Сверхновая звезда – смерть или начало новой жизни? Сверхновая звезда.

Небо в ясный день представляет в общем-то довольно скучную и однообразную картину: раскаленный шар Солнца и чистый бескрайний простор, иногда украшенный облаками или редкими тучами.

Другое дело - небо в безоблачную ночь. Оно обычно все усыпано яркими скоплениями звезд. При этом надо учесть, что на ночном небе невооруженным глазом можно видеть от 3 до 4,5 тысячи ночных светил. И все они принадлежат Млечному Пути, в котором находится и наша Солнечная система.

По современным представлениям звезды - это раскаленные газовые шары, в недрах которых происходит термоядерный синтез ядер гелия из ядер водорода с выделением колоссального количества энергии. Именно она и обеспечивает светимость звезд.

Самая близкая к нам звезда - наше Солнце, расстояние до которого 150 миллионов километров. А вот звезда Проксима Центавра, следующая по удаленности, находится от нас на расстоянии 4,25 светового года, или в 270 тысяч раз дальше, чем Солнце.

Есть звезды, в сотни раз превышающие по размеру Солнце и во столько же раз уступающие ему в этом показателе. Однако массы звезд меняются в гораздо более скромных пределах - от одной двенадцатой массы Солнца до 100 его масс. Более половины видимых звезд являются двойными, а иногда и тройными системами.

Вообще же, число звезд в видимой нам Вселенной можно обозначить числом 125 000 000 000 с одиннадцатью дополнительными нулями.

Теперь, чтобы избежать путаницы с нулями, астрономы ведут учет уже не отдельных звезд, а целых галактик, считая, что в среднем в каждой из них находится порядка 100 миллиардов звезд.

Американский астроном Фриц Цвики впервые начал заниматься целенаправленным поиском сверхновых звезд

Еще в 1996 году ученые определили, что с Земли можно увидеть 50 миллиардов галактик. Когда же в строй был введен орбитальный телескоп имени Хаббла, которому не мешают помехи земной атмосферы, число видимых галактик подскочило до 125 миллиардов.

Благодаря всевидящему глазу этого телескопа астрономы проникли в такие вселенские глубины, что увидели галактики, которые появились всего через один миллиард лет после Великого взрыва, породившего нашу Вселенную.

Для характеристики звезд используются несколько параметров: светимость, масса, радиус и химический состав атмосферы, а так же ее температура. А используя ряд дополнительных характеристик звезды, можно также определить и ее возраст.

Каждая звезда - это динамичная структура, которая рождается, растет и затем, достигнув определенного возраста, тихо умирает. Но случается и такое, что она вдруг взрывается. Это событие приводит к масштабным изменениям в той области, которая прилегала к взорвавшейся звезде.

Так, возмущение, последовавшее за этим взрывом, распространяется с гигантской скоростью, и в течение нескольких десятков тысяч лет захватывает огромное пространство в межзвездной среде. В этой области резко, до нескольких миллионов градусов, повышается температура, значительно увеличивается плотность космических лучей и напряженность магнитного поля.

Такие особенности вещества, выброшенного взорвавшейся звездой, позволяют ему сформировать новые звезды и даже целые планетные системы.

По этой причине как сверхновые звезды, так и их остатки очень пристально изучаются астрофизиками. Ведь сведения, полученные в ходе исследования этого явления, могут расширить знания об эволюции нормальных звезд, о процессах, происходящих при рождении нейтронных звезд, а также выяснить детали тех реакций, в результате которых образуются тяжелые элементы, космические лучи и т. д.

Одно время те звезды, яркость которых неожиданно возрастала более чем в 1000 раз, астрономы называли новыми. Они появлялись на небе неожиданно, внося изменения в привычную конфигурацию созвездий. Внезапно увеличившись в максимуме в несколько тысяч раз, их блеск спустя какое-то время резко уменьшался, а спустя несколько лет их яркость становилась такой же слабой, как и до взрыва.

Следует отметить, что периодичность вспышек, во время которых звезда освобождается от одной тысячной своей массы и которую с огромной скоростью выбрасывает в мировое пространство, считается одним из основных признаков рождения новых звезд. Но, в то же время как это ни странно, взрывы звезд не ведут ни к существенным изменениям в их структуре, ни даже к их разрушениям.

