НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Исследование Солнечной Системы - Научные Статьи
РАЗВИТИЕ НАУКИ
СМЕРТЬ ЗВЕЗДЫ

    Смерть звезды - одно из самых грандиозных явлений во Вселенной. Взрывы сверхновых ускоряют космический круговорот рождения и распада материи. И служат фабрикой химических элементов, из которых состоит мир вокруг нас.

    Каждое утро, входя в свой рабочий кабинет и включая компьютер, Паоло Маццали надеется на известие о космической катастрофе. Сухощавый итальянец с ухоженной бородой - сотрудник немецкого Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге под Мюнхеном. И охотник за сверхновыми. Он выслеживает в космосе гибнущие звезды, стремясь разгадать секреты их ослепительной агонии. Взрывы звезд — одно из самых грандиозных космических явлений. И главная движущая сила круговорота рождения и смерти миров во Вселенной. Ударные волны от их взрывов расходятся по пространству как круги по воде. Сжимают межзвездный газ в гигантские нити и дают импульс к образованию новых планет и светил. И даже влияют на жизнь на Земле. «Почти все элементы, из которых состоим мы сами и наш мир, возникли благодаря взрывам сверхновых», - говорит Маццали.

КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ

    Невероятно, но факт: кальций у нас в костях и железо в кровяных тельцах, кремний в чипах наших компьютеров и серебро в наших украшениях — все это зародилось в горниле космических взрывов. Именно в звездном пекле атомы этих элементов спаялись воедино, а потом мощным порывом были выброшены в межзвездное пространство. И сам человек, и все вокруг него - не что иное, как звездная пыль.

Гигантская Крабовидная туманность в созвездии Тельца образовалась в результате взрыва сверхновой. Ее вспышка наблюдалась в 1054 году даже днем. Это газовое облако, расширяющееся со скоростью 1500 километров в секунду, светится в двух диапазонах: оптическом (фото слева) и инфракрасном (в середине). В его центре находится нейтронная звезда - сжатое ядро первоначального светила. Оно испускает энергонасыщенное рентгеновское излучение (справа).
ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ

    Как устроены эти космические ядерные печи? Какие звезды заканчивают свою жизнь взрывом? И что служит его детонатором? Эти фундаментальные вопросы уже давно волнуют ученых. Астрономические приборы становятся все точнее, программы компьютерного моделирования - все совершеннее. Вот почему за последние годы исследователи смогли разгадать многие секреты сверхновых. И раскрыть удивительные подробности того, как живет и умирает звезда.
    Такой научный прорыв стал возможен благодаря увеличению количества наблюдаемых объектов. Раньше астрономам только по счастливой случайности удавалось заметить в космосе яркую вспышку умирающей звезды, затмевающую свет всей галактики. Сейчас автоматизированные телескопы проводят систематический мониторинг звездного неба. А компьютерные программы сопоставляют снимки, сделанные с интервалом в несколько месяцев. И сигнализируют о появлении на небосводе новых светящихся точек или усилении свечения уже известных звезд.
    Еще есть целая армия астрономов-любителей. Особенно их много в Северном полушарии. Даже с помощью маломощных телескопов им зачастую удается зафиксировать яркие вспышки гибнущих звезд. В 2010 году любители и профессионалы вели наблюдение в общей сложности за 339 сверхновыми. А в 2007 году «поднадзорных» было целых 573. Проблема лишь в том, что все они находятся в других галактиках, далеко за пределами Млечного Пути. Это затрудняет их детальное изучение.
    Как только в космосе обнаруживается новый яркий объект с необычными характеристиками, весть о находке мгновенно распространяется по интернету. Так произошло и в случае со сверхновой 2008D. Буква «D» в аббревиатуре обозначает, что это уже четвертая сверхновая, открытая в 2008 году.
    Новость о том, что 9 января группа американских астрономов зафиксировала в космосе сверхмощный выброс рентгеновского излучения, застала Паоло Маццали в Токио, где он читал лекции. «Узнав об этом, — говорит он, — мы сразу отложили все дела и на три месяца сосредоточились на изучении этого объекта».
    Днем Маццали держал телефонную связь с коллегами в Чили, координируя наблюдения за космическим фейерверком при помощи одного из установленных там супертелескопов. А по ночам консультировался с европейскими учеными. До сих пор он с восторгом вспоминает об этой напряженной работе и бессонных ночах. Тогда астрономам выпал редчайший шанс проследить за процессом взрыва звезды почти с самого начала и до конца. Обычно гибнущая звезда попадает в объективы телескопов только через несколько дней после начала агонии.
    Мощным импульсом для развития современных исследований сверхновых звезд стала астрономическая сенсация века. Случилась она в 1987 году. Но Ханс-Томас Янка, коллега Маццали по Институту астрофизики, помнит все, как будто это было вчера. 25 февраля все сотрудники отмечали день рождения руководителя института. Янка только-только защитил диплом и подбирал тему для докторской диссертации. Посреди праздника как гром среди ясного неба грянула весть об открытии накануне сверхновой под кодом SN 1987А. «Это вызвало настоящий фурор», — говорит он. Вопрос с темой для диссертации был моментально решен.
    Что же в ней такого особенного? Ее обнаружили в ближайшей к нам галактике — Большом Магеллановом Облаке, на расстоянии всего 160 тысяч световых лет от Земли. По космическим меркам — рукой подать.
    И еще одно интересное совпадение. Грандиозная агония этой звезды началась 160 тысяч лет назад, когда в саваннах Восточной Африки появился уникальный вид приматов — человек разумный.
    Пока свет от ее вспышки достиг Земли, люди успели заселить планету, изобрести колесо, создать сельское хозяйство и промышленность, изучить сложные законы физики и сконструировать мощные телескопы. Как раз вовремя, чтобы зафиксировать и проанализировать световой сигнал из Магелланова Облака.
    С 1987 года Янка работает над компьютерной моделью, которая должна объяснить внутреннюю динамику процесса гибели звезды. Теперь у него есть возможность сверять свои виртуальные реконструкции с реальными фактами. Все благодаря данным, собранным в ходе наблюдения за взрывом звезды SN 1987А. Она по-прежнему остается самой изученной сверхновой в истории.

    Звезды, которые более чем в восемь раз превышают по массе наше Солнце, рано или поздно «схлопываются» под собственной тяжестью и взрываются
    (1) К концу жизни звезда представляет собой слоистую структуру наподобие луковицы. Каждый слой состоит из атомов определенного химического элемента. На рисунке масштаб изменен для наглядности. На самом деле слои еще сильнее различаются по толщине. Например, водородная оболочка составляет 98 процентов радиуса зеезды, а железное ядро - всего 0,002 процента.
    (2) Когда масса железного ядра в центре звезды становится больше 1,4 солнечной массы, происходит коллапс: оно схлопывается под действием собственной силы тяжести. И образуется сверхплотная нейтронная звезда.
    (3) Вещество, падающее на нейтронную звезду, отскакивает от ее поверхности и создает взрывную волну типа мощного акустического удара при преодолении сверхзвукового барьера. Она распространяется изнутри наружу.
    (4) Элементарные частицы нейтрино, вырывающиеся почти со скоростью света из недр нейтронной звезды, неравномерно подталкивают ударную волну наружу. Она несется по слоям звезды, разрывая их на части
ВЗРЫВНОЙ ФИНАЛ

Взрывы сверхновых звезд это движущая сила круговорота материи. Они извергают «галактические фонтаны» потоки газа, из которого формируются новые звезды.
    1. Взрывы сверхновых
    2. Пузырь горячего газа
    3. Газ поднимается из диска галактики
    4. Газ остывает и опускается обратно
ВЗРЫВНОЙ ФИНАЛ

    На основании анализа ее излучения был сделан кроме всего прочего вывод о том, что существует два основных типа сверхновых. Энергию для взрыва сверхновых типа 1а дает стремительный процесс термоядерного синтеза в плотном углерод-кислородном ядре небольших звезд размером с Луну, равных по массе нашему Солнцу. Их вспышки — идеальный материал для изучения эффекта ускоренного расширения Вселенной, открытие которого было отмечено Нобелевской премией по физике в 2011 году.

