Звезды

Сверхновые Звезды

Их массы не достигают 1,4 солнечной, умирают тихо и безмятежно. А что происходит с более массивными звездами? Как возникают нейтронные звезды и черные дыры? Катастрофический взрыв, которым заканчивается жизнь массивной звезды, — это воистину впечатляющее событие. Это самое мощное из природных явлений, совершающихся в звездах. В мгновение ока высвобождается больше энергии, чем излучает ее наше Солнце за 10 миллиардов лет. Световой поток, посылаемый одной гибнущей звездой, эквивалентен целой галактике, а ведь видимый свет составляет лишь малую долю полной энергии. Остатки взорвавшейся звезды разлетаются прочь со скоростями до 20 000 км в секунду.

Такие грандиозные  звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые — довольно редкое явление. Каждый год и других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом  в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г. Может быть, они и были, но остались невидимыми из-за большого количества пыли в Млечном Пути. Радиоастрономы обнаружили кольцо газа, оставшегося от сверхновой в созвездии Кассиопеи, и вычислили дату взрыва — 1658 г. В то время никто не зарегистрировал необычно яркой звезды, хотя одна довольно скромная звездочка, которую впоследствии уже не видели, была отмечена в этом же месте на звездной карте 1680 г.

Сверхновая —  смерть звезды

Чтобы разобраться  в том, что приводит к взрыву сверхновой, нам придется рассмотреть последние  стадии эволюции массивной звезды. Когда весь водород в центральном  ядре превращается в гелий, начинаются новые ядерные процессы, преобразующие гелий в углерод. Но дальше от центра, в оболочке, водород все еще соединяется, образуя гелий. Когда гелий использован, горючим становится углерод. В слоях, расположенных вокруг ядра, протекает весь ряд последовательных ядерных реакций, так что звезда приобретает структуру, напоминающую луковицу.

В последней стадии ядро звезды состоит уже из железа и никеля, а вокруг идет ядерное  горение кремния, неона, кислорода  углерода и это ведет к образованию  в центре звезды белого карлика. Менее  чем за секунду ядро уменьшается от размеров Земли до 100 км в поперечнике. Его плотность становится такой как у атомного а (примерно в 100 миллионов раз больше, чем плотность воды) . Вещество сливается в нечто подобное гигантскому атомному ядру — образуется нейтронная звезда. В тот момент, когда нейтроны во внутренней части ядра оказываются способными предотвратить дальнейшее сжатие, процесс внезапно останавливается. Немедленно на еще падающий к центру материал обрушиваются встречные ударные волны, и в звезду вливается энергия огромного количества частиц, называемых нейтрино. В результате звезда сбрасывает свои наружные слои, открывая взгляду скрывавшееся под ними нейтронное ядро. По мнению астрономов, большая часть нейтронных звезд, если не все они, родились во взрывах сверхновых. При определенных условиях ядро может оказаться достаточно массивным, чтобы вместо нейтронной звезды образовалась черная дыра. У нас есть ясная картина того, как массивные звезды заканчивают свое существование взрывами сверхновых. Но это не единственный способ запуска подобных взрывов. Лишь около четверти всех сверхновых появляется таким путем. Они отличаются своими спектрами и специфической картиной возгорания и затухания. Как действуют другие сверхновые, пока не вполне ясно. Наиболее достоверная теория предполагает, что они начинаются с белых карликов в двойных системах. Вещество перетекает на белый карлик с его партнера до тех пор, пока масса карлика не превысит 1,4 солнечной. Затем следует взрыв сверхновой, и вся звезда, по-видимому, навсегда разрушается. Сверхновая сохраняет свою максимальную яркость лишь около месяца, а затем непрерывно угасает. В это время источником световой энергии является радиоактивный распад вещества, образовавшегося при взрыве. Еще долгое время после взрыва можно наблюдать вещество сброшенной оболочки, постепенно расходящееся в окружающем пространстве. Такие туманности называют остатками сверхновых. В созвездии Тельца имеется Крабовидная туманность, представляющая собой остаток сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г. Обширное тонкое кольцо вещества в Лебеде, так называемая Петля Лебедя, осталась от вспышки сверхновой, произошедшей около 30 000 лет назад. Остатки сверхновых — одни из сильнейших источников радиоволн в нашем небе.

