Новые и сверхновые звезды кратко


Спустя сотни лет в записях китайских и арабских астрономов от 1054 года также встречаются упоминания о появлении яркой звезды на небосводе, свет которой и днем и ночью в течение трех недель удивлял наблюдателей.

Но древние люди, наблюдая за ярким свечением, даже предположить не могли, что яркая вспышка на небе – это не рождение новой звезды, а смерть старого, отжившего свой век, небесного тела, в котором прекратились термоядерные реакции и под влиянием собственных гравитационных сил произошел большой взрыв, который был виден за десятки световых лет. Для систем,находящихся поблизости, это катастрофа, несущая гибель в радиусе 50 световых лет. Ведь энергия взрыва достигает 1046 Дж, а температура сверхновых звезд – 100 миллиардов градусов!

Отличия новой и сверхновой

Древние наблюдатели не задумывались о том, что яркое небесное тело на небосклоне может быть итогом разных процессов. Священный трепет и невозможность заметить разницу без специального оборудования не позволяли постичь это знание. И лишь с появлением телескопов различия были обнаружены. Оказалось, что то, что мы называем новой или сверхновой звездой – это не сама звезда, а всего лишь ее взрыв.


И хотя названия похожи, процессы, происходящие при этих астрономических явлениях, имеют довольно значительные отличия.

Чтобы лучше понять, что же происходит на бескрайних просторах Вселенной, вспомним начала астрономии по учебнику «Астрономия. 10-11 классы» под редакцией Воронцова-Вельяминова.

Вспышка сверхновой звезды

Во время жизни огненного светила происходит непримиримая борьба между разнонаправленными силами. 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. Последний вздох умирающей звезды – яркая вспышка взрыва , что в летописях и трактатах наблюдатели-астрономы описывают как рождение сверхновой.

Взрыв неимоверной мощи по яркости превосходит светимость целой галактики, а тяжелые элементы космический ветер разносит по межзвездному пространству. 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. Процессы, происходящие на поверхности звезды, описаны на странице 168 «Астрономия. 10-11 классы» под редакцией Воронцова-Вельяминова.

В зависимости от типа погибшей звезды выделяют:

  • сверхновые I типа, когда взрыв происходит с белым карликом массой до 1.4 солнечной;
  • сверхновые II типа с исходной массивной звездой в 8-15 раз больше Солнца.

При взрыве сверхновой звезда погибает навсегда, превращаясь либо в черную дыру, либо в нейтронную звезду.

Взрыв новой звезды

Взрыв новой – зрелище не менее впечатляющее (ведь светимость ничем не примечательного небесного тела увеличивается от 50 тысяч до 100 тысяч раз), но более частое.
ычно это происходит в системе из двух звезд, в которой одна планета значительно старше и в своем возрасте находится на главной последовательности или перешла в стадию красного гиганта и уже успела заполнить свою полость Роша, а вторая звезда – белый карлик. В результате тесного взаимодействия на белый карлик от гигантской соседки через окрестности точки Лагранжа L1 перетекает газ, содержащий до 90% водорода.

Изображение с сайта NASA

Полученное карликом вещество формирует вокруг меньшей звезды аккреционный диск. Скорость аккреции на белый карлик – постоянная величина, и, зная параметры звезды-компаньона и отношение масс звёзд-компонентов двойной системы, это значение можно рассчитать.

Но жадность еще никого до добра не доводила, и когда водорода вокруг белого карлика становится в избытке, происходит взрыв невероятной силы, а если масса белого карлика достигает 1.4 солнечной, происходит необратимый взрыв сверхновой.

Если подвести итог сказанному выше, новой звездой называют взрыв в результате термоядерных реакций на поверхности небольшой плотной звезды. А в результате взрыва сверхновой происходит сжатие ядра огромной звезды, по своей массе в десятки раз больше чем Солнце, с полным уничтожением окружающих звезду слоев.

И, как иногда шутят астрономы, «Мне не дано знать, был ли распят Христос за меня, но я точно уверен, что мое тело создано из остатков сотен звезд».


Известные в истории сверхновые

Крабовидная туманность, которую с помощью космических телескопов мы можем наблюдать на потрясающих воображение снимках космоса, и есть та самая таинственная сверхновая, которую описывали наблюдатели в арабских странах и Китае в 1054 году.

Но такое везение выпало не только на долю древних астрономов.

В феврале 1987 года астрономы зафиксировали яркую вспышку в Большом Магеллановом Облаке – галактике, расположенной всего в 168 тысячах световых лет от Солнечной системы. Поскольку это была первая сверхновая, которую зафиксировали в 1987 году, она получила название – SN 1987A.