В спиральных рукавах галактики Южное Цевочное Колесо (М83) мириады новорожденных звезд «вылупляются» из пылевых коконов, вызывая красное свечение окружающих облаков водорода. При взрывах сверхновых в пространстве вокруг них распространяется ударная волна, которая уплотняет межзвездный газ и ускоряет формирование новых звезд.
ВЗРЫВНОЙ ФИНАЛ

    Второй тип — это сверхновые с коллапсирующим ядром. В их случае источником взрывной энергии служит сила тяжести, которая сжимает вещество звезды весом не меньше восьми солнечных масс и заставляет ее «схлопываться». Взрывы этого типа регистрируются в три раза чаще. И именно они создают условия для образования таких тяжелых химических элементов, как серебро и кадмий.
    Сверхновая SN 1987А относится ко второму типу. Это видно уже по размеру звезды - виновницы космического переполоха. Она была в 20 раз тяжелее Солнца. И прошла типичную для светил такой весовой категории эволюцию.
    Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа. Оно сжимается под действием собственного тяготения и постепенно принимает форму шара. Поначалу он состоит преимущественно из водорода — первого химического элемента, возникшего вскоре после Большого взрыва, с которого началась наша Вселенная. На следующем этапе жизни звезды происходит слияние ядер водорода с образованием гелия. В ходе этого ядерного синтеза выделяется огромное количество энергии, которая и вызывает свечение звезды. Из «размножившегося» гелия синтезируются все более сложные элементы — сначала углерод, а потом кислород. При этом температура звезды все повышается, а в ее пламени образуются все более тяжелые атомы. Замыкает цепочку термоядерного синтеза железо. При слиянии ядер железа с ядрами других элементов энергия уже не выделяется, а, наоборот, затрачивается. На этой стадии эволюция любой звезды прекращается.
    К тому времени она уже представляет собой слоистую структуру типа луковицы. Каждый слой соответствует определенному этапу ее развития. Снаружи — водородная оболочка, под ней — слои гелия, углерода, кислорода, кремния. А в центре — ядро, состоящее из сжатого газообразного железа, разогретого до нескольких миллиардов градусов. Оно спрессовано настолько плотно, что кубик для игры в кости из такого материала весил бы десять тысяч тонн.
    «С этого момента катастрофа неминуема», — говорит Янка. Рано или поздно давление в растущем железном ядре уже не может сдержать напор собственной силы тяжести. И оно в доли секунды «схлопывается». Вещество, превышающее по массе Солнце, сжимается в шар диаметром всего 20 километров. Под воздействием гравитации внутри ядра отрицательно заряженные электроны «вдавливаются» в положительно заряженные протоны и образуют нейтроны. Из ядра формируется нейтронная звезда — плотный сгусток так называемой «экзотической материи».
    «Нейтронная звезда уже не может дальше сжиматься, — объясняет Янка. — Ее оболочка превращается в непробиваемую стену, от которой отскакивает притягивающееся к центру вещество из верхних слоев». Внутренний взрыв вызывает обратную ударную волну, которая несется сквозь все слои наружу. При этом материя чудовищно раскаляется. Вблизи ядра ее температура достигает 50 миллиардов градусов по шкале Кельвина. Когда ударная волна доходит до оболочки звезды, фонтан разогретого газа вырывается в космос с бешеной скоростью — свыше 40 тысяч километров в секунду. И при этом испускает свет. Звезда ярко вспыхивает. Именно эту вспышку астрономы и видят в телескопы, спустя тысячи или даже миллионы лет, когда свет достигает Земли.