Как часто в нашей Галактике случаются такие события? Если учитывать лишь те звезды, которые по своей яркости не превышали 3-ю звездную величину, то, согласно историческим хроникам и наблюдениям ученых-астрономов, в течение пяти тысяч лет наблюдались не более 200 ярких вспышек.

Но когда стали проводиться исследования других галактик, то стало очевидным, что яркость новых звезд, которые появляются в этих уголках космоса, нередко равна светимости всей галактики, в которой эти звезды появляются.

Конечно, появление звезд с такой светимостью - событие неординарное и абсолютно не похожее на рождение обычных звезд. Поэтому еще в 1934 году американские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде предложили те звезды, максимальная яркость которых достигает светимости обычных галактик, выделить в отдельный класс сверхновых и самых ярких звезд. При этом следует иметь в виду, что вспышки сверхновых в современном состоянии нашей Галактики - явление крайне редкое, происходящее не чаще чем раз в 100 лет. Наиболее же яркие вспышки, которые зафиксировали китайские и японские трактаты, произошли в 1006 и 1054 годах.

Через пятьсот лет, в 1572 году, вспышку сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи наблюдал выдающийся астроном Тихо Браге. В 1604 году в созвездии Змееносца рождение сверхновой звезды увидел Иоганн Кеплер. И с тех пор таких грандиозных событий в нашей Галактике не отмечалось.

Возможно, связано это с тем, что Солнечная система занимает в нашей Галактике такое положение, что наблюдать в оптические приборы вспышки сверхновых с Земли можно лишь в половине ее объема. В остальной же части этому мешает межзвездное поглощение света.

А поскольку в других галактиках эти явления происходят примерно с той же частотой, что и в Млечном Пути, основные сведения о сверхновых в момент вспышки были получены по наблюдениям за ними в других галактиках…

Впервые целенаправленным поиском сверхновых звезд в 1936 году начали заниматься астрономы В. Бааде и Ф. Цвикки. В ходе трехлетних наблюдений в разных галактиках ученые обнаружили 12 вспышек сверхновых, которые впоследствии были подвергнуты более тщательному исследованию с помощью фотометрии и спектроскопии.

Более того, применение более усовершенствованной астрономической аппаратуры позволило расширить список вновь открытых сверхновых. А внедрение автоматизированного поиска привело к тому, что в год ученые обнаруживали более сотни сверхновых. Всего же за короткое время было зафиксировано 1500 этих объектов.

В последние годы с помощью мощных телескопов за одну ночь наблюдений ученые открывали более 10 далеких сверхновых звезд!

В январе 1999 года произошло событие, которое потрясло даже современных астрономов, привыкших ко многим «фокусам» Вселенной: в глубинах космоса была зарегистрирована вспышка в десять раз ярче всех тех, которые фиксировались учеными раньше. Заметили ее два исследовательских спутника и телескоп в горах Новой Мексики, снабженный автоматической фотокамерой. Произошло это уникальное явление в созвездии Волопаса. Чуть позже, в апреле того же года, ученые установили, что расстояние до вспышки - девять миллиардов световых лет. Это почти три четверти радиуса Вселенной.

Подсчеты, произведенные астрономами, показали, что за несколько секунд, в течение которых длилась вспышка, энергии выделилось во много раз больше, чем произвело Солнце за пять миллиардов лет своего существования. Что же стало причиной столь невероятного взрыва? Какие процессы породили этот грандиозный энергетический выброс? Ответить конкретно на эти вопросы наука пока не может, хотя существует предположение, что такое огромное количество энергии могло произойти в случае слияния двух нейтронных звезд.

<<< Назад

Вперед >>>

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.

Довольно редко люди могут наблюдать такое интересное явление как сверхновая звезда. Но это не обыкновенное рождение звезды, ведь в нашей галактике ежегодно рождаются до десяти звезд. А сверхновая звезда - явление, которое можно наблюдать только раз в сто лет. Так ярко и красиво умирают звезды.

Чтобы понять, почему происходит взрыв сверхновой, нужно вернуться к самому рождению звезды. В пространстве летает водород, который постепенно собирается в облака. Когда облако достаточно большое, в его центре начинает собираться уплотнённый водород, и температура постепенно повышается. Под действием гравитации собирается ядро будущей звезды, где благодаря повышенной температуре и возрастающему тяготению начинает проходить реакция термоядерного синтеза. От того, сколько водорода сможет притянуть к себе звезда, зависит ее будущий размер - от красного карлика до голубого гиганта. Со временем устанавливается баланс работы звезды, внешние слои давят на ядро, а ядро расширяется благодаря энергии термоядерного синтеза.

