Взрывы сверхновых звезд — одно из наиболее эффектных космических зрелищ, а сами сверхновые, как и их порождения нейтронные звезды и черные дыры — принадлежат к самым необычным феноменам мироздания. Чтобы объяснить природу подобных небесных тел, астрономы нуждаются в помощи физиков.

Против всех правил

Гармония небесных сфер, мир неподвижных звезд — все это астрономическая наука древности. Она вполне заслуживает титула "большое математическое построение" ("Мегале синтаксис" — так назывался свод астрономии Клавдия Птолемея), ибо
была сродни, скорее, стереометрии. В ее трактовке небо над нашей головой превращалось в однотонный фон, на котором громоздились прихотливые конструкции из больших и малых эпициклов — "каскад" окружностей, увенчанный фигуркой планеты, что перекатывалась по нему. Наблюдение за темным ночным небом незаметно
подменялось яркими математическими озарениями, которые следовало поверять сложнейшими вычислениями. Наука астрономия превратилась в головоломную игру, где перечень фигур был известен от века, как вдруг, почти через пятнадцать веков после того, как один из величайших гениев античности Птолемей создал теорию неба, случилось нечто, нарушавшее все устои "игры в звезды".
Представьте себе оторопь шахматистов, которые, расположившись за столиками перед очередным туром крупного международного турнира, разом заметили, что на каждой из расставленных здесь досок клетку d3 занимает невесть откуда взявшаяся фигура — какой-нибудь космонавтик в скафандре. Как прикажете это понимать? Шахматистам оставалось бы лишь придумывать правила передвижения — "законы бытия" — для этой фигуры.
Та же оторопь охватила редкое племя астрономов в ноябре 1572 года. В созвездии Кассиопеи вдруг загорелась звезда, которой там никогда не было, и сияла она так ярко, словно тщилась затмить весь небесный свод. На протяжении двух недель она была различима даже в дневное время. Это неожиданное явление побудило молодого датского дворянина и алхимика-дилетанта Тихо Браге написать свое первое астрономическое сочинение — "О новой звезде". Теперь мы знаем, что вспышка
сверхновой звезды знаменует не рождение, а смерть светила. В момент взрыва звезды происходит синтез тяжелых элементов. Так возникают, в частности, атомы железа — те самые атомы, что входят, например, в состав наших красных кровяных телец. Все эти факты давно уже стали прописными истинами.
Однако сами события, предваряющие смерть звезды, становятся очевидны только теперь. В новейших компьютерных моделях отжившие свое звезды взрываются по всем правилам науки, помогая ученым осознать, что за проклятия навлекают на звезду ее роковой жребий.
"Причины нашего непонимания процессов, протекающих в недрах сверхновых звезд, очень разнообразны, — отмечают астрономы. — Заметно разнятся масса и количество тяжелых элементов, содержащихся в недрах звезды, которой суждено взорваться. А добавьте к этому различные побочные обстоятельства, как то: скорость движения звезды, характеристики магнитного поля, близость других звезд, убыль массы, вызванная звездным ветром. Вот почему взрывы сверхновых так разнообразны".
Лишь с помощью современных компьютеров можно моделировать эти катастрофы — одни из самых жутких событий в истории мироздания после Большого взрыва. Они исстари
привлекали внимание летописцев, оставивших нам известия то о сверхновой 1054 года, вспыхнувшей в Крабовидной туманности, то о звезде, просиявшей незадолго до Рождества Христова, как подтверждает сообщение китайского хрониста. Впрочем, в большинстве случаев мы не замечаем этих событий, потому что взорвавшиеся звезды находятся очень далеко от Земли, и облака газа и пыли заслоняют их от наших взглядов. В последний раз люди непосредственно наблюдали за взрывами сверхновых еще до изобретения телескопа, в 1572 и 1604 годах.
Когда же астрономы, вооружаясь все более мощными телескопами, повели наблюдение за звездным небом, светила ночного свода словно бы перестали взрываться. Конечно, затишье в хаосе звезд обманчиво. В большинстве своем звезды, а значит, и сверхновые звезды, располагаются в спиральных рукавах Галактики. Громадные облака газа и пыли мешают нам вести наблюдение за происходящим в этих "звездных закоулках". Однако у астрономов все же есть достаточно фактов, чтобы выстраивать на них строгие научные теории. Как-никак, в нашем распоряжении имеются сведения о примерно двух сотнях остатков взорвавшихся звезд, обнаруженных в нашей Галактике. Кроме того, телескопы давно уже позволяют изучать жизнь других галактик. В общей сложности астрономы наблюдали уже около двух тысяч взрывов сверхновых, в том числе в 1987 году почти по соседству с Млечным Путем — в Большом Магеллановом облаке.
Это позволило достаточно полно описать подобные события. Типы сверхновых звезд
Сверхновые нельзя "мерить одним аршином". Ученые различают сейчас несколько их типов, основывая свою классификацию на особенностях их спектра. За этой несхожестью спектров кроются фундаментальные различия. Все дело в том, что существуют два разных физических процесса, которые могут привести к взрыву звезды. Чаще всего сверхновые образуются при коллапсе гигантских звезд. В то же время многие из самых ярких сверхновых порождены термоядерными взрывами белых карликов — реликтов отгоревших звезд размером с наше Солнце. Речь идет о карликах в системе двойных звезд. Они постоянно пожирают находящуюся рядом звезду, пока их масса не достигает магического предела — 1,4 солнечной массы. Тогда карликовая звезда "обрушивается как карточный домик", вспыхивая сверхновой. В компьютерной модели, созданной учеными Чикагского университета, показаны первые две секунды этого процесса. Разогретый до десяти миллиардов градусов пепел, образовавшийся в недрах звезды в результате термоядерной реакции, поднимается к ее поверхности и обволакивает звезду — раздается взрыв. Остатки звезды уносятся в космическую даль со скоростью свыше 10 тысяч километров в секунду.
Свидетелем подобного события — взрыва состарившейся звезды — стал и Тихо Браге. Фигура, явленная ему в "театре небес", была белым карликом. Рядом с ней располагалась вполне обычная звезда, которую постепенно поглощал карлик, пока, "пресытившись", — достигнув предельной массы, — не взорвался. Кстати, в 2004 году астрономы Барселонского университета обнаружили ту самую жертву —соседку сверхновой.