Любителям астрономии в южном полушарии повезло. Несколько недель яркое небесное тело с блеском 4-звездной величины было доступно для наблюдения невооруженным глазом.

Это была первая сверхновая на таком близком расстоянии, которая взорвалась после изобретения телескопа. И благодаря современному оборудованию ученые смогли изучить фотометрические и спектральные характеристики, и вот уже более тридцати лет астрономы наблюдают за превращением сверхновой в расширяющуюся газовую туманность.

Рождение сверхновой звезды

Современные ученые официально предсказывают, что в 2022 году невооруженным взглядом астрономы Земли смогут наблюдать за ярчайшим взрывом сверхновой. На расстоянии 1800 световых лет от нашей голубой планеты, в созвездии Лебедя, катастрофа настигнет тесную двойную систему KIC 9832227.

Пожалуй, это будет первый в истории эпизод, когда ученые-астрономы будут наблюдать, прильнув к окулярам телескопов, за катастрофой во всеоружии, однако не в силах ее предупредить. Яркая вспышка сверхновой будет видна на небе в созвездии Лебедя и Северного креста.

Методические советы


Воспользуйтесь интерактивным приложением для атласа по астрономии, чтобы закрепить теорию на практике и с пользой провести остаток урока.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: rosuchebnik.ru

Как происходит взрыв

Как известно, звезда выделяет огромную энергию благодаря термоядерной реакции, происходящей в ядре. Термоядерная реакция — это процесс превращения водорода в гелий и более тяжелые элементы с выделением энергии. Но вот когда водород в недрах заканчивается, верхние слои звезды начинают обрушиваться к центру. После достижения критической отметки вещество буквально взрывается, всё сильнее сжимая ядро и унося верхние слои звезды ударной волной.

В довольно малом объеме пространства образуется при этом столько энергии, что часть ее вынуждено уносить нейтрино, у которой практически нет массы.

Сверхновая типа Ia


Этот вид сверхновых рождается не из звезд, а из белых карликов. Интересная особенность — светимость всех этих объектов одинакова. А зная светимость и тип объекта, можно вычислить его скорость по красному смещению. Поиск сверхновых типа Ia очень важен, ведь именно с их помощью обнаружили и доказали ускоряющееся расширение вселенной.

Сверхновая типа Ia - Кеплер

Возможно, завтра они вспыхнут

Существует целый список, в который включены кандидаты в сверхновые звёзды. Конечно, достаточно сложно определить, когда именно произойдет взрыв. Вот ближайшие из известных:

  • IK Пегаса. Двойная звезда расположена в созвездии Пегас на удалении от нас до 150 световых лет. Её спутник – массивный белый карлик, который уже перестал производить энергию посредством термоядерного синтеза. Когда главная звезда превратится в красный гигант и увеличит свой радиус, карлик начнёт увеличивать массу за счёт неё. Когда его масса достигнет 1,44 солнечной, может произойти взрыв сверхновой.
  • Антарес. Красный сверхгигант в созвездие Скорпиона, от нас до него 600 световых лет. Компанию Антаресу составляет горячая голубая звезда.
  • Бетельгейзе. Подобный Антаресу объект, находится в созвездии Орион. Расстояние до Солнца от 495 до 640 световых лет. Это молодое светило (около 10 миллионов лет), но считается, что оно достигло фазы выгорания углерода. Уже в течение одного-двух тысячелетий мы сможем полюбоваться взрывом сверхновой.

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.

Смерть звезды, так же, как и жизнь, иногда бывает очень красивой. И пример тому – сверхновые звёзды. Их вспышки мощны и ярки, они затмевают все светила, что расположены рядом.

Источник: light-science.ru

История открытия

Около 5 тысяч лет назад люди в первый раз увидели светило в небе, которое по яркости не уступало Солнцу. Тогда народ считал, что это явление выступает наказанием за их грехи. Однако через определённое время оно исчезло. Об этом событии известно из клинописных табличек древних шумеров.


Новые и сверхновые звезды кратко

Несколько веков спустя китайские и арабские астрономы упоминали о другом объекте, который родился в небе и удивлял своим ярким светом несколько недель. Тогда народ принял его за новую звезду. Люди не знали, что неизвестное явление возникло в результате взрыва старого космического тела.

В течение многих лет человек мог наблюдать появление ярких небесных объектов, которые рождались под влиянием различных физических процессов. Появившиеся телескопы помогли определить их природу.

