В действительности, однако, не все сверхновые являются заключительным этапом в жизни массивных звезд. Современная классификация сверхновых включает в себя несколько других явлений, помимо взрывов сверхновых.
Сверхновые звезды
Сверхновые — это звезды, которые завершают свою эволюцию в результате катастрофического взрывного процесса.
Термин «сверхновые» использовался для звезд, которые взорвались намного сильнее (на порядки), чем так называемые «новые звезды». На самом деле, ни одна из них не является физически новой; взрываются всегда существующие звезды. Но в нескольких исторических случаях звезды, которые ранее были едва заметны или вовсе не видны на небе, загорались, создавая феномен новой звезды. Тип сверхновой определяется по наличию водородных линий в спектре светимости. Если он присутствует, то это сверхновая II типа, если нет, то сверхновая I типа.
Содержание
Сверхновые II типа
Согласно современным представлениям, ядерный синтез приводит к обогащению состава внутренних областей звезды тяжелыми элементами с течением времени. В процессе слияния и образования тяжелых элементов звезда сжимается, а температура в ее центре повышается. (Результат отрицательной теплоемкости материи, не созданной гравитацией). Когда масса ядра звезды становится достаточно большой (от 1,2 до 1,5 солнечных масс), процесс синтеза достигает своего логического конца с образованием ядер железа и никеля. Внутри кремниевой оболочки начинает формироваться железное ядро. Такое ядро растет в течение суток и разрушается менее чем за секунду, когда достигает предела Чандрасекара. Для атомного ядра этот предел составляет от 1,2 до 1,5 солнечных масс. Материя падает в недра звезды, и отталкивание электронов не может остановить падение. Центральное ядро все больше и больше сжимается, и в какой-то момент из-за давления происходят реакции нейтронизации — протоны начинают поглощать электроны и превращаться в нейтроны. Это приводит к быстрой потере энергии в образующихся нейтрино (так называемое нейтринное охлаждение). Материя продолжает ускоряться, падать и сжиматься до тех пор, пока не начнет действовать отталкивание между нуклонами в атомном ядре (протонами, нейтронами). Строго говоря, сжатие даже выходит за этот предел: падающая материя превышает точку равновесия на 50 % из-за упругости нуклонов («максимальное сжатие»). Коллапс центрального ядра происходит настолько быстро, что вокруг него образуется волна разрежения. Затем оболочка устремляется к центру звезды и следует за ядром. Затем «сжатый резиновый мяч отскакивает назад», и ударная волна выходит во внешние слои звезды со скоростью от 30 000 до 50 000 км/сек. Внешние части звезды разлетаются во все стороны, оставляя в центре области взрыва массивную нейтронную звезду или черную дыру. Это явление называется взрывом сверхновой II типа. Эти взрывы различаются по мощности и другим параметрам, поскольку взрываются звезды с разной массой и химическим составом. Существуют доказательства того, что при взрыве сверхновой типа II выделяется не намного больше энергии, чем при взрыве типа I, поскольку пропорциональное количество энергии поглощается оболочкой, но это может быть не всегда так.
В описанном сценарии есть некоторые неясности. Астрономические наблюдения показали, что крупные звезды взрываются, образуя расширяющиеся туманности, в центре которых остается быстро вращающаяся нейтронная звезда, регулярно испускающая импульсы радиоволн (пульсары). Однако теория гласит, что внешняя ударная волна должна расщепить атомы на нуклоны (протоны, нейтроны). Для этого необходимо затратить энергию, что приводит к аннигиляции ударной волны. Но по какой-то причине этого не происходит: ударная волна за несколько секунд достигает поверхности ядра, а затем и поверхности звезды и выбрасывает вещество. Рассматриваются различные гипотезы о различных массах, но они не кажутся убедительными. Возможно, что в состоянии «максимального сжатия» или при взаимодействии ударной волны с еще падающей материей вступают в действие какие-то принципиально новые, неизвестные нам законы физики. Кроме того, взрыв сверхновой с образованием черной дыры поднимает следующие вопросы: Почему материя не полностью поглощается черной дырой после взрыва; существует ли исходящая ударная волна и почему она не замедляется, и существует ли такая вещь, как «максимальное сжатие»? 1
Одна из самых известных сверхновых — SN 1987A. Это произошло в 1987 г. Она до сих пор изучается астрономами, потому что они могут наблюдать, как сверхновая развивается в первые десятилетия после взрыва.
Механизм взрыва сверхновой
Когда процесс начнется, железное ядро размером с Землю и массой, подобной нашему Солнцу, за доли секунды превратится в нейтронную сферу диаметром в несколько километров. В результате гравитационного коллапса высвобождается огромное количество энергии, более чем в 100 раз превышающее энергию, выделяемую нашим Солнцем за 10 миллиардов лет его жизни.
Эта энергия вырывает внешние слои звезды в космос в результате гигантского взрыва, называемого сверхновой (множественное число: сверхновая), оставляя после себя невероятно плотную нейтронную сферу. В некоторых случаях оставшаяся масса настолько велика, что гравитация еще больше разрушает ядро, пока оно не превращается в черную дыру.