Время коллапса

Итак, взрыву сверхновой часто предшествует коллапс выгоревшего ядра какой-либо массивной звезды. Все звезды вырабатывают свою энергию за счет термоядерного синтеза — слияния легких элементов и образования более тяжелых. Вначале протекает процесс слияния атомов водорода — недра звезды наполняются гелием. Со временем температура и давление в центре звезды заметно возрастают. Когда, наконец, "загорается" углерод, температура в недрах звезды достигает уже миллиарда градусов. Тем временем, по мере того, как продолжаются термоядерные процессы, возникает все больше нейтрино.
Эти "призрачные частицы", беспрепятственно проникающие, к примеру, сквозь толщу Земли, отводят от звезды избыточную энергию. Они практически не взаимодействуют с веществом. Словно призраки или тени, они мчатся почти со скоростью света сквозь космическую даль, не встречая нигде преграды, в то время как кванты излучения с трудом, после многочисленных столкновений с частицами вещества, в течение многих тысяч лет пробиваются на поверхность звезды. Потоки нейтрино, покидающие недра сверхновой звезды, впервые удалось наблюдать при взрыве сверхновой в Большом Магеллановом облаке в 1987 году. За считанные часы до вспышки сверхновой сразу несколько детекторов зарегистрировали повышенный фон этих неуловимых частиц.
Итак, нейтрино, невидимками пролетая мимо всех звезд и планет, уносят с собой часть энергии породившей их звезды. Та компенсирует потерю энергии, еще быстрее — "еще энергичнее" — сжигая топливо. Звезда выгорает изнутри, словно дом, отданный на растерзание пожару. Если масса звезды в восемь и более раз превышает массу Солнца, то за несколько десятков миллионов лет она израсходует весь имеющийся в ее недрах водород. Пройдет еще несколько миллионов лет, и будет сожжен весь гелий; через несколько тысяч лет допылают запасы углерода.
Последнее, что попадет в ее топку, — кремний. Это отсрочит крах примерно на три недели. Звезда исчерпает свои ресурсы.
На память о былом богатстве останется "слиток металла" — железоникелевое ядро размером с нашу планету и массой, которая превосходит солнечную массу примерно в полтора раза. Атомные ядра железа и других элементов так называемого "железного пика" (кобальта, никеля) имеют максимальную энергию связи в расчете на одну частицу. Присоединение новых частиц к этим атомным ядрам
требует огромных затрат энергии, а потому реакция термоядерного синтеза прекращается. Железо — самый стабильный из химических элементов. Его появление — мрачное предвестие. Теперь звезда обречена на гибель.
Можно сказать, все свои средства звезда вложила в этот ценный металл и тем самым вывела их из оборота. "Легкие деньги" водорода и гелия превратились в недвижимость, в "клад", который не сбыть никуда, пока накопленное сокровище не расточит жестокая "революция" — звездный взрыв.
Железное ядро стремительно — со скоростью, лишь в четыре раза ниже световой, — сжимается, образуя необычайно плотную и горячую протонейтронную звезду, диаметр которой составляет порядка тридцати километров. На все про все уходит полсекунды. Звезда мгновенно "падает внутрь себя", словно луч света — в глубокую
шахту. "Падают" все ее части. К примеру, электроны "падают", если хотите, втискиваются, внутрь протонов, превращая те в нейтроны (этот процесс протекает с выделением большого количества нейтрино).
Механизм "угасания" звезды не вызывает разнотолков среди ученых. Они подчеркивают, что катастрофический коллапс ядра описан теоретиками достаточно подробно. Гораздо труднее объяснить, почему за этим следует взрыв. Что приводит в работу спусковой механизм? Что заставляет звезду разлететься на части?Возможно, дело в "отдаче". "Проваливаясь" внутрь себя, ядро звезды до предела сжимается, пока не "отскакивает" само от себя — как мяч, брошенный в стену, отлетает от нее. Если вы стоите на пути мчащегося назад мяча, он больно ударит вас. Вслед за ядром к центру звезды "проваливается" окружавшая его газовая оболочка. "Отскакивая" само от себя, то бишь разжимаясь, ядро со всего маху, — как мяч по выставленной к нему руке, как камень по стеклу, — бьет по этой оболочке. Такой удар трудно выдержать даже небесному гиганту.
"Поначалу мы думали, что эта коллизия порождает ударную волну, которая и инициирует рождение сверхновой звезды, — отмечает Адам Барроуз, астрофизик из Аризонского университета. — В этом была своя логика, но данный механизм не работал". Расчеты показывают, что при распространении ударной волны наблюдается массовое расщепление атомных ядер железа на свободные протоны и нейтроны. Этот процесс отнимает слишком много энергии. Волна ослабевает, гаснет. Теперь ее энергии хватит лишь на то, чтобы разогреть потоки летящего навстречу газа, но никак не отразить их. Если не будет каких-то других привходящих обстоятельств, то на месте погибшей звезды образуется черная дыра. Место сверхновой звезды окажется вакантно. Но она все же пылает на небосводе. Как же так?