То, что сейчас учёные называют сверхновой или новой звездой, является не самим космическим объектом, а его вспышкой. Сначала специалисты думали, что это явление представляет взрыв газовой сферы, после которого на том же месте остаётся чёрная дыра.

Новые и сверхновые звезды кратко

Однако не все сверхновые звёзды можно считать последней стадией жизни гигантских светил. Вначале астрономы называли новыми объекты, которые возникали на пустом месте в небе и затем постепенно угасали. В китайских источниках о таких явлениях упоминалось до начала второго тысячелетия нашей эры. Но среди них оказались и примеры сверхнового типа.

До изобретения телескопов люди могли видеть только тусклые небесные тела и вспышки, которые напоминали рождение очередного светила.


Технологии позволили подробно изучить эти явления, а также найти различия между сверхновыми и новыми звёздами.

Образование нового светила

Новые звёзды представляют собой термоядерные взрывы.

Новые и сверхновые звезды кратко

Они происходят в тесных звёздных системах и включают:

  • белых карликов;
  • гигантов-компаньонов.

Вещества из внешних слоёв наикрупнейшего светила перетекают в наименьшую звезду. В результате их взаимодействия получается аккреционный диск. Аккрецируемый газ накапливается на поверхности белого карлика, что приводит к формированию слоя, богатого водородом. Затем он разогревается потоком из аккреционного диска. Накопление водорода и повышение температуры в верхнем слое приводят к термоядерным процессам. На поверхность белого карлика выходит углерод.

Новые и сверхновые звезды кратко

Со временем термоядерные реакции ускоряются, а масса звезды увеличивается. Потом происходит взрыв, при котором верхний слой из водорода сбрасывается в окружающее пространство.


После этого наступает новый цикл аккреции на белого карлика, который завершается повторной вспышкой. Интервал между взрывами может составлять десятки или сотни лет.

В результате вспышки яркость звёздной системы становится в тысячи раз больше. Тусклый объект теперь видимый для человека. Вспышка достигает максимума за несколько дней, а затухает долго. В дальнейшем вокруг нового светила расширяется газовая оболочка. Обычно на это требуются годы. Подобные явления периодичны: они могут повторяться у одной и той же системы раз в десять лет.

Появление сверхновых объектов

Сверхновые вспышки — явление, при котором яркость небесного тела резко увеличивается, но затем медленно затухает. Пиковая светимость у объектов этого типа в тысячи раз больше, чем у новых звёзд. Этот феномен возникает вследствие эволюции некоторых космических объектов. В процессе звёздного взрыва выделяется большое количество энергии. Явление можно наблюдать только в космическом пространстве. Его сложно заметить из-за большого объёма газа и пыли.

Новые и сверхновые звезды кратко

Астрономы долго не могли узнать природу этих космических объектов, поскольку процесс можно наблюдать лишь во время его протекания. Сегодня известны два сценария, приводящие к таким вспышкам:

Новые и сверхновые звезды кратко

  • После взрыва небесного тела в космическое пространство выбрасывается значительный объём вещества из внешнего слоя его оболочки. Из оставшейся части формируется нейтронная звезда.
  • Взрыв считается последней стадией существования объекта. Со временем топливный ресурс в газовой сфере истощается. Часть массы звезды попадает в ядерную область, где она увеличивается. Поскольку объект больше не может её сдерживать с помощью своей гравитации, происходит расширение с последующим взрывом.
  • Специалисты исследуют полученную информацию о спектрах и кривых блеска комплексно. При изучении остатков звёзд они могут детально создать рациональные модели и определить условия вспышек, произошедших в космосе.

    Сверхновые звёздные объекты считают прародителями жизни во Вселенной.

    Их мощные взрывы приводят к образованию облаков и туманностей из газа и пыли, в которых позже формируются очередные космические тела. Кроме того, сверхновые звёзды выбрасывают в окружающее пространство тяжёлые элементы. Эти объекты формируют химические элементы, которые тяжелее железа. После вспышки энергия разносит кислород, азот и иные компоненты, необходимые для органической жизни.

    Классовые различия

    Специалисты выделяют несколько групп и подтипов сверхновых звёзд. Разделение объясняется тем, что космические объекты имели разные особенности до взрыва. Например, небесные тела с отсутствием водорода относятся к подклассам lb и lc первого класса. Возможно, часть оболочки с этим веществом была утеряна светилом при эволюции в тесной двойной системе. Также стоит отметить, что объекты подтипа lc не имеют гелия.