Сверхновая 1987А в галактике Большое Магелланово Облако - самый изученный пример взрыва звезды. Точка в центре на снимке крупным планом - остаток звезды. Кольца вокруг него состоят из вещества, выброшенного ею перед смертью.
СВЕРХНОВАЯ 1987А

    Как показывают компьютерные модели, запрограммированные с учетом всех законов физики, в адском пламени вокруг нейтронной звезды протекают сложные термоядерные реакции. Такие легкие элементы, как кислород и кремний, «перегорают» в тяжелые элементы — железо и никель, титан и кальций.
    Долгое время считалось, что в этом катаклизме зарождаются самые тяжелые химические элементы — золото, свинец и уран. Но недавние расчеты Ханса-Томаса Янки и его коллег поколебали эту теорию. Моделирование показало, что мощности «ветра частиц», исходящего от сверхновой, недостаточно, чтобы «втиснуть» свободные нейтроны в разлетающиеся ядра атомов для создания все более тяжелых агломератов.
    Но откуда тогда берутся тяжелые элементы? Они рождаются при столкновении нейтронных звезд, оставшихся после взрыва сверхновых, считает Янка. Это приводит к колоссальному выбросу раскаленной материи в космос. Причем полученное при моделировании частотное распределение тяжелых элементов в этом веществе совпадает с реальными параметрами Солнечной системы. Так что сверхновые утратили монополию на создание космической материи. Но все начинается именно с них.
    В момент взрыва и затем в процессе превращения в расширяющуюся туманность сверхновая представляет собой завораживающее зрелище. Но парадокс в том, что, по меркам физики, этот грандиозный космический фейерверк хоть и эффектное, но всего лишь побочное явление. При гравитационном коллапсе звезды за одну секунду выделяется больше энергии, чем излучают в «нормальном режиме» все звезды во Вселенной: порядка 1046 джоулей. «Но 99 процентов этой энергии высвобождается не за счет световой вспышки, а в форме невидимых частиц нейтрино», — говорит Янка. За десяток секунд в железном ядре звезды образуется колоссальное количество этих сверхлегких частиц — 10 октодециллионов, то есть 10 в 58-й степени.
    23 февраля 1987 года прогремела научная сенсация: сразу три датчика в Японии, США и СССР зафиксировали два десятка нейтрино от вспышки сверхновой 1987А. «До этого идея возникновения нейтронных звезд в результате гравитационного коллапса с последующим выбросом энергии в форме нейтрино была чистой гипотезой, — говорит Янка. — И вот наконец она подтвердилась». Но пока это единственный зарегистрированный нейтринный сигнал от взорвавшейся звезды. Обнаружить следы этих частиц крайне трудно, потому что они почти не взаимодействуют с веществом. В дальнейшем при анализе этого феномена астрофизикам пришлось довольствоваться компьютерным моделированием. И они тоже очень далеко продвинулись вперед. Например, выяснилось, что без летучих нейтрино космический фейерверк не смог бы разгореться. В первых компьютерных моделях Янки виртуальный фронт взрывной волны массивных звезд не доходил до поверхности, а «затухал» уже после первых 100 километров, растратив всю начальную энергию.
    Исследователи поняли, что упустили какой-то важный фактор. Ведь в реальности звезды все же взрываются. «Тогда мы занялись поиском механизма, который вызывает вторичную детонацию сверхновой», — рассказывает Янка. На решение «проблемы сверхновых» ушли долгие годы. В итоге удалось точно смоделировать процессы, протекающие в первые доли секунды взрыва. И найти разгадку.
    Янка показывает на своем компьютере небольшой анимационный ролик. Сначала на экране возникает идеально круглое красное пятно — центр сверхновой. Через 40 миллисекунд этот шарик начинает все сильнее деформироваться. Фронт ударной волны выгибается то в одну, то в другую сторону. Пульсирует и колышется. Такое впечатление, словно газовая оболочка звезды вспучивается. Еще через 600 миллисекунд она лопается. Происходит взрыв.
    Ученые так комментируют этот процесс: в горячих слоях звезды образуются воронки и пузыри, как на поверхности каши во время варки. Кроме того, клокочущее вещество перемещается взад-вперед между оболочкой и ядром. И благодаря этому дольше подвергается воздействию высокоэнергичных нейтрино, вырывающихся из недр звезды. Они и придают материи импульс, необходимый для взрыва.
    По иронии судьбы именно эти «нейтральные» частицы, которые обычно бесследно проходят сквозь вещество, служат детонатором взрыва сверхновой. Затраты ученых на изучение загадки умирающих звезд - астрономические, под стать масштабам самого явления. Только на моделирование процессов, протекающих в первые 0,6 секунды коллапса ядра звезды, ушло три года непрерывной работы. «Мы использовали на полную мощность все доступные суперкомпьютеры в вычислительных центрах Гархинга, Штутгарта и Юлиха», — рассказывает Янка.

