Почему взрываются звёзды?
Наука и жизньНаука
Павел Амнуэль
Вспышка сверхновой SN 2006gy в представлении художника. Иллюстрация: NASA/CXC/M. Weiss/Wikimedia Commons/PD
На первый взгляд звёздное небо представляется неизменным многие века. На самом деле это не так. Большинство звёзд — переменные. Есть такие, чей блеск меняется с определённым периодом. А есть звёзды, и их много, меняющие блеск случайным образом. К ним относятся, например, маломассивные красные карлики, на поверхности которых происходят мощные вспышки, и потому такие звёзды получили название катаклизмических переменных. Известны звёзды, яркость которых может в течение нескольких часов увеличиться в десятки тысяч раз! Очень слабая звёздочка, которую в большинстве случаев невозможно увидеть невооружённым глазом, вдруг разгорается и становится яркой, а то и одной из ярчайших на небе. Достигнув максимума блеска, звезда начинает тускнеть и несколько недель спустя опять становится такой же слабой, какой была до вспышки. Такие звёзды получили название «новые».
Немало копий в своё время поломали учёные в спорах о том, как объяснить яркие вспышки звёзд. Во второй половине XIX века немецкий астроном Вильгельм Клинкерфус предложил такую гипотезу: две звезды обращаются одна около другой по очень вытянутым орбитам. Когда расстояние между звёздами минимально, возникают мощные приливы, выбросы вещества, извержения. Вспыхивает новая звезда. Клинкерфус не ошибся, предположив, что это происходит в двойных системах, но на вопрос «Почему вспыхивают звёзды?» правильного ответа не дал.
Вспышка сверхновой в галактике М 82, произошедшая 22 января 2014 года: галактика до вспышки, внизу — во время вспышки (сверхновая обведена кружком). Фото со спутника «Свифт». Фото: NASA/Swift/P. Brown, TAMU (2)
Прошло несколько десятков лет, и астрономы обнаружили, что бывшие новые звёзды в созвездиях Северной Короны и Лебедя действительно представляют собой тесные двойные системы. Французский астрофизик Эдвард Шацман и независимо от него чешский астрофизик Зденек Копал высказали идею о том, что все новые звёзды — это двойные системы.
По современным представлениям, вещество выбрасывается с поверхности одной из звёзд, постепенно накапливается на поверхности другой звезды — скорее всего, это белый карлик с его большой и плотной атмосферой, где условия благоприятствуют быстрому горению водорода. Создаются условия для ядерных реакций синтеза — и происходит взрыв. Оболочка сбрасывается, система возвращается к прежнему состоянию. Но соседняя звезда продолжает терять вещество, и история повторяется. Чем больше водорода накапливается в атмосфере белого карлика, тем более мощной получается вспышка.
Двойная система звёзд в представлении художника.. Фото: Иллюстрация: ESO/M. Kommesser/S. E. de Mink/ Wikimedia Commons/ CC BY 4.0
Есть, однако, звёзды, как будто такие же, как новые, с одной лишь разницей — после вспышки от них не остаётся ничего! Звезда не возвращается к прежнему состоянию, она исчезает, а на её месте возникает быстро расширяющаяся туманность. Такие звёзды, если они вспыхивают недалеко от Солнечной системы (расстояние в тысячу световых лет можно считать не таким уж большим), могут быть в максимуме яркости видны даже днём. Если новые звёзды появляются довольно часто, то сверхновые — такое название получили эти явления — вспыхивают в Галактике примерно раз в сто лет. Чаще всего они остаются невидимыми, поскольку вспышка происходит очень далеко, за плотными газопылевыми облаками, поглощающими свет.
Одна из ярких сверхновых вспыхнула в созвездии Тельца в 1054 году. Звезда была видна днём, и китайские хроники того времени подробно описали удивительное явление «звезды-гостьи»: «Звезда стала видимой в пятую луну первого года периода Ши-Хо на восточном небе в созвездии Тьен-Куан. Она была видна днём, подобно Венере, направляя лучи в разные стороны. Цвет её был красно-белый… Она была видна днём двадцать три дня».