Нейтрино сбрасывают маски

Более сорока лет назад, в 1966 году, Стирлинг Колгейт и Ричард Уайт из Ливерморской лаборатории предположили, что важную роль в возникновении сверхновой звезды играют нейтрино. Образуясь в центре протонейтронной звезды, они мгновенно уносятся вдаль, отводя огромное количество энергии. Ее достаточно, чтобы "поджечь" газовую оболочку умирающей звезды. "Ее достаточно" в гипотезе, однако компьютерные модели, созданные в 1970 — 1990е годы, показали, что нейтрино не могут разогреть газ настолько, чтобы коллапс завершился взрывом. Потоки нейтрино чиркают по газовому облаку, словно спичка — по отсыревшему коробку, и не поджигают его. В одной модели, другой, третьей… А звезды тем не менее, взрываются, пусть и не часто. Может, дело не в звездах, а в моделях? Расчеты, проделанные десятилетия назад, были довольно упрощенными. Они предполагали, что коллапсирующие звезды представляют собой идеальные шары. Чтобы произвести расчет, астрофизикам приходилось игнорировать такие феномены, как вращение звезды или турбулентные (вихревые) потоки, возникающие в газовой среде. Однако и последующие, более сложные трехмерные модели ни к чему хорошему, то бишь плохому, правдоподобному не приводили. Звезды не взрывались. Из искр, сколько их ни высекали, не возгоралось звездное пламя. По-видимому, проблема в том, что и лучшие модели образования сверхновых звезд значительно упрощают этот механизм. Для детального расчета понадобилось бы около 1020 операций и объем памяти порядка 1012 бит. Но даже самые быстродействующие современные компьютеры способны производить лишь примерно 1012 операций в секунду. Потребовалось бы несколько лет непрерывной работы, чтобы создать на таком компьютере одну-единственную модель взрыва сверхновой.
Расчеты сложны по нескольким причинам. Громадные размеры звезды, чрезвычайно высокие температура и плотность… А сколько хлопот доставляют нейтрино, летящие во все стороны! Их энергию, их направление движения тоже надо учитывать. К тому же этих "призрачных" нейтрино — три сорта, и они поочередно превращаются одно в другое. Более сорока лет назад нейтрино на миг сбросили свои маски, продемонстрировав, что не остаются в стороне от взрыва сверхновой звезды, но тут же облачились в новые маски, стали меняться ими.