Происхождение элементов 

Наш обычный мир  — скалистая Земля с ее океанами, атмосферой, растительной и животной жизнью — состоит примерно из 100 различных химических элементов. Во Вселенной некоторые из них гораздо  более распространены, чем другие. Сочетаясь между собой, элементы образуют бесчисленное множество различных веществ. Но откуда взялись сами элементы, эти основные строительные кирпичики мироздания? Сегодня астрономы в состоянии дать полную картину того, как образовались и как распределились по Вселенной различные элементы. Простейший из всех элементов — водород. Ядро атома водорода состоит из единственного протона, а добавление к нему одного электрона завершает конструкцию атома. Ядра других элементов содержат различные количества протонов, а также нейтронов, которые входят в состав всех элементов, кроме водорода. В ходе ядерных реакций отдельные ядра могут сливаться с элементарными частицами, вроде нейтрона, и образовывать новые элементы. Для протекания ядерных реакций нужны очень высокие температуры. Такие температуры существовали на ранних стадиях развития Вселенной, а сейчас они встречаются внутри звезд, во взрывах сверхновых, а также при падении вещества на очень плотные звезды типа белых карликов. Весь водород во Вселенной, да и значительная часть гелия, появились на свет в течение нескольких первых минут после начала мира. Первые из сформировавшихся звезд состояли почти целиком из водорода и гелия. Но мы уже видели, как звезды получают свою энергию путем слияния ядер водорода, приводящего к образованию гелия, а затем — слияния гелия с более тяжелыми элементами, когда получается все остальное, включая углерод, кислород, кремний, железо и так далее. Когда звезда сбрасывает оболочку, как сверхновая, большая часть материала выносится в космическое пространство. Тепловая энергия взрыва способствует созданию еще большего числа элементов. После того как произошло достаточно много вспышек сверхновых, межзвездное вещество уже содержит значительное количество веществ, произведенных в звездах — наряду с водородом и гелием, которые были здесь с самого начала. Звезды, которые обходятся без взрыва, также вносят свою лепту, когда они постепенно освобождаются от своих внешних слоев, вызывая появление звездных ветров или планетарной туманности.

Теперь самое время  напомнить, что звезды формируются из облаков межзвездного материала. Звезды, которые сегодня рождаются в нашей Галактике, образуются из гораздо более разнообразной смеси химических элементов, чем самые первые звезды. Даже наше Солнце уже не принадлежит к первому звездному поколению. Оно сформировалось из облака, в котором было немало углерода, кислорода, кремния, железа и др., — по крайней мере, этих элементов оказалось достаточно, чтобы собрать их воедино во вращающейся туманности, ставшей затем Солнечной системой, и образовать нашу планету. Это может показаться странным, но большинство атомов в нашем собственном теле было создано в недрах давно умерших звезд.

Когда 24 февраля 1987 г. была открыта 5М 1987А, астрономы были очень взволнованы: ведь это была самая яркая сверхновая с 1604 г. Хотя на этот раз сверхновая вспыхнула не в нашей Галактике, а в соседней Большом Магеллановом облаке, ее звездная величина в максимуме блеска достигла 2,9, что позволяло легко наблюдать сверхновую в южном полушарии невооруженным глазом.

Впервые развитие сверхновой стало доступно наблюдению с помощью  современной аппаратуры. Это голубой  сверхгигант с массой примерно в 17 солнечных; согласно расчетам, его  возраст составлял около 20 миллионов  лет. ВАЯ 1987А На самом деле взрыв  произошел примерно за день до его обнаружения. Это было установлено по 6олее ранней фотографии, а исследователи, изучающие потоки космических нейтрино, 23 февраля зарегистрировали неожиданно большое их количество. Нейтрино — это элементарные частицы, вряд ли имеющие массу. Их очень трудно регистрировать, Но такая работа чрезвычайно важна, так как нейтрино уносят большое количество энергии в целом ряде ядерных реакций. Обнаружение нейтрино показало, что наша теория возникновения сверхновой в основном верна. Однако на месте вспышки сверхновой не удалось обнаружить пульсар или нейтронную звезду.

Крабовидная туманность

Один из самых  известных остатков сверхновой, Крабовидная  туманность, обязана своим названием  Уильяму Парсонсу, третьему графу  Россу, который первым наблюдал ее в 1844 г. Ее впечатляющее имя не совсем соответствует этому странному объекту. Теперь мы знаем, что эта туманность — остаток сверхновой, которую наблюдали и описали в 1054 г. китайские астрономы. Ее возраст был установлен в 1928 г. Эдвином Хабблом, измерившим скорость ее расширения и обратившим внимание на совпадение ее положения на небе со старинными китайскими записями. Она имеет форму овала с неровными краями; красноватые и зеленоватые нити светящегося газа видны на фоне тусклого белого пятна. Нити светящегося газа напоминают сеть, наброшенную на отверстие. Белый свет исходит от электронов, несущихся по спиралям в сильном магнитном иоле. Туманность является также интенсивным источником радиоволн и рентгеновских лучей. Когда астрономы осознали, что пульсары — это нейтрон сверхновых, им стало ясно, что искать пульсары надо именно в таких остатках типа Крабовидной туманности. В 1969 г. 6ыло обнаружено, что одна из звезд вблизи центра туманности периодически излучает радиоимпульсы, а также световые и рентгеновские сигналы через каждые 33 тысячных доли секунды. Это очень высокая частота даже для пульсара, но она постепенно понижается. Те пульсары, которые вращаются гораздо медленнее, намного старее пульсара Крабовидной туманности.

Наименование сверхновых

Хотя современные  астрономы не были свидетелями сверхновой в нашей Галактике, им удалось  наблюдать по крайней мере второе по интересу событие — сверхновую в 1987 г. в Большом Магеллановом облаке, ближней галактике, видимой в  южном полушарии. Сверхновой дали имя ЯХ 1987А. Сверхновые именуются годом открытия, за которым следует заглавная латинская буква в алфавитном порядке, соответственно последовательности находок, БХ это сокращение от сверхновая. (Если их открыто более 26, следуют обозначения АА, ВВ и т.д.)