Белый карлик Сириус В (отмечен стрелкой) рядом с ярким Сириусом A. Фото телескопа «Хаббл». Иллюстрация: NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester)
В XVIII веке французский астроном Шарль Мессье, составлявший перечень «туманных пятен», разглядел в созвездии Тельца туманность, которую внёс в свой каталог под номером 1. Формой туманность М1 напоминала краба и потому получила название «Крабовидная туманность» (см. «Наука и жизнь» № 4, 2020 г., с. 26). Значительно позднее, уже в ХХ веке, астрофизики обнаружили, что туманность быстро расширяется и образоваться она могла как раз в 1054 году. В середине прошлого века в центре Крабовидной туманности открыли радиопульсар — быстро вращающуюся нейтронную звезду (см. «Наука и жизнь» № 10, 2020 г., с. 26). Тогда картина взрыва сверхновой стала более или менее понятна, тем более что уже существовала теория эволюции звёзд.
Звезда излучает, потому что в её ядре происходят ядерные реакции синтеза, при которых выделяется огромная энергия. В немассивных звёздах типа Солнца водород превращается в гелий, а в более массивных, где центральная температура гораздо выше, гелий превращается в углерод и более тяжёлые элементы (см. статью «Почему светят звёзды?», «Наука и жизнь» № 1, 2020 г., с. 81). Но запасы «ядерного горючего» однажды заканчиваются, и жизнь звезды приходит к закономерному финалу. Падает температура, внутреннее давление больше не в состоянии противостоять силе тяжести, ядро звезды очень быстро сжимается, оболочка с огромной скоростью разлетается в пространство. Вместо бывшей звезды остаётся «огрызок» — нейтронная звезда (пульсар) или чёрная дыра. При взрыве сверхновой выделяется колоссальная энергия — в миллионы раз большая, чем при вспышке новой. В максимуме блеска сверхновая светит порой ярче, чем все звёзды Галактики, вместе взятые! Сверхновая — одно из самых грандиозных явлений во Вселенной. И это — катастрофа для звезды. Такие вспышки получили название сверхновых II типа.
Крабовидная туманность — остаток вспышки сверхновой 1054 года.
Прежде чем произойдёт взрыв, звезда проходит стадию красного гиганта или сверхгиганта (в зависимости от массы). Когда ядерные реакции в ядре звезды близки к завершению, оболочка очень сильно расширяется, температура поверхности (фотосферы) падает и возникает звезда, подобная Бетельгейзе — красному гиганту в созвездии Ориона (см. статью на с. 18). Красные гиганты и сверхгиганты — это предсмертное состояние звезды. Чем массивнее была звезда в начале эволюции, тем быстрее она проходит все стадии своей жизни, в том числе и последнюю — красного гиганта или сверхгиганта. А перед самой кончиной падает яркость, звезда начинает быстро (по астрономическим меркам, конечно) сжиматься, предвещая скорый конец и вспышку сверхновой.
Что не так с Бетельгейзе?
В начале декабря 2019-го ученые из Университета Вилланова, штат Пенсильвания, опубликовали исследование «Угасание близлежащего красного супергиганта Бетельгейзе», в котором описали, что одна из самых ярких звезд в нашем небе стремительно становится тусклее.
Позже в Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд (AAVSO) подтвердили, что Бетельгейзе стала в 2,5 раза темнее и потеряла в яркости примерно одну звездную величину — от +0,5 до +1,5.
Да, в звездных величинах положительные значения определяют тусклые объекты, а отрицательные — яркие. Так, например, наше Солнце в видимом диапазоне излучения светит с яркостью −26,7 звездных величин, а Луна в полной фазе достигает −12,7 звездных величин.
Изменения яркости Бетельгейзе заинтересовало астрономов по всему миру, поскольку это может означать, что звезда доживает свое последнее время и вскоре превратится в сверхновую, буквально взорвавшись в космическом пространстве. Точнее, уже превратилась, ведь Бетельгейзе расположена в созвездии Ориона на расстоянии 700 световых лет от нас.
Астрономам осталось лишь проверять, какие вести в виде света доходят на Землю от Бетельгейзе, и действительно ли изменение яркости связано со скорой смертью этой звезды.
За всю историю телескопических наблюдений ученые пока не замечали появление сверхновых в Млечном пути. Кроме SN 1604, которую также называют сверхновой Кеплера, — ее в начале XVII века заметил немецкий астроном Иоганн Кеплер. Да и то, SN 1604 расположена в созвездии Змееносца на расстоянии примерно 20 тыс. световых лет от нас. Поэтому, Бетельгейзе может стать первой звездой, которая взорвется в относительной близости к Земле.
Фото: CC
Этого красного супергиганта впервые заметил английский ученый Джон Гершель в 1836 году. Сегодня мы знаем, что Бетельгейзе примерно в 17 раз тяжелее Солнца, и если его разместить в центре Солнечной системы, эта звезда достигнет орбиты Юпитера. Красный гигант также примерно в 100 тыс. раз ярче нашей звезды, из-за чего он был одним из самых ярких объектов в небе. До недавнего времени.
Известно, что жизнь Бетельгейзе очень коротка — всего до 10 млн лет. Для звезды это практически мгновение, — даже нашему Солнцу около 4,6 млрд лет. Альфа Ориона (так еще называют Бетельгейзе) очень быстро сжигает все свои запасы водорода, что вскоре может привести к его взрыву и появлению сверхновой.
Несмотря на значительное уменьшение яркости, астрономы пока не уверены, что Бетельгейзе вскоре превратится в сверхновую звезду. Ученые ожидают, что уже в начале 2020-го эта звезда снова станет светить, как обычно.
Однако, если в ближайшее время мы все же узнаем о взрыве Бетельгейзе — это станет беспрецедентным случаем в истории космических наблюдений. Вспышка от сверхновой Бетельгейзе будет иметь яркость в -10 звездных величин, что позволит наблюдать за этим событием при дневном свете.
Появление сверхновой так близко к Земле позволит ученым узнать больше о природе этого явления и его последствиях.
Фото: britannica.com
Что мы знаем о вспышках сверхновых?
Как правило, сверхновые появляются из-за изменений в ядре обычной звезды. Все сверхновые вспышки можно поделить на два основных типа.
Первый касается бинарных звездных систем, в которой белый карлик — звезда в конце своего существования, размером с Землю — питается энергией другой звезды. Собирая слишком много вещества, белый карлик взрывается и превращается в сверхновую.
Во втором типе появления сверхновых участвует только одна звезда. Когда в ней заканчивается все топливо, необходимое для термоядерного синтеза, ядро звезды начинает поглощать ее внешние части, и становится настолько тяжелым, что не может сопротивляться собственной гравитации и взрывается. Это событие еще называют гравитационным коллапсом.
В зависимости от следа сверхновой, их также делят на классы и подклассы: если в спектре сверхновых не видны линии водорода — это класс I, если же они, наоборот, есть — это класс II.
Сверхновые вспышки происходят постоянно, поскольку разные звезды умирают и перерождаются заново. После сверхновой в космическом пространстве может распространяться огромное количество вещества, включая опасное радиационное излучение.
Фото: scoopnest.com
Некоторые ученые считают, что сверхновые вспышки, которые происходили вблизи от Солнечной системы могли заставить первобытных людей начать ходить на двух ногах. Дело в том, что чрезмерная энергия от взрывов близлежащих звезд могла вызвать массовые пожары на Земле и уничтожить деревья, на которых жили приматы. Вследствие пожаров, животные должны были бежать и позже эволюционировали в прямоходящих.
К сожалению или к счастью, даже если Бетельгейзе превратиться в сверхновую — на нас это никак не отразится. Чтобы энергия взрыва достигла Земли, звезда должна быть расположена в пределах от 50 до 300 световых лет от Солнечной системы.
Ближайшие к нам кандидаты на появление сверхновых — это двойная звезда IK Пегаса в одноименном созвездии (150 световых лет), Спика — самая яркая звезда в созвездии Девы (250 световых лет от нас) и Альфа Волка из созвездия Волка (465 световых лет от нас).
Одной из последней обнаруженных суперновых стала SN 2015L, которую обнаружили астрономы из Университета штата Огайо в июне 2015-го. SN 2015L также называют «сверхяркой сверхновой», поскольку вспышка от нее была в 570 млрд раз ярче, чем наше Солнце, и в 20 раз ярче, чем весь свет в галактике Млечный путь. Это делает SN 2015L одним из самых ярких объектов, которые когда-либо наблюдал человек.
Наблюдение за сверхновыми позволяют ученым узнать, как расширяется Вселенная, и какую роль играет распространение вещества в космосе. Многие элементы, которые находили на Земле, являются частью других звезд.
За сверхновыми можно наблюдать как с помощью рентгеновских и гамма-телескопов, так и с помощью обычных линзовых телескопов. Некоторые сверхновые, как например в случае с Бетельгейзе, можно будет увидеть невооруженным глазом. Нужно только знать, куда смотреть.
Фото: 1zoom.ru
