событий поблизости от Земли? К счастью, в нашей Галактике сверхновые редки. Вероятность их появления оценивают в 1-2 случая за 100 лет, то есть за время существования Земли в Галактике могло произойти около 70 миллионов вспышек. Учитывая, что поперечник Галактики 100 тысяч световых лет, шансов, что звездная катастрофа произойдет где-то недалеко от нас, совсем мало. Последняя сверхновая в нашей звездной системе наблюдалась в 1604 году, до нее было 8-10 тысяч световых лет, и нарушить озоновый слой она не могла.
По оценкам специалистов НАСА, вероятность такой вспышки, которая бы истончила озоновый слой вдвое (для этого звезда должна взорваться в радиусе 25 световых лет от нас), всего 1-2 случая за миллиард лет. Это значит, что с периода возникновения жизни на Земле таких случаев могло быть в среднем пять-шесть. Случайно или нет, но крупных вымираний мы знаем пять. С другой стороны, если рассматриваемый радиус увеличить до 100 световых лет, то в этой небесной сфере за время существования жизни на Земле могло произойти 70-80 взрывов.
Сравнительно близко от Земли находятся две звезды, способные превратиться в сверхновую. Это Бетельгейзе (400-450 световых лет) и двойная звезда в созвездии Пегаса (150 световых лет), причем в Пегасе намечается более мощный взрыв. Оба эти объекта способны взорваться «скоро», что в астрономических масштабах может означать и миллион лет.
| 