Звезда представляет собой своеобразный и, как у любого реактора, когда-нибудь у нее закончится топливо - водород. Но чтобы мы увидели, как взорвалась сверхновая звезда, должно пройти еще немного времени, ведь в реакторе вместо водорода образовалось другое топливо (гелий), которое начнет сжигать звезда, превращая его в кислород, а затем в углерод. И так будет продолжаться, пока в ядре звезды не образуется железо, которое при термоядерной реакции не выделяет энергию, а потребляет ее. При таких условиях и может произойти взрыв сверхновой звезды.

Ядро становится тяжелее и холоднее, в результате более легкие верхние слои начинают падать на него. Снова запускается синтеза, но на этот раз быстрее обычного, в результате чего звезда просто взрывается, раскидывая в окружающее пространство свою материю. В зависимости от после нее могут тоже остаться известные из них - (вещество с неимоверно высокой плотностью, которое имеет очень большую и может излучать свет). Такие образования остаются после очень больших звезд, которые сумели произвести термоядерный синтез до очень тяжелых элементов. Звезды поменьше оставляют после себя нейтронные или железные малые звезды, которые почти не излучают света, но тоже имеют высокую плотность материи.

Новые и сверхновые звезды тесно связаны, ведь смерть одной из них может означать рождение новой. Этот процесс продолжается бесконечно. Сверхновая звезда разносит в окружающее пространство миллионы тон материи, которая снова собирается в облака, и начинается формирование нового небесного тела. Ученые утверждают, что все тяжелые элементы, которые находятся в нашей Солнечной системе, Солнце во время своего рождения "украло" у взорвавшейся когда-то звезды. Природа удивительна, и смерть чего-то одного всегда означает рождение чего-то нового. В открытом космосе материя распадается, а в звездах образуется, создавая великий баланс Вселенной.

сразу после взрыва во многом зависит от удачи. Именно она определяет, удастся ли изучить процессы рождения сверхновой, или же придется гадать о них по следам взрыва - распространяющейся от бывшей звезды планетарной туманности . Число телескопов, построенных человеком, недостаточно велико для постоянного наблюдения всего неба, тем более - во всех областях спектра электромагнитного излучения. Зачастую на помощь ученым приходят астрономы-любители, направляющие свои телескопы куда вздумается, а не на интересные и важные для изучения объекты. Но ведь взрыв сверхновой может произойти где угодно!

Пример помощи от астрономов-любителей представляет сверхновая в спиральной галактике М51 . Известная как галактика Вертушка, она очень популярна среди любителей наблюдения Вселенной. Галактика расположена на расстоянии 25 миллионов световых лет от нас и повернута прямо к нам своей плоскостью, за счет чего ее очень удобно наблюдать. Галактика имеет спутник, который соприкасается с одним из рукавов М51. Свет от звезды, взорвавшейся в галактике, достиг Земли в марте 2011 года и был зарегистрирован астрономами-любителями. Вскоре сверхновая получила официальное обозначение 2011dh и стала центром внимания как профессиональных астрономов, так и любителей. «М51 - одна из ближайших к нам галактик, она чрезвычайно красива и потому широко известна», - говорит сотрудник Калтеха Шилер ван Дайк.

Детально рассмотренная сверхновая 2011dh оказалась принадлежащей к редкому классу взрывов типа IIb. Такие взрывы происходят, когда массивная звезда лишается практически всего своего внешнего облачения, состоящего из топлива-водорода, который, скорее всего, перетягивает ее компаньон по двойной системе . После этого, из-за отсутствия топлива, прекращается термоядерный синтез, излучение звезды не может противостоять гравитации, стремящейся сжать звезду, и она падает к центре. Это один из двух путей взрыва сверхновых, и при таком сценарии (падение звезда на себя под действием гравитации) только каждая десятая звезда рождает взрыв типа IIb.

