Енергія вибуху наднової. Гравітаційний колапс ядра

Вибухи зірок, відомі як наднові, можуть бути настільки яскравими, що затьмарюють галактики, що їх містять.

Like Love Haha Wow Sad Angry

Спостерігаючи за залишками наднової, що спалахнула шість років тому, астрономи, на їх подив, виявили на місці вибуху нову зірку, що висвітлює навколишню хмару матеріалу. Висновки вчених представлені у журналі AstrophysicalJournalLetters .

«Раніше ми ніколи не бачили, щоб вибух такого типу залишався яскравим настільки тривалий час, якщо він не мав якоїсь взаємодії з воднем, викинутим зіркою до катастрофічної події. Але у спостереженнях цього наднового немає підпису водню», – розповідає Ден Мілісавлевич, провідний автор дослідження з Університету Пердью (США).

На відміну від більшості зіркових вибухів, що зникають, SN 2012au продовжує сяяти завдяки потужному новонародженому пульсару. Credit: NASA, ESA, і J. DePasquale

Вибухи зірок, відомі як наднові, можуть бути настільки яскравими, що затьмарюють галактики, що їх містять. Зазвичай вони повністю «зникають» за кілька місяців чи років, проте іноді залишки від вибуху «сплескуються» в багаті на водень газові хмари і знову стають яскравими. Але чи можуть вони знову засяяти без будь-якого втручання ззовні?

У міру того, як великі зірки вибухають, їх надра «згортаються» до точки, в якій усі частинки стають нейтронами. Якщо нейтронна зірка має магнітне поле і обертається досить швидко, вона може перетворитися на туманність пульсарного вітру. Швидше за все, саме це сталося з SN 2012au, розташованою в галактиці NGC 4790 у напрямку сузір'я Діви.

Коли туманність пульсара досить яскрава, вона діє як лампочка, що висвітлює зовнішні викиди від попереднього вибуху. Ми знали, що наднові виробляють нейтронні зірки, що швидко обертаються, але ніколи не отримували прямих доказів цієї унікальної події», – додав Ден Мілісавлевич.

Зображення пульсара в вітрилах, отримане обсерваторією NASA Chandra. Credit: NASA

SN 2012au спочатку виявилася незвичайною та дивною у багатьох відношеннях. Незважаючи на те, що вибух не був досить яскравим, щоб його можна було класифікувати як «надсвітла» наднова, він був надзвичайно енергійним та довговічним.

«Якщо в центрі вибуху створюється пульсар, то він може виштовхувати і навіть прискорювати газ, тому через кілька років ми зможемо побачити, як газ, багатий на кисень, «втікає» з місця вибуху SN 2012au», – пояснив Ден Мілісавлевич.

Серце крабоподібної туманності, що б'ється. У її центрі ховається пульсар. Credit: NASA/ESA

Надсвітлові наднові – тема, що обговорюється в астрономії. Вони є потенційними джерелами гравітаційних хвиль, а також гамма-сплесків та швидких радіосплесків. Але розуміння процесів, які стоять за цими подіями, стикається зі складністю спостережень, і лише наступне покоління телескопів допоможе астрономам розкрити таємниці цих спалахів.

Що ви знаєте про наднові зірки? Напевно, скажете, що наднова зірка є грандіозним вибухом зірки, на місці якої залишається нейтронна зірка або чорна діра.

Однак насправді не всі найновіші є кінцевою стадією життя масивних зірок. Під сучасну класифікацію наднових вибухів, крім вибухів надгігантів, входять деякі інші явища.

Нові та наднові

Термін "наднова" перекочував від терміна "нова зірка". "Новими" називали зірки, які виникали на небосхилі практично на порожньому місці, після чого поступово згасали. Перші «нові» відомі ще за китайськими літописами, що датуються аж до другого тисячоліття до нашої ери. Що цікаво, серед цих нових нерідко зустрічалися наднові. Наприклад, саме наднову 1571 року спостерігав Тихо Браге, який згодом увів термін «нова зірка». Зараз нам відомо, що в обох випадках не йдеться про народження нових світил у буквальному розумінні.

Нові та наднові зірки позначають різке збільшення яскравості будь-якої зірки або групи зірок. Як правило, раніше люди не мали змоги спостерігати зірки, які породжували ці спалахи. Це були надто тьмяні об'єкти для неозброєного ока чи астрономічного приладу тих років. Їх спостерігали вже в момент спалаху, що природно було схоже на народження нового світила.

Незважаючи на схожість цих явищ, у наші дні існує різка відмінність у їх визначеннях. Пікова світність наднових зірок у тисячі і сотні тисяч разів більша за пікову світність нових. Така розбіжність пояснюється важливою відмінністю природи цих явищ.

Народження нових зірок

Нові спалахи є термоядерними вибухами, що відбуваються у деяких тісних зоряних системах. Такі системи складаються з більшої зірки-компаньйону (зірки головної послідовності, субгіганта або ). Могутнє тяжіння білого карлика притягує речовину із зірки-компаньйона, у результаті навколо нього утворюється акреційний диск. Термоядерні процеси, що відбуваються в акреційному диску, часом втрачають стабільність і набувають вибухового характеру.

Внаслідок такого вибуху яскравість зіркової системи збільшується у тисячі, а то й у сотні тисяч разів. Так відбувається народження нової зірки. Досі тьмяний, а то й невидимий для земного спостерігача об'єкт набуває помітної яскравості. Як правило, свого піку такий спалах досягає всього за кілька днів, а загасати може роками. Нерідко такі спалахи повторюються в однієї й тієї системи раз на кілька десятиліть, тобто. є періодичними. Також навколо нової зірки спостерігається газова оболонка, що розширюється.

Наднові вибухи мають зовсім іншу і різноманітнішу природу свого походження.

Наднові прийнято розділяти на два основні класи (I та II). Ці класи можна назвати спектральними, т.к. їх відрізняє присутність і відсутність ліній водню у спектрах. Також ці класи помітно вирізняються візуально. Усі наднові I класу схожі як у потужності вибуху, і по динаміці зміни блиску. Наднові ж II класу дуже різноманітні у плані. Потужність їхнього вибуху і динаміка зміни блиску лежить у досить широкому діапазоні.