    Новые и сверхновые звезды кратко

    Несмотря на потерю водородного слоя, остальные части звёзд находятся в строгих пределах своих размеров и массы. Термоядерные реакции заменяют друг друга, когда наступает конкретный критический этап. Это объясняет сходство объектов подклассов lb и lc. Максимальная светимость у этих звёзд в 1,5 млрд раз больше, чем у Солнца. Она достигается через 2—3 дня, а потом медленно уменьшается в течение месяцев.

    Новые звёзды до вспышки имели водородно-гелиевый слой в оболочке. Её границы зависели от массы и иных характеристик небесного объекта. Эти особенности объясняют широкий диапазон в характерах сверхновых звёзд. Их степень яркости варьируется от десятков миллионов до миллиардов солнечных светимостей. Динамика её изменения может быть различной.

    Гиперновые взрывы

    Астрономы также выделяют гиперновые вспышки. Их энергия выше на несколько порядков, чем у обычных сверхновых. Гиперновые звёзды представляют взрыв массивных объектов, которые называются гипергигантами. Эти газовые шары могут достигать 150 солнечных масс.

    Новые и сверхновые звезды кратко

    Астрономы считают, что такие объекты образуются во время аннигиляции антиматерии, при столкновении двух огромных светил или возникновении кварковой звезды.

    Гиперновые звёзды вызывают большой интерес не только у учёных, но и у любителей астрономии.

    Небесные тела часто выступают причиной гамма-всплесков. Такие явления длятся от сотых секунд до нескольких часов. Этот феномен считается редким электромагнитным событием. За несколько секунд гамма-всплеск может испустить количество энергии, эквивалентное массе Солнца. Специалисты продолжают изучать природу этого явления.

    Источник: Sprint-Olympic.ru

    Не всегда изменение блеска переменной звезды носит периодический характер. Иногда оно выглядит как вспышка, кратковременное резкое увеличение блеска. Самые эффектные из вспыхивающих звезд — новые и сверхновые звезды.

    Новыми звезды были названы потому, что на месте вдруг появившейся довольно яркой звезды вроде бы ничего и не было. Уже в XX веке, когда регулярным стало фотографирование неба при помощи телескопов, удалось выяснить, что на месте «новых» звезд все-таки до вспышки находились слабые звездочки, которые почему-то вдруг резко увеличили светимость.

    Вспышки новых звезд происходят нечасто, один раз в несколько лет. Хотя блеск при этом увеличивается в десятки тысяч раз, некоторые из них так и не становятся видимыми невооруженному глазу — так далеко они находятся.

    Еще более грандиозное явление — вспышка сверхновой звезды. Энергия, которая при этом выделяется, равна энергии, излучаемой Солнцем за несколько миллиардов лет. Вспышки сверхновых, еще более редкие, чем вспышки новых, наблюдаются не только в нашей Галактике, но и в соседних, причем блеск их иногда сравним по величине с суммарным блеском всех остальных звезд галактики. А некоторые вспыхнувшие в нашей Галактике сверхновые были видны даже в дневное время. Такое событие отметили, например, китайские и японские хроники в 1054 году. А в 1987 году произошла вспышка сверхновой в ближайшем соседе нашей Галактики — в Большом Магеллановом Облаке. Ее впервые в истории науки удалось пронаблюдать от начала до конца при помощи современных наблюдательных средств.

    Каковы же причины столь мощных вспышек? Впервые ответ на этот вопрос удалось получить лишь в середине XX века, когда обнаружилось, что одна из вспыхнувших новых звезд оказалась двойной системой. Одна из пары звезд — звезда главной последовательности типа Солнца, а другая — особенная, сверхплотный белый карлик, диаметром в сто раз меньше Солнца. Пара оказалась очень тесной, так что приливная сила заставляла газ с поверхности желтой звезды перетекать на поверхность белого карлика. Там этот газ оказался в условиях сверхвысоких давлений и температур, что открыло путь термоядерным реакциям — как в недрах Солнца. Но если на Солнце эти реакции протекают спокойно, то здесь они носили взрывной характер. Взрывом оболочку газа, «натянутого» на себя белым карликом, сорвало, и она стала бурно расширяться, многократно увеличивая общую светимость звездной системы. Впрочем, плотность разлетающейся оболочки была столь мала, что она не причинила вреда соседней желтой звезде, которая продолжала снабжать ядерным горючим белого карлика. Так что в будущем, через несколько сотен лет, возможна и еще одна вспышка новой на том же месте. Аналогичная причина взрыва — и у других новых звезд.

    Со сверхновыми все обстоит несколько иначе.