Адская кухня: как показывают компьютерные модели, вещество внутри взрывающейся звезды бурлит и перемешивается, разогревая ее до 50 млрд градусов по шкале Кельвина.
АДСКАЯ КУХНЯ

    Оно того стоит, уверены ученые. Ведь речь идет не просто о грандиозных космических фейерверках. Взрывы сверхновых играют ведущую роль в эволюции Вселенной. Они извергают колоссальное количество пыли далеко в межзвездное пространство. После взрыва от светила, первоначально в десять раз превышавшего по массе Солнце, остается нейтронная звезда весом всего в полторы солнечные массы. Большая часть вещества разлетается по космосу. Эта мощная волна материи и энергии дает толчок к образованию новых звезд.
    Порой взрывы сверхновых достигают такой силы, что выбрасывают газ из оболочки звезды за пределы «материнской» галактики и распыляют его в межгалактическом пространстве. Астрофизические компьютерные модели показывают, что этот эффект еще важнее для космической эволюции. Если бы газ оставался в пределах галактик, то в них формировалось бы гораздо больше новых звезд.
    По количеству звездной пыли и частиц тяжелых элементов во Вселенной можно определить, как часто происходят взрывы сверхновых. Каждую секунду где-то в космосе взрываются пять-десять звезд.
    Но с особым нетерпением астрономы ждут появления сверхновых в нашей Галактике. Наблюдения за взрывом звезды с «близкого» расстояния не может заменить даже самая продвинутая компьютерная модель. По их прогнозам, в ближайшие 100 лет по соседству с нами должны сдетонировать две старые звезды. Последнюю на сегодня вспышку сверхновой в пределах Млечного Пути, видимую с Земли даже невооруженным глазом, наблюдал в 1604 году астроном Иоган Кеплер.
    Астрономы напряглись в ожидании. «Совсем скоро это случится снова», — говорит охотник за сверхновыми Паоло Маццали. Ученые уже выявили некоторых наиболее вероятных звездных кандидатов. Среди них — красный сверхгигант Бетельгейзе в левом верхнем углу Ориона, самого красивого созвездия, видимого на ночном небе. Если бы эта звезда находилась в центре нашей Солнечной системы, то простиралась бы далеко за орбиту Земли и Марса.
    За миллионы лет существования Бетельгейзе уже израсходовала большую часть своего ядерного топлива и может взорваться в любой момент. Перед смертью гигант вспыхнет в тысячи раз ярче, чем светил при жизни. Он засияет на небосводе как полумесяц, а то и полная луна, утверждают астрономы. И если повезет, его зарево можно будет увидеть даже днем.
Автор: КЛАУС БАХМАН, GEO

Самая актуальная информация отзывы баня бочка на нашем сайте.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru