Что такое сверхновая звезда. Типы сверхновых
Сверхновая звезда — относительно новый термин. В разных источниках до сих пор можно найти описание различие между новыми и сверхновыми. С давних времен «новыми» называли звезды, которые возникали на небосклоне практически на пустом месте, после чего постепенно угасали. Таковыми их видели земные наблюдатели. Первые «новые» известны ещё по китайским летописям, датируемым вплоть до второго тысячелетия до нашей эры. К примеру, именно сверхновую в 1571 году наблюдал Тихо Браге, который впоследствии ввёл термин «новая звезда».
О новых и сверхновых звездах
История наблюдений сверхновых
Различные цивилизации описывали сверхновые еще задолго до того, как был изобретен телескоп. Самая ранняя зарегистрированная сверхновая — RCW 86 (современное обозначение). Китайские астрономы наблюдали ее в 185 году нашей эры. Их записи показывают, что эта «новая звезда» оставалась на небе в течение восьми месяцев.
До начала 17 века, до того как стали доступны телескопы, по данным Британской энциклопедии было зарегистрировано семь сверхновых звезд.
Типы сверхновых
Естественно, самый первый вопрос, вставший пе ред исследователями сверхновых, был — одинаковы ли они, а если нет, то насколько отлича ются и поддаются ли классификации.
Анализ спектров сверхновых позволил сделать важные выводы: в оболочках, выбро шенных при вспышке сверхновых I типа, почти нет водорода; в то время как состав оболо чек сверхновых II типа почти такой же, как у солнечной атмосферы.
Механизмы взрыва сверхновых I и II типа различны, будут описаны ниже.
Сверхновые I типа имеют более короткий период пика блеска (2–3 дня), по сравнению со сверхновыми второго типа. В спектре звезды отсутствует водород. В зависимости от состава спектра, сверхновые звезды первого классификационного типа условно разделяются на подтипы Ia, Ib и Ic. В объектах типа Ib и Ic, изначально отсутствует водород. Ic отличается от остальных подтипов отсутствием в спектре и следов гелия.
Главная особенность сверхновых II типа – наличие в спектре следов, указывающих на присутствие в составе водорода. Сверхновые второго типа условно разделяются на следующие подтипы: II-L, II-P, IIn и IIb.
Вспышка сверхновой звезды
Во время жизни огненного светила происходит непримиримая борьба между разнонаправленными силами. Всё заканчивается выделением колоссального количества энергии.
Механизм взрыва сверхновой I типа
В менее массивных звездах эволюция протекает по-своему. После горения водорода
ядро становится гелиевым, и начинается реакция превращения гелия в углерод. Однако
ядро не нагревается до такой высокой температуры, чтобы начались реакции синтеза с
участием углерода. Ядро не может выделять достаточно энергии и сжимается, однако в
этом случае сжатие останавливают электроны, находящиеся в веществе ядра. Ядро звезды
превращается в так называемый «белый карлик«, а оболочка рассеивается в пространстве
в виде планетарной туманности.
Звезда полностью разрушается, а в расширяющейся оболочке идет радиоактивный распад никеля в кобальт и далее в железо, который дает энергию для свечения оболочки. Таким образом вспыхивают сверхновые типа Ia.
Механизм взрыва сверхновой II типа
К центру звездной массы сжимает звезду изо всех сил гравитация, стараясь превратить огненный огромный шар в футбольный мячик. Термоядерные реакции, кипящие в толще звездных масс и на поверхности, стараются разорвать светило на мелкие кусочки. В толще юной звезды запасы водорода огромны, и благодаря постоянно протекающим реакциям образования гелия из атомов водорода, силы гравитации и термоядерных реакций находятся в относительном равновесии.
Но ничто не вечно, и за пару-тройку миллиардов лет запасы водорода истощаются и некогда активная звезда стареет. Ядро становится комком раскаленного гелия, по краям которого выгорает водород. В предсмертных конвульсиях догорают последние запасы водорода и вот уже небесное светило не в силах противостоять собственной гравитации. Звезда сжимается и уменьшается в несколько сотен тысяч раз. И единовременно практически весь запас звездной энергии высвобождается наружу.