Существует несколько хорошо обоснованных гипотез относительно общей схемы рождения сверхновой типа IIb, однако восстановление точной цепи событий очень трудно. Поскольку о звезде нельзя сказать, что она очень скоро станет сверхновой, невозможно подготовиться к ее тщательному наблюдению. Конечно, изучение состояния звезды может подсказать, что она скоро станет сверхновой, но это - на масштабах времени Вселенной в миллионы лет, тогда как для наблюдения нужно знать время взрыва с точностью в несколько лет. Лишь изредка астрономам улыбается удача и они имеют детальные снимки звезды до взрыва. В случае галактики М51 имеет место эта ситуация - благодаря популярности галактики существует множество ее снимках, на которых 2011dh еще не взорвалась. «В течение нескольких дней после открытия сверхновой мы обратились к архивам орбитального телескопа Хаббл. Как оказалось, с помощью этого телескопа раньше создавалась подробная мозаика галактики М51 в разных длинах волн», - говорит ван Дайк. В 2005 году, когда телескоп Хаббл сфотографировал область нахождения 2011dh, на ее месте была лишь неприметная желтая гигантская звезда .

Наблюдения за сверхновой 2011dh показали, что она плохо укладывается в стандартное представление о взрыве огромной звезды. Напротив, она более подходит как результат взрыва небольшого светила, например, компаньона желтого сверхгиганта со снимков Хаббла, который лишился практически всей своей атмосферы. Под действием гравитации близкого гиганта от звезды осталось лишь ее ядро, которое и взорвалось. «Мы решили, что предшественником сверхновой была практически полностью раздетая звезда, голубая и невидимая поэтому для Хаббла, - говорит ван Дайк. - Желтый гигант скрывал своим излучением небольшого голубого компаньона, пока он не взорвался. Таков наш вывод».

Другая команда исследователей, занимавшаяся звездой 2011dh, пришла к противоположному, совпадающему с классической теорией, выводу. Именно желтый гигант был предшественником сверхновой по данным Джастина Маунда, сотрудника Королевского университета в Белфасте. Однако в марте этого года сверхновая выдала загадку для обоих коллективов. Первым проблему заметил ван Дайк, решивший собрать дополнительные сведения о 2011dh с помощью телескопа Хаббл. Однако аппарат не нашел на старом месте большой желтой звезды. «Мы лишь хотели еще раз пнаблюдать за эволюцией сверхновой, - говорит ван Дайк. - Мы никак не могли предполагать, что желтая звезда куда-то денется». Другая команда пришла к тем же выводам, используя наземные телескопы: гигант исчез.

Исчезновение желтого гиганта указывает на него как истинного предшественника сверхновой. Публикация ван Дайка разрешает этот спор: «Другая команда была совершенно права, а мы ошиблись». Впрочем, изучение сверхновой 2011dh на этом не заканчивается. По мере спадания яркости 2011dh, галактика М51 вернется к своему состоянию до взрыва (хотя и без одной яркой звезды). К концу этого года яркость сверхновой должна упасть настолько, что станет виден компаньон желтого сверхгиганта - если он был, как предполагает классическая теория рождения сверхновых типа IIb. Несколько групп астрономов уже зарезервировали наблюдательное время телескопа Хаббл для изучения эволюции 2011dh. «Мы должны найти компаньона сверхновой по двойной системе, - говорит ван Дайк. - Если она будет обнаружена, в вопросе происхождения таких взрывов возникнет уверенное понимание».

Их возникновение - это довольно редкое космическое явление. В среднем в доступных наблюдению просторах Вселенной вспыхивает три сверхновых в столетие. Каждая такая вспышка представляет собой гигантскую космическую катастрофу, при которой выделяется невероятно много энергии. По самой грубой оценке такое количество энергии могло бы образоваться при одновременном взрыве многих миллиардов водородных бомб.

Достаточно строгая теория вспышек сверхновых пока отсутствует, но ученые выдвинули любопытную гипотезу. Они предположили, на основании сложнейших расчетов, что в ходе альфа-синтеза элементов ядро продолжает сжиматься. Температура в нем достигает фантастической цифры - 3 миллиарда градусов. При таких условиях в ядре значительно ускоряются различные ; в результате выделяется много энергии. Быстрое сжатие ядра влечет за собой столь же быстрое сжатие оболочки звезды.

Она тоже сильно разогревается, и протекающие в ней ядерные реакции, в свою очередь, сильно ускоряются. Таким образом буквально в считанные секунды выделяется громадное количество энергии. Это приводит к взрыву. Конечно, такие условия достигаются далеко не всегда, и потому сверхновые вспыхивают довольно редко.