    В созвездии Тельца известна знаменитая Крабовидная туманность — облако светящегося газа. Оно расширяется, и скорость этого расширения можно определить. Расчеты показали, что если она не менялась существенно со временем, то около тысячи лет назад все вещество Крабовидной туманности находилось в одном месте — именно там, где вспыхнула сверхновая звезда. Так выяснилось, что Крабовидная туманность — это остаток взрыва сверхновой. Впоследствии нашли и другие туманности такого же происхождения. А в самом центре Крабовидной туманности обнаружили удивительную звезду — пульсар. Пульсары — это нейтронные звезды, вещество которых имеет еще большую плотность, чем у белых карликов. Причина взрывов сверхновых — это потеря устойчивости очень массивными звездами в конце жизни.

    Именно при взрывах сверхновых звезд могут рождаться самые тяжелые из химических элементов — те, что стоят в таблице Менделеева после железа. Никакими другими путями синтезировать их в природе невозможно. Так что, поскольку в организме человека какое-то количество этих элементов содержится, мы можем сказать, что носим в себе мельчайшие частицы, рожденные при грандиозных звездных катаклизмах…

    Присоединяйтесь к нам и узнавайте больше интересных фактов о нашем Космическом пространстве.

    Источник: zen.yandex.ru

    Ещё 2,5 тысячи лет тому назад древние астрономы заметили необычное явление: на небосводе внезапно вспыхивает необычайно яркая звезда, превосходящая по яркости большинство видимых небесных тел; в течение короткого времени она сияет с пугающей интенсивностью, но затем быстро (в течение года-полутора) уменьшает свою яркость пока, наконец, не исчезает. 

    Почему так происходит, древние астрономы, конечно же, понять не могли: разобраться в физике данного явления мы в общих чертах сумели лишь во второй половине XX века, да и то не на все вопросы у нас уже есть ответ. 

    В 1572 году датский астроном Тихо Браге описал свои наблюдения за одним из таких явлений. Так как случилось оно в части неба, где раньше ничего интересного не наблюдалось, Браге подумал, что имеет дело с рождением новой звезды (de stella nova на латыни), о чём и написал в своих заметках о явлении. 

    Название прижилось, хотя его сложно на самом деле назвать удачным: в реальности явление не имеет ничего общего со звездообразованием. Напротив, происходит это обычно со старыми, уже отжившими своё звёздами. Однако традиция есть традиция. Англоязычным проще: у них новые так и называют — «nova», а не «new». Всё-таки чуть меньше путаницы.

    По мере развития телескопов, новые «новые» стали фиксировать всё чаще. Если, к примеру, с 6 века до нашей эры по 19 век было зарегистрировано порядка 100 таких объектов, то в XIX веке они наблюдались уже практически ежегодно. По мере накопления наблюдательного материала, стало ясно, что новая новой – рознь. Некоторые из таких вспыхивали гораздо ярче других, и их выделили в отдельный класс – сверхновые (supernova).

    Русское название, кстати, ещё менее удачное, чем предыдущее: кажется, что речь идёт о «более новой» (в смысле возраста) звезде, тогда как на самом деле приставка «сверх» обозначает яркость, т.е. масштаб явления.

    Дальше: больше. Во-первых, выяснилось, что взрывы новых и сверхновых представляют собой принципиальной разные процессы. Во-вторых, оказалось, что и сверхновые вызваны различными явлениями, лишь внешне выглядящими похоже, да и то только на первый взгляд. В-третьих, были обнаружены аномальные сверхновые, яркость которых на порядки превосходила яркость обычных сверхновых. Их назвали гиперновыми, и насчёт их природы до сих пор идут дискуссии.

    Но начнём мы именно с самого часто встречающегося случая – с обычных новых.

    Вторая молодость старой звезды

    Когда мы говорили о рождении и эволюции звёзд, мы уже писали о таких объектах, как белые карлики. Это звёзды, которые сожгли своё термоядерное топливо (сначала водород, потом гелий, потом, для наиболее тяжёлых звёзд, углерод, кислород, иногда — кремний), после чего чудовищно сжались под действием собственной гравитации: в белых карликах масса Солнца может быть спрессована в тело размером с планету. 

    В принципе, белый карлик – это конец истории звезды: никаких реакций в нём не идёт, и он просто летает по космосу, медленно отдавая в окружающее пространство ранее накопленную энергию. По сути это огарок — но огарок достаточно массивный и очень плотный. 

    Однако если рядом с белым карликом есть другая звезда, то могут начать происходить более интересные вещи. 