Из остатков звезды образуются новые планеты в звездных системах, расположенных в сотнях световых лет от места, где произошла космическая трагедия. Железо, алюминий и другие металлы на нашей планете – и есть остатки некогда погибшей сверхновой звезды. После взрыва звезда превращается в нейтронную звезду или черную дыру, в зависимости от ее первоначальной массы.
Возможно, завтра они вспыхнут
Влияние на Землю
Сверхновая звезда, взорвавшись поблизости, естественно, не может не повлиять на нашу планету. Например, Бетельгейзе, взорвавшись, увеличит яркость примерно в 10 тысяч раз. Несколько месяцев звезда будет иметь вид сияющей точки, по яркости подобной полной Луне. Но если какой-либо полюс Бетельгейзе будет обращён на Землю, то она получит от звезды поток гамма-лучей. Усилятся полярные сияния, уменьшится озоновый слой. Это может оказать очень негативное влияние на жизнь нашей планеты. Всё это только теоретические расчёты, каким же фактически будет эффект взрыва этого супергиганта, точно сказать нельзя.
История сверхновых – фейерверков нашей Галактики!
Когда я убедил себя, что ни одна звезда подобного типа ранее не сияла, я пришёл в такое недоумение из-за неправдоподобности случившегося, что стал сомневаться в собственных глазах.
— Тихо Браге
Когда мы смотрим на галактики, разбросанные по Вселенной, мы видим, что периодически – примерно раз в столетие – яркая звезда так сильно разгорается, что на некоторое время может затмить всю остальную галактику!
Это, конечно же, не яркость звезды увеличивается – это самые атомы, составляющие звезду, вовлекаются в неконтролируемую реакцию ядерного синтеза, и приводят к печально известному явлению по имени сверхновая!
То же самое было и с предыдущей, SN 1572.
Не представляющие ничего особенного на вид, сверхгорячие остатки взорвавшейся звезды разбросало в космос с умопомрачительными скоростями в тысячи километров в секунду, и они были настолько горячими, что испускали рентгеновское излучение! Ещё там есть пыль, распространённая по всей галактике, и она нагревается от взрыва сверхновой – именно это и светится в инфракрасном диапазоне.
Последняя сверхновая до этого? Придётся вернуться аж до 1181 года, и мы до сих пор не уверены, что нашли её останки. Но мы точно нашли ту, что наблюдали до этого: SN 1054.
Эти остатки, как можно заметить, выглядят совершенно не так, как предыдущие, и тому есть причина: это сверхновая совершенно другого типа! Крабовидная туманность, также известная, как Мессье 1, не была образована слишком массивным белым карликом, а появилась из-за сверхмассивной звезды, сжёгшей всё своё топливо и погибшей в коллапсе ядра, что привело к выбросу материи на десятки солнечных масс!
Коллапс ядра этой звезды создал пульсар. Пульсары – одни из самых удивительных часов Вселенной, их превосходят по точности лишь атомные часы на Земле!
До этого была самая яркая из всех зафиксированных на Земле сверхновых в 1006-м.
К этому моменту вы уже должны сообразить, что когда-то это был белый карлик, а не сверхмассивная звезда. Через 1000 лет пузырь, созданный взрывом, разросся до размеров в несколько световых лет, и если бы наша звезда так рванула, то край пузыря уже был бы на полпути к Альфа Центавра!
Глядя на рентгеновское изображение 2000 лет спустя, можно сказать, что это был белый карлик, а не сверхмассивная звезда.
Но рассматривая эти изображения, я подумал: насколько интересно будет изучить эти остатки только лишь в видимом свете, будто бы фотографии космических фейерверков в ускоренной съёмке? Давайте посмотрим.
Через почти 2000 лет, у остатков сверхновой RCW 86 (от сверхновой 185 года) в видимом диапазоне всё ещё заметен внешний контур пузыря (красное, вверху). Как и у последней стадии фейерверка, это последняя часть, которую будет видно человеческим взглядом (голубое – это рентгеновский газ).
Но, оказывается, тысяча лет мало что меняют.
Сверхновая 1006 еле различима в видимом свете, видна лишь тонкая полоска и очень тусклый газ по внешнему контуру (и конечно, все остальные звёзды!). Но сверхновая 1054, о которой мы говорили, как об остатках сверхмассивной звезды, а не белого карлика, представляет собой совершенно другое.