Такова гипотеза. Насколько ученые правы в своих предположениях, покажет будущее. Но и настоящее привело исследователей к совершенно поразительным догадкам. Астрофизические методы позволили проследить, как уменьшается светимость сверхновых. И вот что выяснилось: в первые несколько дней после взрыва светимость уменьшается очень быстро, а затем это уменьшение (в течение 600 дней) замедляется. Причем каждые 55 дней светимость ослабевает ровно вдвое. С точки зрения математики, это уменьшение происходит по так называемому экспоненциальному закону. Хорошим примером такого закона является закон радиоактивного распада. Ученые высказали смелое предположение: выделение энергии после взрыва сверхновой обусловлено радиоактивным распадом изотопа какого-то элемента с периодом полураспада 55 дней.

Но какого изотопа и какого элемента? Эти поиски продолжались несколько лет. «Кандидатами» на роль подобных «генераторов» энергии выступили бериллий-7 и стронций-89. Они распадались наполовину как раз за 55 дней. Но выдержать экзамен им не довелось: расчеты показали, что энергия, выделяющаяся при их бета-распаде, слишком мала. А другие известные радиоактивные изотопы подобным периодом полураспада не обладали.

Новый претендент обнаружился среди элементов, которые на Земле не существуют. Он оказался представителем трансурановых элементов, синтезированных учеными искусственно. Имя претендента - калифорний, его порядковый номер - девяносто восемь. Его изотоп калифорний-254 удалось приготовить в количестве всего лишь около 30 миллиардных долей грамма. Но и этого поистине невесомого количества вполне хватило, чтобы измерить период полураспада изотопа. Он оказался равным 55 дням.

А отсюда возникла любопытная гипотеза: именно энергия распада калифорния-254 обеспечивает в течение двух лет необычайно высокую светимость сверхновой звезды. Распад калифорния происходит путем самопроизвольного деления его ядер; при таком виде распада ядро как бы раскалывается на два осколка - ядра элементов середины периодической системы.

Но каким образом синтезируется сам калифорний? Ученые и здесь дают логичное объяснение. В ходе сжатия ядра, предшествующего взрыву сверхновой, необычайно ускоряется ядерная реакция взаимодействия уже знакомого нам неона-21 с альфа-частицами. Следствием этого оказывается появление в течение довольно короткого промежутка времени чрезвычайно мощного потока нейтронов. Снова возникает процесс нейтронного захвата, но на сей раз уже быстрого. Ядра успевают поглотить очередные нейтроны раньше, чем подвернутся бета-распаду. Для этого процесса неустойчивость трансвисмутовых элементов уже не препятствие. Цепь превращений не порвется, и конец периодической таблицы тоже будет заполнен. При этом, видимо, образуются даже такие трансурановые элементы, которые в искусственных условиях еще не получены.

Ученые подсчитали, что при каждом взрыве сверхновой только калифорния-254 образуется фантастическое количество. Из такого количества можно было бы изготовить 20 шаров, каждый из которых весил бы столько, сколько наша Земля. Какова же дальнейшая судьба сверхновой? Она погибает довольно быстро. На месте ее вспышки остается лишь маленькая очень тусклая звездочка. Она отличается, правда, необычайно высокой плотностью вещества: наполненный им спичечный коробок весил бы десятки тонн. Такие звезды называют « ». Что происходит с ними дальше, мы пока не знаем.

Материя, которая выбрасывается в мировое пространство, может сгуститься и образовать новые звезды; они начнут новый долгий путь развития. Ученые сделали пока лишь общие грубые мазки картины происхождения элементов, картины работы звезд - грандиозных фабрик атомов. Быть может, это сравнение в общем передает суть дела: художник набрасывает на холсте лишь первые контуры будущего произведения искусства. Уже ясен основной замысел, но многие, в том числе и существенные, детали еще приходится лишь угадывать.

Окончательное решение проблемы происхождения элементов потребует колоссального труда ученых различных специальностей. Вероятно, многое, что сейчас нам представляется несомненным, на самом деле окажется грубо приблизительным, а то и вовсе неверным. Наверное, ученым придется столкнуться с закономерностями, до сих пор нам неизвестными. Ведь для того чтобы разобраться в сложнейших процессах, протекающих во Вселенной, бесспорно, понадобится новый качественный скачок в развитии наших представлений о ней.