Как пузырьки в кипятке

Наиболее сложные модели показывают, что в газовой оболочке, разогретой потоками нейтрино, возникают мощные конвективные потоки. Как пишет российский астроном Константин Постнов, "складывается ситуация, похожая на ту, которая возникает при попытке налить более плотную жидкость, например воду, поверх менее плотной, скажем керосина или масла. Из опыта хорошо известно, что легкая жидкость стремится "всплыть" из-под тяжелой". Состояние становится очень неустойчивым.
Можно прибегнуть и к другому сравнению — сказать, что газовая оболочка напоминает кипящую воду в котле. Вся ее толща пронизана пузырьками, спешащими подняться наверх. Вот такие же грибовидные пузырьки из раскаленной плазмы в огромном количестве образуются в толще звезды, устремляясь к ее поверхности. Звезда "кипит". Этот водяной котел перегрелся; вот-вот его разорвет — и, да, при определенных условиях он взрывается. Происходит асимметричный взрыв сверхновой звезды. Именно в соответствии с этой моделью распределяются, например, остатки сверхновой, взорвавшейся в созвездии Кассиопеи (на рентгеновских фотографиях, сделанных обсерваторией "Чандра", видно, что газовая оболочка, сброшенная звездой, отлетела почти на 10 тысяч световых лет). Но бывает ли так со всеми звездами? Ученые по-прежнему не уверены, что именно гигантскими конвектиными потоками в толще звезды, поднятыми проносящейся здесь "стаей" нейтрино, можно объяснить все взрывы сверхновых. Адам Барроуз предложил другое объяснение: звуковые волны.
При стремительном сжатии звезды, как показал проделанный им обширный расчет, звезда начинает вибрировать. "В компьютере ее частота поначалу равнялась тремстам герцам". По идее, порожденные этим звуковые волны заметно усиливают ослабевшую, было, ударную волну. Свою лепту вносят и нейтрино, по-прежнему
разогревающие газовую оболочку звезды. Взаимное наложение этих процессов и приводит к тому, что звезда вдруг взрывается. Эти звуковые волны становятся той соломинкой, что "опрокидывают" звезду, увлекают ее в пропасть.
Проверить эту гипотезу, впрочем, можно будет, лишь обнаружив наконец гравитационные волны — предсказанные Эйнштейном колебания пространства-времени. Ведь вибрирующая звезда должна порождать эти волны. Когда с помощью специальных детекторов удастся зафиксировать их, это послужит также подтверждением правоты астрофизиков, еще более усложнивших модель образования сверхновых звезд.
В другой модели, тоже имеющей право на существование, энергия вращения звезды преобразуется в магнитную. В некоторых случаях этого оказывается достаточно, чтобы вызвать чрезвычайно асимметричный взрыв звезды, причем ее остатки выбрасываются в космос строго вдоль оси ее вращения. Подобные звезды называют также "гиперновыми"; именно они являются источниками мощных вспышек гамма-излучения. На месте взорвавшейся гиперновой, по-видимому, остается черная дыра.
Еще одна модель. Звезда взрывается так, что от нее не остается ничего — ни нейтронной звезды, ни черной дыры. Этот механизм срабатывает, впрочем, если масса звезды очень велика — от 140 до 260 солнечных масс — и звезда почти не содержит тяжелых химических элементов. Сейчас подобные звезды крайне редки. Однако в далеком прошлом, предполагают ученые, большинство звезд были очень массивны и бедны химическими элементами. У подобных сверхтяжелых звезд к