Всі наднові II класи породжуються гравітаційним колапсом у надрах потужних зірок. Іншими словами, цей той самий, знайомий нам, вибух надгігантів. Серед наднових першого класу існують ті, механізм вибуху яких швидше схожий на вибух нових зірок.

Смерть надгігантів

Надновими стають зірки, маса яких перевищує 8-10 сонячних мас. Ядра таких зірок, вичерпавши водень, переходять до термоядерних реакцій за участю гелію. Вичерпавши гелій, ядро ​​переходить до синтезу більш важких елементів. У надрах зірки створюється дедалі більше верств, у кожному з яких відбувається свій тип термоядерного синтезу. У кінцевій стадії своєї еволюції така зірка перетворюється на «шаровий» надгігант. У його ядрі відбувається синтез заліза, тоді як ближче до поверхні продовжується синтез гелію з водню.

Злиття ядер заліза та більш важких елементів відбувається із поглинанням енергії. Тому, ставши залізним, ядро ​​надгіганта більше не здатне виділяти енергію для компенсації гравітаційних сил. Ядро втрачає гідродинамічний рівновагу і приступає до безладного стиску. Інші шари зірки продовжують підтримувати цю рівновагу, доки ядро ​​не стиснеться до якогось критичного розміру. Тепер гідродинамічна рівновага втрачають інші шари та зірка в цілому. Тільки в цьому випадку «перемагає» не стиск, а енергія, що виділила в ході колапсу та подальших безладних реакцій. Відбувається скидання зовнішньої оболонки - надновий вибух.

Класові відмінності

Різні класи та підкласи наднових пояснюються тим, якою зірка була до вибуху. Наприклад, відсутність водню у наднових I класу (підкласу Ib, Ic) є наслідок те, що водню був у самої зірки. Найімовірніше, частина її зовнішньої оболонки було втрачено під час еволюції у тісній подвійний системі. Спектр підкласу Ic відрізняється від Ib відсутністю гелію.

У будь-якому випадку наднові такі класи відбуваються у зірок, що не мають зовнішньої воднево-гелієвої оболонки. Інші ж шари лежать у досить строгих межах свого розміру та маси. Це тим, що термоядерні реакції змінюють одне одного з настанням певної критичної стадії. Тому вибухи зірок Ic та Ib класу такі схожі. Їхня пікова світність приблизно в 1,5 мільярда разів перевищує світність Сонця. Цю світність вони досягають за 2-3 дні. Після цього їхня яскравість у 5-7 разів слабшає за місяць і повільно зменшується в наступні місяці.

Зірки наднових II типу мали воднево-гелієву оболонку. Залежно від маси зірки та інших її особливостей ця оболонка може мати різні межі. Звідси пояснюються широкий діапазон у характерах наднових. Їхня яскравість може коливатися від десятків мільйонів до десятків мільярдів сонячних світимостей (виключаючи гамма-сплески – див. далі). А динаміка зміни яскравість має різний характер.

Трансформація білого карлика

Особливу категорію наднових складає спалахи. Це єдиний клас найновіших зірок, який може відбуватися в еліптичних галактиках. Така особливість свідчить, що ці спалахи є продуктом смерті надгігантів. Надгіганти не доживають доти, як його галактики «старіють», тобто. стануть еліптичними. Також усі спалахи цього класу мають практично однакову яскравість. Завдяки цьому наднові Ia типу є «стандартними свічками» Всесвіту.

Вони виникають за іншою схемою. Як зазначалося раніше, ці вибухи за своєю природою чимось подібні до нових вибухів. Одна із схем їх виникнення передбачає, що вони також зароджуються в тісній системі білого карлика та його зірки-компаньйона. Проте, на відміну нових зірок, тут відбувається детонація іншого, більш катастрофічного типу.

У міру «пожирання» свого компаньйона, білий карлик збільшується в масі доти, доки не досягне межі Чандрасекара. Ця межа, приблизно рівна 1,38 сонячної маси, є верхньої межі маси білого карлика, після якого він перетворюється на нейтронну зірку. Така подія супроводжується термоядерним вибухом з колосальним виділенням енергії, що на багато порядків перевищує звичайний новий вибух. Практично незмінне значення межі Чандрасекара пояснює настільки мале розбіжність у яскравостях різних спалахів цього підкласу. Ця яскравість майже у 6 мільярдів разів перевищує сонячну світність, а динаміка її зміни така сама, як у наднових Ib, Ic класу.

Гіпернові вибухи

Гіперновими називають спалахи, енергія яких на кілька порядків перевищує енергію типових наднових. Тобто, по суті, вони гіпернові є дуже яскравими надновими.

Як правило, гіперновим вважається вибух надмасивних зірок, також званих . Маса таких зірок починається з 80, нерідко перевищує теоретичну межу 150 сонячних мас. Також існують версії, що гіпернові зірки можуть утворюватися в ході анігіляції антиматерії, утворення кваркової зірки або зіткненням двох масивних зірок.

Примітними є гіпернові тим, що вони є основною причиною, мабуть, найенергоємніших і рідкісних подій у Всесвіті – гамма-сплесків. Тривалість гамма сплесків становить від сотих секунд до кількох годин. Але найчастіше вони тривають 1-2 секунди. За ці секунди вони випускають енергію, подібну до енергії Сонця за всі 10 мільярдів років її життя! Природа гамма-сплесків досі здебільшого залишається під сумнівом.

Батьки життя

Незважаючи на всю свою катастрофічність, наднові по праву можна назвати прабатьками життя у Всесвіті. Потужність їхнього вибуху підштовхує міжзоряне середовище на утворення газопилових хмар та туманностей, у яких згодом народжуються зірки. Ще одна їх особливість полягає в тому, що наднові насичують міжзоряне середовище важкими елементами.