Помните то великолепное изображение Крабовидной туманности, которое я вам показывал? Это фотография исключительно в видимом свете! Внешние слои газа, богатого самыми лёгкими из тяжёлых элементов – кислородом, углеродом, азотом – создают красивые и контрастные цвета в туманности, когда они перегреваются и разбрызгиваются по межзвёздному пространству.
Но фотографии, сделанные на множестве других длин волн, могут рассказать нам гораздо больше, как вы можете видеть — от ярких источников рентгеновского излучения в ядре звёзд до тёплой пыли, наблюдаемой в инфракрасные телескопы. В случае Крабовидной туманности, видимый свет, тем не менее, много о чём может рассказать, благодаря большому количеству газа и пыли, а также энергии, вышедшей вместе с ними.
Сверхновая 1572, у которой почти не было газа и пыли, представляет собой другой случай.
Ведь должны же были найти остатки солнцеподобной звезды, взорванной её компаньоном, превратившимся в сверхновую порядка 500 лет назад? Ни следа.
Так что варианты бывают разные, и отличным примером будет сверхновая 1604 года.
Ни полоска, ни пузырь, а лишь небольшой район, где из остатков видно немного светящегося газа.
Не хватает лишь снимков сверхмассивного взрыва, где горячая видимая пыль была сметена. Как бы он выглядел?
С 1604 года у нас в Галактике не случалось сверхновых, видимых с Земли невооружённым глазом. Но в конце 17-го века появилась одна сверхновая, и хотя в оптическом диапазоне её остатки еле видны, она представляет собой самый громкий источник в радиодиапазоне в нашей галактике: Кассиопея А!
Она расположена в 11 000 световых годах от нас, размер её остатков уже занял 10 световых лет в поперечнике — она выросла больше, чем Крабовидная туманность, при этом росла в три раза меньшее время! Раз уж это самый сильный радиоисточник, то там наверно должна быть какая-то фантастическая нейтронная звезда или чёрная дыра.
Но я хотел показать вам фейерверк.
На следующем фото — не визуализация и не симуляция. Несравненный телескоп им. Хаббла сделал отличную фотографию с длинной выдержкой, запечатлевшую видимый свет от остатков сверхновой, который нужно посмотреть, чтобы понять, почему я называю эти взрывы «космическими фейерверками».
Это потрясающе! Если у вас есть время, рекомендую поиграться с крупномасштабной версией фотографии. Я решил показать вам её по частям и прокомментировать наиболее интересные её фрагменты.
Обратимся к пузырю.
Теперь посмотрим на трёхслойную структуру поверх пузыря. Обратите внимание на небольшие «колонны», некоторые регионы, в которых плотность материи выше, чем у других.
А теперь увеличим зеленоватую область.
Надеюсь, вам понравились фейерверки! Слишком много времени прошло с момента появления сверхновой в нашей Галактике. Увидим ли мы новую при нашей жизни? Как заключает граф Монте-Кристо:
Вся человеческая мудрость содержится в двух словах: ждать и надеяться.
Как умирают самые массивные звёзды: сверхновая, гиперновая или прямой коллапс?
Иллюстрация процесса взрыва сверхновой, наблюдаемой с Земли в XVII веке в созвездии Кассиопея. Окружающий её материал и постоянное испускание электромагнитного излучения сыграли свою роль в непрерывной подсветке остатков звезды
Создайте достаточно массивную звезду, и она не закончит свои дни тихонечко — так, как это предстоит нашему Солнцу, которое сначала будет плавно гореть миллиарды и миллиарды лет, а затем сожмётся до белого карлика. Вместо этого её ядро схлопнется, и запустит неконтролируемую реакцию синтеза, которая разметает внешние слои звезды во взрыве сверхновой, а внутренние части сожмёт в нейтронную звезду или чёрную дыру. По крайней мере, так принято считать. Но если вы возьмёте достаточно массивную звезду, сверхновой может и не получиться. Вместо этого есть другая возможность – прямое схлопывание, в котором вся звезда просто исчезает, превращаясь в чёрную дыру. А ещё одна возможность известна, как гиперновая — она гораздо более энергетическая и яркая, чем сверхновая, и не оставляет за собой остатков ядра. Каким же образом закончат свою жизнь самые массивные звёзды? Вот, что говорит об этом наука.