моменту коллапса не образовалось железное ядро; их центральная часть содержит лишь такие легкие элементы, как углерод и кислород, которые способны еще поддерживать термоядерную реакцию. При коллапсе температура звезды возрастает, и тогда происходит термоядерный взрыв; звезда разлетается во все стороны, при этом атомные ядра легких элементов сливаются друг с другом, и образуется огромное количество тяжелых элементов, например, изотопа никеля-56. Расчеты показывают, что после одного такого взрыва может образоваться до сорока солнечных масс никеля-56. Взрывы первых сверхновых звезд буквально наводняли молодую Вселенную тяжелыми элементами.
Иногда они взрываются "на бис" Остатки взорвавшейся звезды — сброшенная ею оболочка — могут неделями и даже месяцами пылать на небесах. Дольше всего светятся самые массивные звезды. Так, сверхновая SN 2006gy, открытая астрономами
18 сентября 2006 года в галактике NGC 1260, за 240 миллионов световых лет от нас, разгоралась в течение 70 дней, а потом еще более ста дней пылала ярче любой другой сверхновой (обычно яркость сверхновой нарастает в течение трех недель, а потом взорвавшаяся звезда начинает меркнуть).
По оценке астрофизиков, этот "небесный огонь", вспыхнувший в районе созвездия Персея, пылал в 50 миллиардов раз ярче, чем наше Солнце, и в десятки раз ярче своей родной галактики. Это — самая яркая из всех известных нам прежде сверхновых звезд.
В 2007 году американские исследователи предложили модель, объясняющую природу необычной сверхновой. Согласно ей, звезда взрывалась несколько раз. "Когда заходит речь о сверхновой, мы подразумеваем обычно гибель звезды, — поясняет один из руководителей исследования, Стэнфорд Уосли из Калифорнийского университета, — но в этом случае звезда взрывалась, наверное, полдюжины раз".
Звезда словно скатывалась по ступеням лестницы, постепенно погружаясь в смерть. Она сжималась, сбрасывала часть своей оболочки в окружающее пространство, снова сжималась, снова сбрасывала часть оболочки… Когда две отлетевшие оболочки сталкивались друг с другом, почти вся их кинетическая энергия превращалась в световую. Вот почему эта сверхновая так ослепительно сверкала. В небесном театре "на бис" загораются лишь самые крупные звезды, чья масса в 90 — 130 раз превосходит массу нашего Солнца. Так, если масса звезды в 130 раз превышает солнечную, то она лишь сбрасывает наружную оболочку и снова приходит в равновесное состояние. В зависимости от температуры в центре звезды это равновесие может продлиться несколько десятилетий, а, может, — несколько часов. И вновь наблюдается нестабильность. В случае, если начальная масса звезды равняется, например, 110 массам Солнца, то второй раз она взрывается через семь лет после первой катастрофы. Расчеты показывают, что должно пройти еще девять лет, прежде чем звезда в третий и последний раз взорвется, а ее ядро превратится в нейтронную звезду.
Впрочем, в том же номере Nature, где высказал свои соображения Уосли, его нидерландские коллеги дали другое объяснение феномену SN 2006gy. Возможно, необычная яркость этой звезды объясняется тем, что взрыву предшествовало столкновение двух громадных звезд. Подобные события лишний раз напоминают, что сверхновые звезды взрываются по разным причинам. Только так можно объяснить, почему эти эффектные астрономические события столь многолики. Унесенные вдаль остатки взорвавшейся звезды, насыщенные тяжелыми элементами, синтезированными
в ее недрах, со временем послужат строительным материалом для новых звезд и планет. На некоторых планетах появятся живые существа, в организме которых будут содержаться химические элементы, образовавшиеся в недрах почившей во взрыве звезды, например, железо — в крови. Так что, все мы немного — "звездные мальчики" и "звездные девочки".