Саме наднові породжують усі хімічні елементи, що важчі заліза. Адже, як зазначалося раніше, синтез таких елементів потребує витрат енергії. Тільки наднові здатні «зарядити» складові ядра та нейтрони на енерговитратне виробництво нових елементів. Кінетична енергія вибуху розносить їх по простору разом з елементами, що утворилися в надрах зірки, що вибухнула. До них входять вуглець, азот і кисень та інші елементи, без яких неможливе органічне життя.

Спостереження за надновими

Наднові вибухи є дуже рідкісними явищами. У нашій галактиці, що містить понад сотню мільярдів зірок, відбувається лише кілька спалахів за сторіччя. Згідно з літописними та середньовічними астрономічними джерелами, за останні дві тисячі років було зафіксовано лише шість наднових, видимих ​​неозброєним оком. Сучасним астрономам жодного разу не доводилося спостерігати наднових у нашій галактиці. Найближча відбулася в 1987 у Великій Магеллановій Хмарі, в одному із супутників Чумацького Шляху. Щороку вчені спостерігають до 60 наднових, що відбуваються в інших галактиках.

Саме через цю рідкість наднові практично завжди спостерігаються вже в момент спалаху. Події, що передували їй майже ніколи не спостерігалися, тому природа наднових досі багато в чому залишається загадковою. Сучасна наука не здатна досить точно спрогнозувати наднові. Будь-яка зірка-кандидат здатна спалахнути лише мільйони років. Найбільш цікава в цьому плані Бетельгейзе, яка має цілком реальну можливість осяяти земне небо за нашого віку.

Всесвітні спалахи

Гіпернові вибухи трапляються ще рідше. У нашій галактиці така подія трапляється раз на сотні тисяч років. Однак, гамма-сплески, які породжуються гіперновими, спостерігаються майже щодня. Вони настільки потужні, що реєструються практично з усіх куточків Всесвіту.

Наприклад, один із гамма-сплесків, розташованих у 7,5 мільярдів світлових років, можна було розглянути неозброєним оком. Відбутися він у галактиці Андромеда, земне небо на кілька секунд висвітлила зірка з яскравістю повного місяця. Відбутися він на іншому краю нашої галактики, на тлі Чумацького Шляху з'явилося друге Сонце! Виходить, яскравість спалаху в квадрильйони враз яскравіше Сонця і в мільйони разів яскравіше нашої Галактики. Зважаючи на те, що галактик у Всесвіті мільярди, не дивно, чому такі події реєструються щодня.

Вплив на нашу планету

Малоймовірно, що наднові можуть загрожувати сучасному людству і якимось чином вплинути на нашу планету. Навіть вибух Бетельгейзе лише висвітлить наше небо на кілька місяців. Однак, безумовно, вони вирішально впливали на нас у минулому. Прикладом цього є перше з п'яти масових вимирань Землі, що відбулися 440 млн. років тому вони. За однією з версій причиною цього вимирання став гамма-спалах, що стався в нашій Галактиці.

Найбільш примітна зовсім інша роль наднових. Як зазначалося, саме наднові створюють хімічні елементи, необхідні появи вуглецевого життя. Земна біосфера була винятком. Сонячна система сформувалася в газовій хмарі, яка містила уламки колишніх вибухів. Виходить, ми всі зобов'язані надновою своєю появою.

Понад те, наднові й надалі впливали еволюцію життя Землі. Підвищуючи радіаційне тло планети, вони змушували організми мутувати. Не варто також забувати про великі вимирання. Напевно, наднові не раз «вносили корективи» в земну біосферу. Адже якби не було тих глобальних вимирань, на Землі б зараз панували зовсім інші види.

Масштаби зіркових вибухів

Щоб наочно зрозуміти, яку енергію мають наднові вибухи, звернімося до рівняння еквівалента маси та енергії. Згідно з ним, у кожному грамі матерії укладено колосальну кількість енергії. Так 1 грам речовини еквівалентний вибуху атомної бомби, підірваної над Хіросімою. Енергія цар-бомби еквівалента трьом кілограмам речовини.

Кожну секунду під час термоядерних процесів у надрах Сонця 764 мільйони тонн водню перетворюється на 760 мільйонів тонн гелію. Тобто. кожну секунду Сонце випромінює енергію, еквівалентну 4 млн. тонн речовини. Лише одна двомільярдна частина всієї енергії Сонця сягає Землі, це еквівалентно двом кілограмам маси. Тому кажуть, що вибух царя-бомби можна було спостерігати з Марса. До речі, Сонце доставляє на Землю кілька сотень разів більше енергії, ніж споживає людство. Тобто щоб покрити річні енергетичні потреби всього сучасного людства потрібно перетворювати на енергію лише кілька тонн матерії.

Враховуючи вищесказане, уявімо, що середня наднова у своєму піку «спалює» квадрильйони тон речовини. Це відповідає масі великого астероїду. Повна ж енергія наднової еквівалентна масі планети чи навіть маломасивної зірки. Зрештою, гамма-сплеск за секунди, а то й за частки секунди свого життя, виплескує енергію, еквівалентну масі Сонця!

Такі різні наднові

Термін «надновий» не повинен асоціюватися виключно з вибухом зірок. Ці явища, мабуть, також різноманітні, як різноманітні самі зірки. Науці тільки доведеться зрозуміти багато їхніх секретів.

Наднові зірки- одне з найграндіозніших космічних явищ. Коротко кажучи, наднова - це справжній вибух зірки, коли більшість її маси (а іноді й вся) розлітається зі швидкістю до 10 000 км/с, а залишок стискається (колапсує) в надщільну нейтронну зірку або в чорну дірку. Наднові відіграють важливу роль в еволюції зірок. Вони є фіналом життя зірок масою понад 8-10 сонячних, народжуючи нейтронні зірки та чорні дірки та збагачуючи міжзоряне середовище важкими хімічними елементами. Всі елементи важчі заліза утворилися в результаті взаємодії ядер легших елементів та елементарних частинок під час вибухів масивних зірок. Чи не тут криється розгадка споконвічного потягу людства до зірок? Адже в дрібній клітині живої матерії є атоми заліза, синтезовані при загибелі якоїсь масивної зірки. І в цьому сенсі люди схожі на сніговик з казки Андерсена: він відчував дивну любов до гарячої грубки, тому що каркасом йому послужила кочерга...