Последствия взрыва сверхновой
Взрыв посылает с поверхности бывшей звезды ударную волну со скоростью 10 000 км/с, которая нагревается и светится в течение недели. Эта ударная волна сжимает материал, через который она проходит, и является единственным местом, где образуются многие элементы, такие как цинк, серебро, олово, золото, ртуть, свинец и уран. Проходят месяцы, газы остывают, теряют свою яркость и присоединяются к обломкам в межзвездном пространстве. Эти обломки содержат все элементы, которые образовались в ядре звезды. Через миллионы или миллиарды лет эти обломки могут превратиться в новые звезды. Тот факт, что Земля содержит элементы, которые были созданы только в сверхновых, является доказательством того, что наша солнечная система, наша планета и наши тела содержат материал, который был создан давным-давно сверхновой звездой.
Крабовидная туманность — это остаток сверхновой звезды, взорвавшейся в 1054 году нашей эры. Когда Бетельгейзе взорвется как сверхновая, она будет более чем в 10 раз ярче полной Луны на нашем небе. Она находится всего в 640 световых годах от нас, и возможно, что взрыв этой сверхновой еще не будет виден с Земли, потому что свет от взрыва еще не достиг нас.
Типы сверхновых
Сверхновые возникают в звездах с массой не менее 8 солнечных масс. Доктор Мелисса Грэм описывает различные типы сверхновых.
Как существуют различные типы звезд, так существуют и различные типы сверхновых. Описанные выше коллапсы ядра сверхновой называются Тип II, если они содержат водород, Тип Ib, если они содержат гелий, и Тип Ic, если в них нет ни водорода, ни гелия.
Хотя эти категории были первоначально определены на основе данных наблюдений, астрономы теперь лучше понимают физические различия между звездами-прародителями и причины взрывов сверхновых, которые приводят к этим классификациям.
Как описано выше, массивная звезда напоминает лук с самым тяжелым элементом, расплавленным железом, в центре и концентрическими оболочками из более легких элементов, содержащих гелий и водород. Поскольку тип Ib не содержит водорода, но содержит гелий, это указывает на то, что звезда не имела водородной оболочки в момент коллапса ядра.
Аналогично, тип Ic не имеет водородной или гелиевой оболочки, и в их спектрах видны тяжелые элементы, такие как железо из ядра. Как это могло произойти?
В массивных звездах, горячих и ярких, давление излучения настолько велико, что внешние слои звезды выталкиваются наружу. У звезд с большей массой больше массы теряется из внешних оболочек, поэтому звезды с массой от 8 до 20 солнечных масс, как ожидается, станут звездами типа II, а звезды с большей массой — типа Ib и Ic. Эта гипотеза была подтверждена для некоторых ближайших сверхновых, например, когда исчезла большая звезда, видимая на фотографии перед взрывом сверхновой.
Существует еще одна эмпирическая классификация сверхновых, называемая типом Ia. Как и тип Ic, тип Ia не содержит ни водорода, ни гелия, но они имеют очень сильные линии поглощения кремния и железа.
Согласно одной из гипотез, облако космической пыли от взрыва сверхновой может продержаться в космосе два или три миллиарда лет!
Сверхновая типа Ia
Сверхновые этого типа возникают не из звезд, а из белых карликов. Интересно то, что яркость всех этих объектов одинакова. А если вы знаете яркость и тип объекта, вы можете вычислить его скорость, используя красное смещение. Поиск сверхновых типа Ia очень важен, потому что с их помощью было обнаружено и доказано ускоренное расширение Вселенной.
Возможно, завтра они вспыхнут
Существует целый список кандидатов в сверхновые. Конечно, определить точное время взрыва довольно сложно. Вот самые близкие из известных:
- IK Pegasus. Двойная звезда расположена в созвездии Пегаса на расстоянии 150 световых лет. Его спутником является гигантский белый карлик, который уже перестал вырабатывать энергию за счет ядерного синтеза. Когда главная звезда становится красным гигантом и увеличивает свой радиус, карлик начинает увеличивать свою массу за ее счет. Когда его масса достигнет 1,44 солнечных масс, может произойти взрыв сверхновой.
- Антарес: красный сверхгигант в созвездии Скорпиона, удаленный на 600 световых лет. Антарес сопровождается горячей голубой звездой.
- Бетельгейзе. Объект, похожий на Антарес, расположенный в созвездии Ориона. Его расстояние от Солнца составляет от 495 до 640 световых лет. Это молодое светило (возраст около 10 миллионов лет), которое, как считается, достигло фазы горения углерода. Через тысячелетие или два мы сможем стать свидетелями взрыва сверхновой звезды.
Влияние на Землю
Сверхновая, взорвавшаяся неподалеку, конечно же, не может повлиять на нашу планету. Бетельгейзе, например, при взрыве увеличит свою яркость в 10 000 раз. В течение нескольких месяцев звезда будет выглядеть как яркое пятно, по яркости похожее на полную Луну. Однако если один из полюсов Бетельгейзе будет направлен на Землю, она будет залита гамма-излучением звезды. Аврора увеличится, а озоновый слой уменьшится. Это может иметь очень негативные последствия для жизни на нашей планете. Это лишь теоретический расчет, и невозможно с уверенностью сказать, какие последствия будет иметь взрыв сверхгиганта в действительности.
Смерть звезды, как и жизнь, иногда может быть очень красивой. И сверхновые являются одним из таких случаев. Их сильное и яркое свечение затмевает все соседние небесные тела.