    Белый карлик может силой своей гравитации воровать материю у звезды-партнёра: вещество из внешних слоёв такой звезды начинает медленно перетекать к белому карлику. 

    При этом следует помнить, что температура во внешних слоях звезды существенно ниже, чем нужно для возникновения ядерных реакций. Поэтому даже в звёздах, в ядрах которых сгорел уже весь водород, и горит уже более сложное топливо (например, гелий) поверхностные слои могут быть ещё быть достаточно богаты водородом. И именно этот относительно холодный водород начинает перетекать к белому карлику. Сжимаясь под действием его гравитации, он постепенно нагревается, достигая в итоге температур, при которых запускаются реакции термоядерного синтеза.

    Нормальные звёзды обладают своеобразным механизмом саморегуляции, благодаря которому они относительно ровно горят, а не взрываются, подобно гигантским термоядерным бомбам. Объём звезды определяется равновесием между гравитацией звезды (стремящейся её сжать) и внутренним давлением. Последнее, в свою очередь, определяется интенсивностью реакций внутри звезды, а те, в свою очередь, зависят от температуры. Если интенсивность реакций по какой-то причине увеличивается, внутреннее давление возрастает, звезда расширяется, из-за расширения её температура снижается в соответствии с законами термодинамики, и реакция приходит в норму. 

    Но белые карлики из-за своего огромного сжатия состоят не из обычного, а из так называемого вырожденного газа, в котором частицы упакованы достаточно плотно для того, чтобы начали проявляться квантовые эффекты. Один из них заключается в том, что давление такого газа не зависит от температуры.

    То есть, под действием начавшейся реакции температура карлика увеличивается, но расширения не происходит. Зато рост температуры ведёт к увеличению интенсивности реакций – и дальнейшему разогреву. То есть, процесс развивается лавинообразно, и в результате происходит по сути термоядерный взрыв, в ходе которого весь «краденный» водород в короткий промежуток времени оказывается вовлечён в реакцию, и за небольшое время выделяется огромная по звёздным меркам энергия

    Вот эту-то вспышку мы и наблюдаем как взрыв новой.  

    После вспышки белый карлик приходит в своё нормальное состояние, и всё возвращается на круги своя. Среди прочего, возобновляется и переток материала звезды-партнёра к белому карлику – то есть, запускается процесс подготовки нового взрыва. Другой вопрос, что занимать он может годы и десятилетия – а может сотни, тысячи или даже миллионы лет.

    А что же сверхновые? Здесь всё сложнее, потому что под одним названием скрывается несколько совершенно разных процессов. 

    Сверхновые бывают двух основных типов, выделенных чисто по внешним признакам, когда до понимания физики процесса было ещё далеко. В излучении вспышек типа I отсутствуют линии водорода, во вспышках типа II они есть. Позже сверхновые типа I дополнительно разделили на типы Ia и Ib/с: у сверхновых Ia в спектре присутствуют линии кремния, у сверхновых типа Ib/с их нет.

    Как это нередко бывает, впоследствии выяснилось, что классификация по внешним признакам оказалась не самой удачной: с физической точки зрения сверхновые типа Ib/с более близки к сверхновым типа II, чем к сверхновым типа I. Но – обо всём по порядку. 

    Сиять так сиять!

    Сверхновые типа Ia во многом похожи на новые в том смысле, что для взрыва также требуется система из двух звёзд, по крайней мере одна из которых является белым карликом. Но только на сей раз оба компонента такой системы должны быть белыми карликами. 

    Сверхновые типа Ia вспыхивают в системах, в которых оба белых карлика состоят «поздних» элементов цепочки термоядерного синтеза — углерода и кислорода. Звёзды, из которых образовались эти карлики, «при жизни» были достаточно велики, чтобы после исчерпания водорода переработать гелий, но всё же не настолько массивны, чтобы в их недрах могла запуститься реакция термоядерного синтеза с участием более поздних элементов. Но в процессе обмена массами между «огарками» этих звёзд этот «недостаток» может быть исправлен. 

    Грубо говоря, один белый карлик поглощает достаточно массы (и, соответственно, достаточно нагревается) для того, чтобы реакция синтеза кремния из углерода и кислорода всё-таки запустилась. Именно этот кремний и даёт характерные следы в спектрах взрывов таких сверхновых.

    При этом мы помним: речь идёт о белом карлике, то есть, о звезде, состоящей из равномерно нагретого вырожденного газа. Поэтому когда в такой звезде достигаются условия для запуска термоядерной реакции углерода и кислорода, они одновременно достигаются во всём её объёме. И всё вещество звезды почти мгновенно вступает в реакцию, выделяя колоссальные объёмы энергии.