Вчені помітили, що в еліптичних галактиках (тобто галактиках без спіральної структури, з дуже низьким темпом зіркоутворення, що складаються в основному з маломасивних червоних зірок) спалахують лише наднові 1-го типу. У спіральних же галактиках, до яких належить і наша Галактика - Чумацький Шлях, зустрічаються обидва типи наднових. При цьому представники 2-го типу концентруються до спіральних рукавів, де йде активний процес зіркоутворення та багато молодих масивних зірок. Ці особливості наводять на думку про різну природу двох типів наднових.

Зараз надійно встановлено, що при вибуху будь-якої наднової звільняється величезна кількість енергії – близько 1046 Дж! Основна енергія вибуху уноситься не фотонами, а нейтрино - швидкими частинками з дуже малою чи взагалі нульовою масою спокою. Нейтрино надзвичайно слабко взаємодіють із речовиною, і їм надра зірки цілком прозорі.

Закінченої теорії вибуху наднових з формуванням компактного залишку і скиданням зовнішньої оболонки поки не створено через крайню складність обліку всіх фізичних процесів, що протікають при цьому. Однак усі дані свідчать, що наднові 2-го типу спалахують у результаті колапсу ядер масивних зірок. На різних етапах життя зірки в ядрі відбувалися термоядерні реакції, при яких спочатку водень перетворювався на гелій, потім гелій на вуглець і так далі до утворення елементів «залізного піку» - заліза, кобальту та нікелю. Атомні ядра цих елементів мають максимальну енергію зв'язку для розрахунку на одну частинку. Зрозуміло, що приєднання нових частинок до атомного ядра, наприклад, заліза вимагатиме значних витрат енергії, тому термоядерне горіння і «зупиняється» на елементах залізного піку.

Що ж змушує центральні частини зірки втрачати стійкість і колапсувати, щойно залізне ядро ​​стане досить масивним (близько 1,5 маси Сонця)? В даний час відомі два основні фактори, що призводять до втрати стійкості та колапсу. По-перше, це «розвал» ядер заліза на 13 альфа-часток (ядер гелію) із поглинанням фотонів – так звана фотодисоціація заліза. По-друге, нейтронізація речовини – захоплення електронів протонами з утворенням нейтронів. Обидва процеси стають можливими при великих щільностях (понад 1 т/см 3), що встановлюються в центрі зірки в кінці еволюції, і обидва вони ефективно знижують «пружність» речовини, яка фактично і протистоїть дії сил тяжіння, що здавлює. Як наслідок, ядро ​​втрачає стійкість та стискається. При цьому в ході нейтронізації речовини виділяється велика кількість нейтрино, що несуть основну енергію, запасену в ядрі, що колапсує.

Як свідчать комп'ютерні розрахунки, щільність поблизу ядра настільки висока, що навіть нейтрино, що слабко взаємодіють з речовиною, виявляються на якийсь час «замкненими» зовнішніми шарами зірки. Але гравітаційні сили притягують оболонку до ядра, і складається ситуація, схожа на ту, яка виникає при спробі налити щільнішу рідину, наприклад воду, поверх менш щільною, скажімо гасу або олії. (З досвіду добре відомо, що легка рідина прагне «спливти» з-під важкої - тут проявляється так звана нестійкість Релея-Тейлора.) Цей механізм викликає гігантські конвективні рухи, і коли, зрештою, імпульс нейтрино передається зовнішній оболонці, вона скидається в навколишнє простір.

Можливо, саме нейтринні конвективні рухи призводять до порушення сферичної симетрії вибуху наднової. Іншими словами, з'являється напрям, уздовж якого переважно викидається речовина, і тоді залишок, що утворюється, отримує імпульс віддачі і починає рухатися в просторі за інерцією зі швидкістю до 1000 км/с. Такі великі просторові швидкості відзначені у молодих нейтронних зірок - радіопульсарів.

Описана схематична картина вибуху наднової 2-го типу дозволяє зрозуміти основні наглядові особливості цього явища. А теоретичні передбачення, засновані на даній моделі (особливо стосуються повної енергії та спектру нейтринного спалаху), опинилися в повній згоді із зареєстрованим 23 лютого 1987 нейтринним імпульсом, що прийшов від наднової у Великій Магеллановій Хмарі.

Тепер кілька слів про наднові 1-го типу. Відсутність світіння водню у тому спектрах свідчить, що вибух відбувається у зірках, позбавлених водневої оболонки. Як зараз вважають, це може бути вибух білого карлика чи результат колапсу зірки типу Вольфа-Райє(фактично це ядра масивних зірок, багаті гелієм, вуглецем та киснем).

Як може вибухнути білий карлик? Адже в цій дуже щільній зірці не йдуть ядерні реакції, а силам гравітації протидіє тиск щільного газу, що складається з електронів та іонів (так званий вироджений електронний газ). Причина тут та сама, що і при колапсі ядер масивних зірок, - зменшення пружності речовини зірки у разі підвищення її щільності. Це знову ж таки пов'язане з «вдавлюванням» електронів у протони з утворенням нейтронів, а також із деякими релятивістськими ефектами.

Чому підвищується щільність білого карлика? Це неможливо, якщо він поодинокий. Але якщо білий карлик входить до складу досить тісної подвійної системи, то під дією гравітаційних сил газ із сусідньої зірки здатний перетікати на білий карлик (так у разі нової зірки). При цьому маса і щільність його поступово зростатимуть, що в кінцевому рахунку призведе до колапсу і вибуху.

Інший можливий варіант екзотичніший, але не менш реальний – це зіткнення двох білих карликів. Як таке може бути, адже ймовірність зіткнутися двом білим карликам у просторі мізерна, оскільки мізерна кількість зірок в одиниці об'єму – від сили кілька зірок у 100 пк3. І тут (вкотре!) «винні» подвійні зірки, але тепер складаються з двох білих карликів.

