Бомбы темного неба

Бомбы темного неба

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. Их научное изучение началось в ноябре 1572 года. Тогда 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 дневные часы. Это неожиданное явление побудило молодого датского дворянина Тихо Браге написать свое первое астрономическое сочинение – «О новой звезде».

Теперь мы знаем, что вспышка сверхновой знаменует не рождение, а смерть светила. Однако события, предваряющие этот финал, становятся очевидны только теперь. «Причины нашего непонимания процессов, протекающих внутри 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: скорость движения звезды, характеристики магнитного поля, близость других звезд, убыль массы, вызванная звездным ветром. Вот почему эти взрывы так не похожи друг на друга».

Остаток сверхновой Кеплера

Ученые различают несколько типов сверхновых, основывая классификацию на особенностях их спектра. За этой несхожестью спектров кроются фундаментальные различия. Чаще всего сверхновые образуются при коллапсе гигантских звезд (сверхновые типа Ib, Ic, II, IIL, IIp и II n). Как это происходит?

Звезды вырабатывают свою энергию за счет термоядерного синтеза – слияния легких элементов и образования более тяжелых элементов. Всё начинается со слияния атомов водорода – недра звезды наполняются гелием. Если ее масса в 8 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 1,5 раза. Атомные ядра железа и других элементов так называемого «железного пика» (кобальта, никеля) имеют максимальную энергию связи в расчете на одну частицу. Присоединение к ним новых частиц 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. Или другой образ: деревянный дом выгорел, остались лишь гвозди и скобы, которые на какой-то миг, пока доски и брусья превращались в пепел, повисли в воздухе, чтобы потом рухнуть наземь. Коллапс.

Железное ядро стремительно, – со скоростью лишь в 4 раза ниже световой, – сжимается, образуя необычайно плотную и горячую протонейтронную звезду, диаметр которой составляет порядка 30 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 разлетаться на части, освещая небо ярчайшим из звездных светильников?

Наиболее сложные модели показывают, что в газовой оболочке возникают мощные конвективные потоки. Можно прибегнуть к такому сравнению: эта оболочка напоминает воду, кипящую в котле. Вся ее толща пронизана пузырьками, спешащими подняться наверх. Вот такие же грибовидные пузырьки из раскаленной плазмы в огромном количестве образуются в недрах звезды, устремляясь к ее поверхности. Звезда «закипает». Но бывает ли так со всеми звездами? Ученые по-прежнему не уверены, что именно конвективными потоками можно объяснить все взрывы сверхновых.

Астрофизик из Аризонского университета Адам Барроуз предложил другое объяснение: звуковые волны. При стремительном сжатии звезды, как показал проделанный им расчет, она начинает вибрировать. По идее, порожденные этим звуковые волны заметно усиливают ослабевшую было ударную волну. Проверить эту гипотезу, впрочем, можно будет, лишь обнаружив наконец гравитационные волны – предсказанные Эйнштейном колебания пространства-времени. Ведь вибрирующая звезда должна их создавать. Когда их удастся зафиксировать с помощью специальных детекторов, это послужит также подтверждением правоты исследователя, усложнившего модель образования сверхновых звезд.

В еще одной гипотетической 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 «гиперновыми». Как полагают, именно они являются источниками мощных вспышек гамма-излучения. На месте взорвавшейся гиперновой, по-видимому, остается черная дыра.

Совсем иначе взрываются сверхновые типа Ia. К этому классу принадлежат многие из самых ярких сверхновых. Речь идет о взрывах белых карликов, являющихся частью двойных звезд. Они постоянно пожирают находящуюся рядом звезду, пока их масса не достигнет магического предела – 1,4 солнечных масс. Тогда карлик и вспыхивает сверхновой звездой.

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 ее – раздается взрыв. Остатки звезды уносятся в космическую даль со скоростью свыше 10 тысяч километров в секунду. Свидетелем такого взрыва и стал Тихо Браге.

Подобные события лишний раз напоминают, что сверхновые звезды взрываются по разным причинам. Только так можно объяснить, почему эти эффектные астрономические события столь многолики. В наши дни благодаря современным телескопам ежегодно удается открывать несколько сотен сверхновых звезд в различных галактиках, доступных нашему наблюдению. Так, в 2005 году было обнаружено 367 сверхновых, в 2006 году – 551, а в 2007 году – даже 572!

Унесенные вдаль остатки взорвавшейся звезды, насыщенные тяжелыми элементами, синтезированными в ее недрах, со временем послужат строительным материалом для новых звезд и – берите ниже! – планет. На некоторых планетах появятся живые существа, в организме которых будут содержаться химические элементы, образовавшиеся в толще сверхновой, например, железо – в крови. Так что все мы немного «звездные мальчики» и «звездные девочки».