    В этом смысле сверхновые типа Ia похожи на новые. Но только в новой «горит» «краденный» водород в сравнительно тонком приповерхностном слое. А в сверхновой типы Ia в процессе участвует всё вещество звезды, и взрыв получается на порядки более мощным. 

    Из такого механизма образования сверхновых типа Ia следует интересный нюанс. Как мы уже говорили выше, взрыв происходит сразу же после того, как звезда достигает температуры «горения» кислорода и углерода; температура эта зависит от массы, которую набрала звезда; масса же, в свою очередь, однозначно определяет все остальные параметры звезды одинакового химического состава. А все белые карлики имеют примерно одинаковый (углеродно-кислородный) состав. 

    Проще говоря, в момент взрыва сверхновые типа Ia во всей Вселенной, похоже, перед взрывом имеют одни и те же параметры. А значит, и количество излучаемой ими энергии должно быть одинаковым. Соответственно, измерив яркость, с которой мы видим их с Земли, можно рассчитать расстояние до этих объектов, и сравнить его с расстоянием до них, полученных другими методами, основывающимися на наших представлениях о природе Вселенной (закон Хаббла). 

    А это, в свою очередь, позволяет нам проверить правильность этих представлений. В частности, именно наблюдения за удалёнными сверхновыми типа Ia привели учёных к мысли, что Вселенная расширяется со всё возрастающей скоростью, чего раньше не предполагали.

    Нейтринный взрыв

    Что же до сверхновых типа Ib/c и II, то их взрывы вызываются принципиально иными процессами. Сразу оговоримся: полной ясности на этот счёт у современной физики нет, и считающаяся общепризнанной модель этого процесса имеет достаточно много белых пятен. 

    Главными героями при взрывах также являются объекты из вырожденного газа  – либо уже сформировавшиеся белые карлики (Ib/c), либо ядра звёзд, окружённые оболочками из более лёгких элементов (II).

    Выше мы уже говорили, что вырожденный газ белых карликов – это самое плотное состояние, которого может достигнуть материя. Но это верно лишь отчасти. Несжимаемость такого газа объясняется квантовым взаимодействием («отталкиванием») между составляющими вещество частицами: электронами и атомными ядрами. Белые карлики вырождены именно в смысле взаимодействия между электронами (так и говорят: газ, вырожденный по электронам). Если бы электроны куда-то делись, то вещество можно было бы сжать ещё плотнее. 

    И в природе существует процесс, позволяющий вырожденному газу избавиться от электронов. Он называется «электронный захват». В процессе него протон атомного ядра захватывает электрон и превращается в нейтрон. При этом выделяется достаточно значительная энергия (преимущественно в виде крошечных частичек, известных как нейтрино). Если такой процесс начинает происходить массово, то в его результате вещество почти полностью лишается и протонов, и электронов, и оказывается состоящим практически полностью из одних нейтронов. А для такого вещества оказывается возможной куда большая плотность упаковки, нежели для вещества белого карлика. 

    Процесс образования такого вещества из вырожденного электронного газа называется нейтронизацией.

    Образуется нейтронная звезда – ещё более плотная, чем белый карлик: массы порядка солнечных в ней упакованы в шар диаметром в 10-15 километров, то есть размером с город.

    Для того, чтобы процесс электронного захвата мог идти по-настоящему активно, температура звезды должна составлять порядка 10 миллиардов градусов. Такие температуры достигаются лишь в ядрах массивных звёзд порядка 10-12 масс Солнца. Звёзды меньшего размера, вероятно, не могут породить взрывы сверхновых типа Ib/c и II.

    Но если это условие выполняется, то процесс начинает развиваться достаточно бурно. Причём энергия не только бурно выделяется, но и бурно уносится за пределы вырожденного ядра. 

    Обычные звёзды излучают преимущественно энергию в виде фотонов, и только с поверхности: родившиеся внутри звезды фотоны поглощаются её же веществом, затем переизлучаются им, и так (довольно медленно) движутся к поверхности. При нейтронизации же энергия выделяется в виде нейтрино, для которого вещество звезды прозрачно. Поэтому энергия выделяется не только с поверхности, но и из всего объёма звезды. Звезда как бы вскипает!

    Большой объём энергии, быстро выделяющийся в окружающую среду в течение малого времени. За день сверхновая может излучить столько же энергии, сколько Солнце будет отдавать миллионы лет! Это именно то, что мы наблюдаем как взрыв сверхновой типа Ib/c и II. Разница между двумя типами взрывов состоит в том, в каком состоянии была звезда до начала процесса. 