Як випливає із загальної теорії відносності Ейнштейна, будь-які дві маси, що обертаються по орбіті навколо один одного, рано чи пізно повинні зіткнутися через постійний, хоч і дуже незначний, винесення енергії з такої системи хвилями тяжіння - гравітаційними хвилями. Наприклад, Земля і Сонце, якби останнє нескінченно довго, зіткнулися б внаслідок цього ефекту, правда через колосальний час, що на багато порядків перевершує вік Всесвіту. Підраховано, що у разі тісних подвійних систем з масами зірок біля сонячної (2 10 30 кг) їх злиття має відбутися за менше віку Всесвіту – приблизно за 10 млрд. років. Як показують оцінки, у типовій галактиці такі події трапляються раз на кілька сотень років. Гігантської енергії, що звільняється при цьому катастрофічному процесі, цілком достатньо для пояснення явища наднової.

До речі, зразкова рівність мас білих карликів робить їх злиття «схожими» один на одного, а значить, наднові 1-го типу за своїми характеристиками повинні виглядати однаково незалежно від того, коли і в якій галактиці стався спалах. Тому видима яскравість наднових відбиває відстані до галактик, у яких спостерігаються. Ця властивість наднових 1-го типу в даний час використовується вченими для отримання незалежної оцінки найважливішого космологічного параметра - постійної Хаббла, яка є кількісною мірою швидкості розширення Всесвіту. Ми розповіли лише про найпотужніші вибухи зірок, що відбуваються у Всесвіті і спостерігаються в оптичному діапазоні. Оскільки у разі наднових зірок основна енергія вибуху уноситься нейтрино, а чи не світлом, дослідження неба методами нейтринної астрономії має найцікавіші перспективи. Воно дозволить у майбутньому «зазирнути» в «пекло» наднової, приховане величезними товщами непрозорого для світла речовини. Ще більш дивовижні відкриття обіцяє гравітаційно-хвильова астрономія, яка в недалекому майбутньому розповість нам про грандіозні явища злиття подвійних білих карликів, нейтронних зірок і чорних дірок.

Астрономи офіційно заявили про одну з найгучніших подій у науковому світі: у 2022 році із Землі неозброєним оком ми зможемо побачити унікальне явище – один із найяскравіших вибухів наднової. За прогнозами, він затьмарить своїм світлом сяйво більшості зірок у нашій галактиці.

Йдеться про тісну подвійну систему KIC 9832227 у сузір'ї Лебедя, яку відокремлює від нас 1800 світлових років. Зірки в цій системі розташовані настільки близько один до одного, що мають загальну атмосферу, а швидкість їхнього обертання постійно збільшується (зараз період звернення становить 11 годин).

Про можливе зіткнення, яке очікується приблизно через п'ять років (плюс-мінус один рік), розповів на щорічних зборах Американського астрономічного товариства професор Ларрі Мольнар (Larry Molnar) з Коледжу Кальвіна в США. За його словами, передбачити подібні космічні катастрофи досить складно — на дослідження пішло кілька років (вивчати зоряну пару астрономи почали ще 2013 року).

Першим такий прогноз зробив Деніел Ван Нурд (Daniel Van Noord), науковий співробітник Мольнара (на той момент ще студент).

"Він вивчив, як колір зірки корелює з її яскравістю, і припустив, що ми маємо справу з подвійним об'єктом, навіть з тісною подвійною системою - такою, де у двох зірок є загальна атмосфера, немов у двох ядер арахісу під однією шкаралупою", — пояснює Мольнар у прес-релізі.

У 2015 році Мольнар, після кількох років спостережень, розповів колегам про прогноз: ймовірно, на астрономів чекає вибух, подібний до народження наднової V1309 в сузір'ї Скорпіона в 2008 році. Не всі вчені поставилися до його заяви серйозно, проте тепер, після нових спостережень, Ларрі Мольнар знову торкнувся цієї теми, представивши ще більше даних. Спектроскопічні спостереження та обробка понад 32 тисяч зображень, отриманих із різних телескопів, виключили інші сценарії розвитку подій.

Астрономи вважають, що коли зірки вріжуться одна в одну, то обидві загинуть, проте перед цим випустять багато світла та енергії, утворивши червону наднову і збільшивши яскравість подвійної зірки в десять тисяч разів. Наднову буде видно на небосхилі як частину сузір'я Лебедя та Північного Хреста. Це стане першим випадком, коли фахівці та навіть любителі зможуть простежити за подвійними зірками безпосередньо у момент їхньої смерті.

"Це буде дуже різка зміна в небі, і будь-яка людина зможе побачити це. Вам не знадобиться телескоп, щоб сказати мені в 2023 році, мав рацію я чи ні. Хоча відсутність вибуху розчарує мене, будь-який альтернативний результат буде не менш цікавим", — додає Молнер.

На думку астрономів, до прогнозу справді не можна поставитися несерйозно: в експертів уперше з'явилася можливість спостерігати останні кілька років життя зірок перед їхнім злиттям.

Майбутні дослідження допоможуть багато дізнатися про подібні подвійні системи та їх внутрішні процеси, а також про наслідки масштабного зіткнення. "Вибухи" такого роду, за статистикою, відбуваються приблизно раз на десять років, проте це перший випадок, коли зіткнення зірок відбудеться на . Раніше, наприклад, вчені спостерігали вибух.

Препринт можливої ​​майбутньої статті Мольнара (PDF-документ) можна прочитати на сайті Коледжу.

До речі, 2015 року астрономи ЄКА виявили унікальну в туманності Тарантул, чиї орбіти знаходяться на неймовірно малій відстані один від одного. Вчені спрогнозували, що рано чи пізно таке сусідство закінчиться трагічно: небесні тіла або зіллються в єдину зірку гігантських розмірів, або станеться вибух наднової, який породить подвійну систему.

Нагадаємо також, що раніше ми розповідали про те, як вибухи наднових.

Одним з важливих досягнень XX століття стало розуміння того факту, що майже всі елементи, які важчі за водень і гелій, утворюються у внутрішніх частинах зірок і надходять у міжзоряне середовище в результаті вибуху наднових - одного з найбільш потужних явищ у Всесвіті.