Туманность из остатков сверхновой W49B, всё ещё видимая в рентгеновском диапазоне, а также на радио- и инфракрасных волнах. Звезда должна превышать Солнце по массе хотя бы в 8-10 раз, чтобы породить сверхновую и создать необходимые для появления во Вселенной таких планет, как Земля, тяжёлые элементы.
Ультрамассивная звезда WR 124 (звезда класса Вольфа-Райе) с окружающей её туманностью – одна из тысяч звёзд Млечного Пути, способная стать следующей сверхновой. Она также гораздо больше и массивнее тех звёзд, что можно создать во Вселенной, содержащей лишь водород и гелий, и уже может находиться на этапе сжигания углерода.
Если звезда будет настолько массивной, то её ждёт настоящий космический фейерверк. В отличие от солнцеподобных звёзд, нежно срывающих свои верхние слои, из которых формируется планетарная туманность, и сжимающихся до белого карлика, богатого углеродом и кислородом, или до красного карлика, который никогда не достигнет этапа сжигания гелия, и просто сожмётся до богатого гелием белого карлика, наиболее массивным звёздам уготован настоящий катаклизм. Чаще всего, особенно у звёзд с не самой большой массой (≈ 20 солнечных масс и меньше), температура ядра продолжает повышаться, пока процесс синтеза переходит на более тяжёлые элементы: от углерода к кислороду и/или неону, и затем далее, по периодической таблице, к магнию, кремнию, сере, приходя в итоге к железу, кобальту и никелю. Синтез дальнейших элементов потребовал бы больше энергии, чем выделяется при реакции, поэтому ядро схлопывается и появляется сверхновая.
Анатомия сверхмассивной звезды в течение её жизни, заканчивающейся сверхновой II типа
Это очень яркий и красочный конец, настигающий множество массивных звёзд во Вселенной. Из всех появившихся в ней звёзд лишь 1% обретают достаточную массу, чтобы дойти до такого состояния. При повышении массы количество звёзд, достигших её, уменьшается. Порядка 80% всех звёзд во Вселенной – красные карлики; масса 40% их них не превышает массы Солнца. При этом Солнце массивнее 95% звёзд во Вселенной. В ночном небе полно очень ярких звёзд: тех, что легче всего увидеть человеку. Но за порогом нижнего ограничения для появления сверхновой существуют звёзды, превышающие Солнце по массе в десятки и даже сотни раз. Они очень редки, но весьма важны для космоса – всё потому, что массивные звёзды могут закончить своё существование не только в виде сверхновой.
Туманность Пузырь находится на задворках останков сверхновой, появившейся тысячи лет назад. Если удалённые сверхновые находятся в более пыльном окружении, чем их современные двойники, это потребует коррекции нашего сегодняшнего понимания тёмной энергии
Во-первых, у многих массивных звёзд имеются истекающие потоки и выброшенный наружу материал. Со временем, когда они приближаются либо к концу своей жизни, либо к концу одного из этапов синтеза, что-то заставляет ядро на короткое время сжаться, из-за чего оно разогревается. Когда ядро становится горячее, скорость всех типов ядерных реакций увеличивается, что ведёт к быстрому увеличению количества энергии, создаваемому в ядре звезды. Это увеличение энергии может сбрасывать большое количество массы, порождая явление, известное, как псевдосверхновая: происходит вспышка ярче любой нормальной звезды, и теряется масса в количестве до десяти солнечных. Звезда Эта Киля (ниже) стала псевдосверхновой в XIX веке, но внутри созданной ею туманности она всё ещё горит, ожидая финальной участи.
Псевдосверхновая XIX века явила себя в виде гигантского взрыва, выбросив материала на несколько солнц в межзвёздное пространство от Эты Киля. Такие звёзды большой массы в богатых металлами галактиках (как, например, наша), выбрасывают существенную долю своей массы, чем отличаются от звёзд в меньших по размеру галактиках, содержащих меньше металлов
Так какова же конечная судьба звёзд, массой более чем в 20 раз превышающих наше Солнце? У них есть три возможности, и мы ещё не полностью уверены в том, какие именно условия приводят к развитию каждой из трёх. Одна из них – сверхновая, которые мы уже обсудили. Любая ультрамассивная звезда, теряющая достаточно много своей массы, может превратиться в сверхновую, если её масса внезапно попадёт в правильные пределы. Но существуют ещё два промежутка масс – и опять-таки, мы точно не знаем, какие именно это массы – позволяющие произойти двум другим событиям. Оба этих события определённо существуют – мы уже их наблюдали.