Семь самых необычных звезд

Самая большая звезда — VY Canis Majoris, расположенная в 5000 световых годах от Земли, в созвездии Большого Пса. Диаметр этого сверхгиганта составляет порядка 1,2 — 1,5 миллиарда километров, что в 900 — 1050 раз больше диаметра Солнца (точно измерить размеры этой громадной звезды пока не удается). Если это далекое светило мысленно поместить в нашу Солнечную систему, оно не оставит места кружащим здесь планетам земной группы: его край, по-видимому, поглотит и орбиту Юпитера. На звание "рекордсмена" претендует и еще одна звезда — красный гигант VV Cephei из созвездия Цефея (ее предполагаемый размер — 800 — 950 диаметров .Солнца). Самая яркая звезда — LBV 1806+20, расположенная примерно в 40 тысячах световых лет от Земли в созвездии Стрельца. Этот сверхгигант пылает
в 38 миллионов раз ярче нашего Солнца. Предположительно, это — самая яркая
звезда, известная пока астрономам. Однако она расположена так далеко от нашей планеты, что мы не можем даже увидеть ее невооруженным глазом. Большую часть света, излучаемого ею, поглощают межзвездная пыль и газ. Самая массивная звезда — Eta Carinae в созвездии Киля (около восьми тысяч световых лет от Земли). Ее масса составляет примерно 100 — 150 солнечных масс. Со временем она станет сверхновой звездой. Еще один кандидат на звание рекордсмена в этой категории располагается в созвездии Стрельца. Вероятно, в далеком прошлом во Вселенной пылали звезды, что были раз в триста массивнее, чем Солнце, но все они давно взорвались. Самая легкая звезда — Wolf 424B — расположена там же, где и самая тяжелая, в созвездии Киля. Ее масса составляет всего 5 процентов от массы Солнца, или примерно в 52 раза больше массы Юпитера. Самая старая звезда — HE 1523+0901 — расположена в созвездии Весов, в 7500 световых лет от Солнца. Возраст этого красного гиганта составляет 13,2 миллиарда лет. Это — самая старая, насколько нам известно, звезда нашей Галактики. Она образовалась всего через 500 миллионов лет после Большого Взрыва, породившего Вселенную. Возраст этой звезды определен по содержанию в ней радиоактивных элементов — урана и тория. Самая быстрая звезда — PSR j1748 — 2446ad, что в созвездии Стрельца,
за 28 тысяч световых лет от Солнца. В состав этого двойного радиопульсара входит нейтронная звезда, которая вращается с невероятной скоростью. Всего за секунду она успевает совершить 716,36 оборотов (!) вокруг своей оси. Самая компактная звездная система — 4U 1820+30. В шаровом скоплении NGC 6624, на расстоянии 25 тысяч световых лет от Земли, находится двойная звездная система. Она состоит из нейтронной звезды, обращающейся вокруг звезды, в недрах которой еще догорают остатки гелия. Два небесных тела разделяют всего 130 тысяч километров, что почти в три раза меньше расстояния от Земли до Луны.

Источник