На фото: Виблискуючі зірки і клапті газу створюють фон для картини саморуйнування масивної зірки, названої надновою 1987A. Її вибух астрономи спостерігали у Південній півкулі 23 лютого 1987 року. Це зображення, отримане телескопом «Хаббл», показує залишки наднової, оточені внутрішнім та зовнішнім кільцями речовини у дифузних хмарах газу. Цей триколірний знімок складається з кількох фотографій наднової та сусідньої з нею області, які були зроблені у вересні 1994, лютому 1996 та липні 1997 року. Численні яскраві блакитні зірки поблизу наднової є масивні зірки, кожна з яких віком близько 12 млн. років і в 6 разів важча Сонця. Всі вони відносяться до того ж покоління зірок, що й вибухнула. Присутність яскравих газових хмар ще одна ознака молодості цієї області, яка все ще є родючим грунтом для народження нових зірок.

Спочатку всі зірки, блиск яких раптово збільшувався більш ніж 1000 разів, називали новими. Спалахуючи, такі зірки зненацька з'являлися на небі, порушуючи звичну конфігурацію сузір'я, і ​​збільшували свій блиск у максимумі, у кілька тисяч разів, потім їхній блиск починав різко падати, а через кілька років вони ставали такими ж слабкими, як були до спалаху. Повторюваність спалахів, при кожному з яких зірка з великою швидкістю викидає до однієї тисячної маси, є для нових зірок характерною. І все ж за всієї грандіозності явища подібного спалаху воно не буває пов'язане ні з корінною зміною структури зірки, ні з її руйнуванням.

За п'ять тисяч років збереглися відомості про більш ніж 200 яскравих спалахів зірок, якщо обмежитися такими, що не перевищували блиску 3-ю зіркову величину. Але коли була встановлена ​​позагалактична природа туманностей, стало ясно, що нові зірки, що спалахують у них, за своїми характеристиками перевершують звичайні нові, тому що їх світність часто виявлялася рівною світності всієї галактики, в якій вони спалахували. Незвичайність таких явищ привела астрономів до думки, що такі події є чимось зовсім не схожим на звичайні нові зірки, а тому в 1934 році за пропозицією американських астрономів Фріца Цвіккі і Вальтера Бааде ті зірки, спалахи яких у максимумі блиску досягали світимостей нормальних. в окремий, найяскравіший за світністю та рідкісний клас наднових зірок.

На відміну від спалахів звичайних нових зірок спалахи наднових у сучасному стані нашої Галактики - явище вкрай рідкісне, що відбувається не частіше ніж раз на 100 років. Найбільш яскравими були спалахи у 1006 та 1054 роках, відомості про них містяться у китайських та японських трактатах. У 1572 спалах такої зірки в сузір'ї Кассіопеї спостерігав видатний астроном Тихо Браге, останнім же, хто стежив за явищем наднової в сузір'ї Змієносця в 1604 році, був Йоганн Кеплер. За чотири століття "телескопічної" ери в астрономії подібних спалахів у нашій Галактиці не спостерігалося. Положення Сонячної системи в ній таке, що нам оптично доступні спостереження наднових спалахів приблизно в половині обсягу, а в решті її частини яскравість спалахів приглушена міжзоряним поглинанням. В.І. Красовський та І.С. Шкловський підрахували, що спалахи наднових зірок у нашій Галактиці відбуваються в середньому раз на 100 років. В інших галактиках ці процеси відбуваються приблизно з тією ж частотою, тому основні відомості про наднові стадії оптичного спалаху були отримані за спостереженнями за ними в інших галактиках.

Розуміючи важливість вивчення настільки потужних явищ, астрономи В. Бааде і Ф. Цвіккі, які працювали на Паломарській обсерваторії в США, в 1936 розпочали планомірний систематичний пошук наднових. У їхньому розпорядженні був телескоп системи Шмідта, що дозволяв фотографувати області кілька десятків квадратних градусів і давав дуже чіткі зображення навіть слабких зірок і галактик. За три роки в різних галактиках ними було виявлено 12 спалахів наднових, які потім досліджувалися за допомогою фотометрії та спектроскопії. У міру вдосконалення спостережної техніки кількість нововиявлених наднових неухильно зростала, а подальше впровадження автоматизованого пошуку призвело до лавиноподібного зростання числа відкриттів (понад 100 наднових на рік при загальній кількості 1 500). Останніми роками на великих телескопах було розпочато також пошук дуже далеких і слабких наднових, оскільки їхні дослідження можуть дати відповіді на багато питань про будову та долю всього Всесвіту. За одну ніч спостережень на таких телескопах можна відкрити понад 10 далеких наднових.

Внаслідок вибуху зірки, що спостерігається як явище наднової, навколо неї утворюється туманність, що розширюється з величезною швидкістю (близько 10000 км/с). Велика швидкість розширення - головна ознака, за якою залишки спалахів наднових відрізняють від інших туманностей. У залишках наднових все говорить про вибух величезної потужності, що розкидав зовнішні шари зірки і повідомив окремим шматкам викинутої оболонки величезні швидкості.

Крабоподібна туманність

Жоден космічний об'єкт не дав астрономам стільки найціннішої інформації, як відносно невелика крабовидна туманність, що спостерігається в сузір'ї Тельця і ​​складається з газової дифузної речовини, що розлітається з великою швидкістю. Ця туманність, що є залишком наднової, що спостерігалася в 1054 році, стала першим галактичним об'єктом, з яким було ототожнене джерело радіовипромінювання. Виявилося, що характер радіовипромінювання нічого спільного з тепловим немає: його інтенсивність систематично зростає з довжиною хвилі. Невдовзі вдалося пояснити природу цього явища. У залишку наднової має бути сильне магнітне поле, яке утримує створені нею космічні промені (електрони, позитрони, атомні ядра), що мають швидкості, близькі до швидкості світла. У магнітному полі вони випромінюють електромагнітну енергію вузьким пучком у напрямі руху. Виявлення нетеплового радіовипромінювання у крабовидної туманності підштовхнуло астрономів до пошуку залишків наднових саме за цією ознакою.