Фотографии в видимом и близком к инфракрасному свете с Хаббла демонстрируют массивную звезду, примерно в 25 раз превышающую Солнце по массе, внезапно исчезнувшую, и не оставившую ни сверхновой, ни какого-то другого объяснения. Единственным разумным объяснением будет прямой коллапс.
Чёрные дыры прямого коллапса. Когда звезда превращается в сверхновую, её ядро схлопывается, и может стать либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой – в зависимости от массы. Но только в прошлом году, впервые, астрономы наблюдали, как звезда массой в 25 солнечных просто исчезла. Звёзды не исчезают бесследно, но тому, что могло произойти, существует физическое объяснение: ядро звезды прекратило создавать достаточное давление излучения, уравновешивавшее гравитационное сжатие. Если центральный регион становится достаточно плотным, то есть, если достаточно большая масса оказывается сжатой в достаточно малый объём, формируется горизонт событий и возникает чёрная дыра. А после появления чёрной дыры всё остальное просто втягивается внутрь.
Одно из множества скоплений в этом регионе подсвечивается массивными, короткоживущими голубыми звёздами. Всего за 10 миллионов лет большая часть из наиболее массивных звёзд взорвётся, став сверхновыми II типа – или просто испытает прямой коллапс
Теоретическую возможность прямого коллапса предсказывали для очень массивных звёзд, более 200-250 солнечных масс. Но недавнее исчезновение звезды такой относительно малой массы поставило теорию под вопрос. Возможно, мы не так хорошо понимаем внутренние процессы звёздных ядер, как считали, и, возможно, у звезды есть несколько способов просто схлопнуться целиком и исчезнуть, не сбрасывая какого-то ощутимого количества массы. В таком случае формирование чёрных дыр через прямой коллапс может быть гораздо более частым явлением, чем считалось, и это может быть весьма удобным для Вселенной способом создания сверхмассивных чёрных дыр на самых ранних стадиях развития. Но существует и другой итог, совершенно противоположный: световое шоу, гораздо более красочное, чем сверхновая.
При определённых условиях звезда может взорваться так, что не оставит ничего после себя!
Взрыв гиперновой. Также известен, как сверхъяркая сверхновая. Такие события бывают гораздо более яркими и дают совсем другие световые кривые (последовательность повышения и понижения яркости), чем любые сверхновые. Ведущее объяснение явления известно, как «парно-нестабильная сверхновая». Когда большая масса – в сотни, тысячи и даже многие миллионы раз больше массы всей нашей планеты – схлопывается в небольшой объём, выделяется огромное количество энергии. Теоретически, если звезда будет достаточно массивной, порядка 100 солнечных масс, выделяемая ею энергия окажется такой большой, что отдельные фотоны могут начать превращаться в электрон-позитронные пары. С электронами всё ясно, а вот позитроны – это их двойники из антиматерии, и у них есть свои особенности.
На диаграмме показан процесс производства пар, который, как считают астрономы, привёл к появлению гиперновой SN 2006gy. При появлении фотонов достаточно высокой энергии появятся и электрон-позитронные пары, из-за чего упадёт давление и начнётся неуправляемая реакция, уничтожающая звезду
Это значит, что для сверхмассивной звезды есть четыре варианта развития событий:
При изучении очень массивной звезды появляется искушение предположить, что она станет сверхновой, после чего останется чёрная дыра или нейтронная звезда. Но на самом деле есть ещё два возможных варианта развитии событий, которые уже наблюдали, и которые происходят довольно часто по космическим меркам. Учёные всё ещё работают над пониманием того, когда и при каких условиях происходит каждое из этих событий, но они на самом деле происходят. В следующий раз, рассматривая звезду, во много раз превосходящую Солнце по массе и размеру, не думайте, что сверхновая станет неизбежным итогом. В таких объектах остаётся ещё много жизни, и много вариантов их гибели. Мы знаем, что наша наблюдаемая Вселенная началась со взрыва. В случае наиболее массивных звёзд мы пока ещё не уверены, закончат ли они свою жизнь взрывом, уничтожив себя целиком, или же тихим коллапсом, полностью сжавшись в гравитационную бездну пустоты.