    Звёзды типа Ib/c, вероятно, представляют собой старые звёзды, уже лишившиеся всего своего водорода, а зачастую гелия и даже более поздних элементов. По сути вырожденное ядро занимает весь или почти весь объём такой звезды перед взрывом. 

    Сверхновые типа II, по всей видимости, представляют собой ещё более массивные звёзды, в центре которых уже могло успеть (больше масса – быстрее процессы ядерных реакций!) сформироваться кремниевое, а то и железно-никелевое ядро, но во внешних слоях ещё остались более лёгкие элементы: звезда представляет собой своего рода слоёный пирог.

    Соответственно, хотя природа взрывов сверхновых типа Ib/c и типа II схожа, результаты выглядят довольно по-разному. При взрыве сверхновых типа Ib/c энергия выделяется непосредственно в виде нейтрино и фотонов, в меньшей степени – в виде разогнанных до околосветовых скоростей потоков частиц, тогда как в случае со сверхновыми типа II она передаётся от вырожденного ядра наружной оболочке из более лёгких элементов, вызывая в ней своеобразную ударную волну (как именно это происходит, физикам до конца неясно). 

    Эта ударная волна затем распространяется к поверхности звезды, буквально срывая внешние газовые оболочки. Именно разлёт этих оболочек по окружающему космосу мы и воспринимаем как взрыв сверхновой типа II.

    Результатом взрыва сверхновой типа II является огромное газовое облако (планетарная туманность; тоже не самое удачное название), в центре которого остаётся огарок прежнего гиганта — нейтронная звезда. 

    Тяжелее, ярче, мощнее… загадочнее

    Что же касается взрывов гиперновых, которые в 10-100 раз ярче самых ярких сверхновых, то полной их теории нет. Причём вероятно, что такие взрывы являются результатом нескольких весьма различных по природе процессов.

    Одна из гипотез гласит, что то, что мы наблюдаем как взрыв гиперновой, является актом перехода вещества в ещё более плотное состояние, чем нейтронная звезда – в чёрную дыру. К сожалению, мы пока недостаточно хорошо разбираемся в физике сверхплотных состояний вещества чтобы понять, как и в каких формах будет происходить этот процесс, и что будет получаться в его результате. 

    Существуют и другие теории. Некоторые полагают, что взрыв гиперновых – это результат коллапса сверхмассивных (порядка 150 масс Солнца) звёзд, достаточно горячих для того, чтобы внутри них начали идти процессы рождения электрон-позитронных пар. 

    Процесс рождения электрон-позитронных пар активно расходует энергию звезды, нарушая её термодинамическое равновесие. В итоге звезда всё сильнее сжимается и нагревается – до тех пор, пока всё или почти всё её вещество не окажется вовлечённым в термоядерную реакцию, которая приобретает взрывной характер.

    Считается, что в результате таких взрывов звезда полностью разрушается, избегнув превращения в нейтронную звезду или чёрную дыру. 

    Третья версия – образование так называемых кварковых звёзд, в которых отсутствуют уже не только привычные нам атомные ядра (как в нейтронных звёздах), но разрушаются от колоссальных давлений и температур даже и сами нейтроны, а вещество оказывается в состоянии кварк-глюонной плазмы.

    В настоящее время, впрочем, у нас недостаточно наблюдений за взрывами гиперновых для того, чтобы делать какие-то выводы. Вероятно, такие процессы вообще идут достаточно редко: по некоторым оценкам, гиперновая в галактике взрывается раз в несколько сотен лет. И слава богу: такие взрывы могут иметь разрушительные масштабы даже на большом удалении от звезды. В частности, по одной из теорий, именно взрыв гиперновой привёл к так называемому ордовикско-силурийскому вымиранию 440 миллионов лет назад, когда с лица Земли исчезли около 60% всех населяющих её живых существ.

    Несмотря на разрушительный характер взрывов сверхновых и гиперновых, они, вероятно, сыграли важную роль в формировании нашей Вселенной такой, какой мы её знаем. В частности, считается, что именно в ходе таких процессов возникли все элементы тяжелее железа. Так что если энергия, которая выделяется при сжигании, к примеру, каменного угля или нефти – это в некотором роде «консервированная» энергия излучения Солнца, то энергия атомной электростанции, работающей на уране, есть ни что иное, как энергия взрыва сверхновой звезды, случившегося миллиарды лет тому н

    Источник: yuritkachev.livejournal.com


    You May Also Like

    About the Author: admind

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.