Особливо потужним джерелом радіовипромінювання виявилася туманність, що знаходиться в сузір'ї Кассіопеї, на метрових хвилях потік радіовипромінювання від неї в 10 разів перевищує потік від крабовидної туманності, хоча вона і значно далі останньої. В оптичних променях ця туманність, що швидко розширюється, дуже слабка. Вважають, що туманність у Кассіопеї - це залишок спалаху наднової, що мала місце близько 300 років тому.

Характерне для старих залишків наднових радіовипромінювання показала і система волокнистих туманностей у сузір'ї Лебедя. Радіоастрономія допомогла відшукати ще багато інших нетеплових радіоджерел, які виявилися залишками наднових різного віку. Таким чином, було зроблено висновок, що залишки спалахів наднових, що трапилися навіть десятки тисяч років тому, вирізняються серед інших туманностей своїм потужним нетепловим радіовипромінюванням.

Як уже говорилося, крабоподібна туманність стала першим об'єктом, у якого було виявлено рентгенівське випромінювання. У 1964 році вдалося виявити, що джерело рентгенівського випромінювання, що виходить з неї, протяжне, хоча його кутові розміри в 5 разів менші за кутові розміри самої Крабовидної туманності. З чого було зроблено висновок, що рентгенівське випромінювання випускає не зірка, яка колись спалахнула як наднова, а туманність.

Вплив наднових

23 лютого 1987 року в сусідній з нами галактиці «Великої Магелланової Хмари» спалахнула наднова, що стала надзвичайно важливою для астрономів, оскільки була першою, яку вони, озброївшись сучасними астрономічними інструментами, могли вивчити в деталях. І ця зірка підтвердила цілу серію передбачень. Одночасно з оптичним спалахом спеціальні детектори, встановлені на території Японії та в штаті Огайо (США), зареєстрували потік нейтрино елементарних частинок, що народжуються при дуже високих температурах в процесі колапсу ядра зірки і легко проникають крізь її оболонку. Ці спостереження підтвердили раніше висловлене припущення про те, що близько 10% маси ядра зірки, що колапсує, випромінюється у вигляді нейтрино в той момент, коли саме ядро ​​стискається в нейтронну зірку. У дуже масивних зірок при спалаху наднового ядра стискаються до ще більших щільностей і, ймовірно, перетворюються на чорні дірки, але скидання зовнішніх шарів зірки все ж таки відбувається. В останні роки з'явилися вказівки на зв'язок деяких космічних гамма-сплесків із надновими. Можливо, і природа космічних гамма-сплесків пов'язана із природою вибухів.

Спалахи наднових надають сильний і різноманітний вплив на навколишнє середовище. Оболонка, що скидається з величезною швидкістю, наднової згрібає і стискає навколишній газ, що може дати поштовх до утворення з хмар газу нових зірок. Група астрономів на чолі з доктором Джоном Хьюгесом (Rutgers University), використовуючи спостереження на орбітальній рентгенівській обсерваторії "Чандра" (NASA), зробила важливе відкриття, що проливає світло на те, як при спалахах наднової зірки утворюються кремній, залізо та інші елементи. Рентгенівське зображення залишку наднової Cassiopeia А (Cas A) дозволяє побачити згустки кремнію, сірки та заліза, викинуті під час вибуху з внутрішніх областей зірки.

Висока якість, чіткість та інформативність одержуваних обсерваторією «Чандра» зображень залишку наднової Cas A дозволили астрономам не тільки визначити хімічний склад багатьох вузлів цього залишку, а й дізнатися, де саме ці вузли утворилися. Наприклад, найбільш компактні та яскраві вузли складаються головним чином із кремнію та сірки з дуже малим вмістом заліза. Це вказує на те, що вони утворилися глибоко всередині зірки, де температура сягала трьох мільярдів градусів під час колапсу, що закінчився вибухом наднової. В інших вузлах астрономи виявили дуже великий вміст заліза з домішками деякої кількості кремнію та сірки. Ця речовина утворилася ще глибше в тих частинах, де температура під час вибуху досягала вищих значень від чотирьох до п'яти мільярдів градусів. Порівняння розміщень у залишку наднової Cas A багатих кремнієм як яскравих, так і слабших вузлів, збагачених залізом, дозволило виявити, що «залізні» деталі, що походять з найглибших шарів зірки, розташовуються на зовнішніх краях залишку. Це означає, що вибух викинув «залізні» вузли далі за решту. І навіть зараз вони, мабуть, віддаляються від центру вибуху з більшою швидкістю. Вивчення отриманих «Чандрою» даних дозволить зупинитися на одному з кількох запропонованих теоретиками механізмів, що пояснюють природу спалаху наднової, динаміку процесу та походження нових елементів.

Наднові SN I мають дуже подібні спектри (з відсутністю водневих ліній) і форми кривих блиску, тоді як спектри SN II містять яскраві лінії водню та відрізняються різноманітністю як спектрів, так і кривих блиску. У такому вигляді класифікація наднових існувала до середини 80-х років минулого сторіччя. А з початком широкого застосування ПЗЗ-приймачів кількість і якість спостережного матеріалу істотно зросли, що дозволило отримувати спектрограми для недоступних раніше слабких об'єктів, з значно більшою точністю визначати інтенсивність і ширину ліній, а також реєструвати в спектрах слабкіші лінії. В результаті двійкова класифікація наднових, що встановилася, стала швидко змінюватися і ускладнюватися.

Розрізняються наднові та за типами галактик, в яких вони спалахують. У спіральних галактиках спалахують наднові обох типів, а ось в еліптичних, де майже немає міжзоряного середовища і процес зіркоутворення закінчився, спостерігаються лише наднові типу SN I, очевидно, до вибуху – це дуже старі зірки, маси яких близькі до сонячної. Оскільки спектри і криві блиску наднових цього дуже схожі, отже, й у спіральних галактиках вибухають такі самі зірки. Закономірний кінець еволюційного шляху зірок з масами, близькими до сонячної, перетворення на білого карлика з одночасним утворенням планетарної туманності. У складі білого карлика майже немає водню, оскільки він є кінцевим продуктом еволюції нормальної зірки.

Щорічно в нашій Галактиці утворюється кілька планетарних туманностей, отже, більшість зірок такої маси спокійно завершує свій життєвий шлях, і лише раз на сто років відбувається спалах наднової SN I типу. Які ж причини визначають зовсім особливий фінал, не схожий на долю інших таких же зірок? Знаменитий індійський астрофізик С. Чандрасекар показав, що в тому випадку, якщо білий карлик має масу меншу, ніж приблизно 1,4 маси Сонця, він спокійно «доживатиме» своє століття. Але якщо він знаходиться в досить тісній подвійній системі, його потужна гравітація здатна «стягувати» матерію з зірки-компаньйона, що призводить до поступового збільшення маси, і коли вона переходить допустиму межу, відбувається потужний вибух, що призводить до загибелі зірки.

Наднові SN II явно пов'язані з молодими, масивними зірками, в оболонках яких у великій кількості є водень. Спалахи цього типу наднових вважають кінцевою стадією еволюції зірок з початковою масою понад 8?10 мас Сонця. Взагалі ж, еволюція таких зірок протікає досить швидко - за кілька мільйонів років вони спалюють свій водень, потім - гелій, що перетворюється на вуглець, а потім і атоми вуглецю починають перетворюватися на атоми з вищими атомними номерами.

У природі перетворення елементів з великим виділенням енергії закінчуються на залозі, ядра якого є найстабільнішими, і виділення енергії при їх злитті не відбувається. Таким чином, коли ядро ​​зірки стає залізним, виділення енергії в ньому припиняється, чинити опір гравітаційним силам воно вже не може, а тому починає швидко стискатися, або колапсувати.

Процеси, що відбуваються при колапсі, все ще далекі від розуміння. Однак відомо, що якщо вся речовина ядра перетворюється на нейтрони, то вона може протистояти силам тяжіння ядро ​​зірки перетворюється на «нейтронну зірку», і колапс зупиняється. При цьому виділяється величезна енергія, що надходить в оболонку зірки і викликає розширення, яке ми бачимо як спалах надновий.

З цього слід очікувати генетичний зв'язок між спалахами наднових та утворенням нейтронних зірок та чорних дірок. Якщо еволюція зірки раніше відбувалася «спокійно», її оболонка повинна мати радіус, у сотні разів перевищує радіус Сонця, і навіть зберегти достатню кількість водню для пояснення спектра наднових SN II.

Наднові та пульсари

Про те, що після вибуху наднової крім розширюється оболонки і різних типів випромінювань залишаються й інші об'єкти, стало відомо в 1968 завдяки тому, що роком раніше радіоастрономи відкрили пульсари радіоджерела, випромінювання яких зосереджено в окремих імпульсах, що повторюються через певний проміжок часу. Вчені були вражені строгою періодичністю імпульсів та стислою їх періодів. Найбільшу ж увагу викликав пульсар, координати якого були близькі до координат дуже цікавої для астрономів туманності, розташованої в південному сузір'ї Парусів, яка вважається залишком спалаху наднової зірки, його період становив лише 0,089 секунди. А після відкриття пульсара в центрі крабовидної туманності (його період становив 1/30 секунди) стало ясно, що пульсари якимось чином пов'язані з вибухами наднових. У січні 1969 року пульсар із Крабовидної туманності був ототожнений зі слабкою зірочкою 16-ї величини, що змінює свій блиск з таким самим періодом, а в 1977 році вдалося ототожнити з зіркою і пульсар у сузір'ї Вітриль.

Періодичність випромінювання пульсарів пов'язана з їх швидким обертанням, але жодна звичайна зірка, навіть білий карлик, не могла б обертатися з періодом, характерним для пульсарів - вона була б негайно розірвана відцентровими силами, і тільки нейтронна зірка, дуже щільна і компактна, могла б встояти перед ними. В результаті аналізу безлічі варіантів вчені дійшли висновку, що вибухи наднових супроводжуються утворенням нейтронних зірок якісно нового типу об'єктів, існування яких було передбачено теорією еволюції зірок великої маси.

Наднові та чорні дірки

Перший доказ прямого зв'язку між вибухом наднової та утворенням чорної діри вдалося отримати іспанським астрономам. В результаті дослідження випромінювання, що випускається зіркою, що обертається навколо чорної діри в подвійній системі Nova Scorpii 1994, виявилося, що вона містить велику кількість кисню, магнію, кремнію та сірки. Є припущення, що ці елементи були захоплені нею, коли сусідня зірка, переживши вибух наднової, перетворилася на чорну дірку.

Наднові (особливо ж наднові типу Ia) є одними з найяскравіших зіркоподібних об'єктів у Всесвіті, тому навіть найвіддаленіші з них цілком можна дослідити за допомогою наявного в даний час обладнання. Багато наднових типу Ia були відкриті відносно близьких галактиках. Досить точні оцінки відстаней до цих галактик дозволили визначити світність наднових, що спалахують у них. Якщо вважати, що далекі наднові мають в середньому таку ж світність, то за зірковою величиною, що спостерігається, в максимумі блиску можна оцінити і відстань до них. Зіставлення ж відстані до наднової зі швидкістю видалення (червоним зміщенням) галактики, у якій спалахнула, дає можливість визначити основну величину, що характеризує розширення Всесвіту так звану постійну Хаббла.

Ще 10 років тому для неї отримували значення, що відрізняються майже вдвічі від 55 до 100 км/с Мпк, на сьогоднішній момент точність вдалося значно збільшити, в результаті чого приймається значення 72 км/с Мпк (з помилкою близько 10%). . Для далеких наднових, червоне зміщення яких близько 1, співвідношення між відстанню і червоним зміщенням дозволяє визначити величини, залежать від щільності речовини у Всесвіті. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна саме густина речовини визначає кривизну простору, а отже, і подальшу долю Всесвіту. А саме: чи буде вона розширюватися нескінченно, чи цей процес колись зупиниться і зміниться стисненням. Останні дослідження наднових показали, що швидше за все щільність речовини у Всесвіті недостатня, щоб зупинити розширення, і вона буде продовжуватися. А щоб підтвердити цей висновок, необхідні нові спостереження наднових.