Наше место в этом мире
Круговорот газа и пыли во вселенной
Вспышка сверхновой звезды

Мощное возмущение, вызванное взрывом, распространяется с огромной скоростью, а зона такого взрыва за несколько десятков тысяч лет покрывает гигантские области межзвездной среды. Физические условия таких областей резко отличаются от тех, что характеризуют "невозмущенную" среду: очень горячая (нагретая до нескольких миллионов градусов) плазма и значительно превышающие средние значения плотность космических лучей и напряженность магнитного поля. Выброшенное взорвавшейся звездой вещество, попадая в межзвездную среду, может участвовать в формировании новых звезд и планетных систем. Именно поэтому сверхновые звезды и их остатки являются одним из центральных объектов изучения для современной астрофизики, ведь здесь переплетаются такие важные проблемы, как эволюция нормальных звезд, рождение нейтронных звезд и других сколлапсировавших объектов, образование тяжелых элементов, космических лучей и многое другое.

Первоначально все звезды, блеск которых внезапно увеличивался более чем в 1 000 раз, называли новыми. Вспыхивая, такие звезды неожиданно появлялись на небе, нарушая привычную конфигурацию созвездия, и увеличивали свой блеск в максимуме, в несколько тысяч раз, затем их блеск начинал резко падать, а через несколько лет они становились такими же слабыми, какими были до вспышки. Повторяемость вспышек, при каждой из которых звезда с большой скоростью выбрасывает до одной тысячной своей массы, является для новых звезд характерной. И все же при всей грандиозности явления подобной вспышки оно не бывает связано ни с коренным изменением структуры звезды, ни с ее разрушением. За пять тысяч лет сохранились сведения о более чем 200 ярких вспышках звезд, если ограничиться такими, которые не превышали по блеску 3-ю звездную величину. Но когда была установлена внегалактическая природа туманностей, стало ясно, что вспыхивающие в них новые звезды по своим характеристикам превосходят обычные новые, так как их светимость часто оказывалась равной светимости всей галактики, в которой они вспыхивали. Необычайность таких явлений привела астрономов к мысли, что такие события - нечто совсем не похожее на обычные новые звезды, а потому в 1934 году по предложению американских астрономов Фрица Цвикки и Вальтера Бааде те звезды, вспышки которых в максимуме блеска достигают светимостей нормальных галактик, были выделены в отдельный, самый яркий по светимости и редкий класс сверхновых звезд.

В отличие от вспышек обыкновенных новых звезд вспышки сверхновых в современном состоянии нашей Галактики - явление крайне редкое, происходящее не чаще чем раз в 100 лет. Наиболее яркими были вспышки в 1006 и 1054 годах, сведения о них содержатся в китайских и японских трактатах. В 1572 году вспышку такой звезды в созвездии Кассиопеи наблюдал выдающийся астроном Тихо Браге, последним же, кто следил за явлением сверхновой в созвездии Змееносца в 1604 году, был Иоганн Кеплер. За четыре столетия «телескопической» эры в астрономии подобных вспышек в нашей Галактике не наблюдалось. Положение Солнечной системы в ней таково, что нам оптически доступны наблюдения вспышек сверхновых примерно в половине объема, а в остальной ее части яркость вспышек приглушена межзвездным поглощением. В.И. Красовский и И.С. Шкловский подсчитали, что вспышки сверхновых звезд в нашей Галактике происходят в среднем раз в 100 лет. В других галакти ках эти процессы происходят примерно с той же частотой, поэтому основные сведения о сверхновых в стадии оптической вспышки были получены по наблюдениям за ними в других галактиках.

ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ CAS A

Понимая важность изучения столь мощных явлений, астрономы В. Бааде и Ф. Цвикки, работавшие на Паломарской обсерватории в США, в 1936 году начали планомерный систематический поиск сверхновых. В их распоряжении был телескоп системы Шмидта, позволявший фотографировать области в несколько десятков квадратных градусов и дававший очень четкие изображения даже слабых звезд и галактик. За три года в разных галактиках ими были обнаружены 12 вспышек сверхновых, которые затем исследовались с помощью фотометрии и спектроскопии. По мере совершенствования наблюдательной техники количество вновь обнаруженных сверхновых неуклонно возрастало, а последующее внедрение автоматизированного поиска привело к лавинообразному росту числа открытий (более 100 сверхновых в год при общем количестве - 1 500). В последние годы на крупных телескопах был начат также поиск очень далеких и слабых сверхновых, так как их исследования могут дать ответы на многие вопросы о строении и судьбе всей Вселенной. 3а одну ночь наблюдений на таких телескопах можно открыть более 10 далёких сверхновых.
В результате взрыва звезды, который наблюдается как явление сверхновой, вокруг нее образуется туманность, расширяющаяся с огромной скоростью (порядка 10 000 км/с). Большая скорость расширения - главный признак, по которому остатки вспышек сверхновых отличают от других туманностей. В остатках сверхновых все говорит о взрыве огромной мощности, разметавшем наружные слои звезды и сообщившем отдельным кускам выброшенной оболочки огромные скорости.
Сверхновые на примере: Ни один космический объект не дал астрономам столько ценнейшей информации, как относительно небольшая Крабовидная тучтанность, наблюдаемая в созвездии Тельца и состоящая из газового диффузного вещества, разлетающегося с большой скоростью. Эта туманность, являющаяся остатком сверхновой, наблюдавшейся в 1054 году, стала первым галактическим объектом, с которым был отождествлен источник радиоизлучения. Оказалось, что характер радиоизлучения ничего общего с тепловым не имеет: его интенсивность систематически возрастает с длиной волны. Вскоре удалось объяснить и природу этого явления. В остатке сверхновой должно быть сильное магнитное поле, которое удерживает созданные ею космические лучи (электроны, позитроны, атомные ядра), имеющие скорости, близкие к скорости света. В магнитном поле они излучают электромагнитную энергию узким пучком в направлении движения. Обнаружение нетеплового радиоизлучения у Крабовидной туманности подтолкнуло астрономов к поиску остатков сверхновых именно по этому призкаку.
На Рис.: Крабовидная туманность. Новая последовательность изображений остатка огромного звездного взрыва, полученная телескопом «Хаббл», дает астрономам глубже заглянуть в динамику связи между маленьким пульсаром «Краб» и огромной туманностью, которую он обеспечивает энергией. Цветное фото слева представляет собой полученное наземным телескопом изображение почти всей Крабовидной туманности, которая сформировалась после взрыва сверхновой более 900 лет назад. Туманность, размером 10 световых лет в поперечнике, расположена на расстоянии 7 000 световых лет в созвездии Тельца. Зеленые, желтые и красные волокна, сосредоточенные по краям туманности, являются остатком звезды, который был выброшен в пространсто взрывом. В центре Крабовидной тyманности лежит пульсар «Краб» - сколапсировавшее ядро взорвавшейся звезды. Синее сияние во внутренней части туманности - это свет, который излучают энергетические электроны. Изображение справа получено космическим телескопом «Хаббл» и представляет собой внутренние области «Краба». Сам пульсар виден как левая из пары эвезд вблизи центра кадра. Пульсар окружен комплексом четких узлов и клочковатых образований. Это - одна из последовательностей изображений, которые получал "Хаббл" на протяжении нескольких месяцев. Она показывает, что внутренняя часть Крабовидной туманности более динамична, чем полагали ранее.

-20 000 лет назад. Более крупная звезда в двойной системе раздувается, становясь красным гигантом. -Красный гигант отдает материю голубой звезде, причем некоторая часть формирует диск. -Две звезды сливаются в одну голубую звезду, окруженную газовым диском. -"Ветер" со звезды создает отверстие в диске.

-Февраль 1987 г. Вспышка сверхновой освещает внутренний край кольца. -1991-1996 гг. Взрывная волна и поток обломков быстро распространяется в пространстве. -1997 г. Взрывная волна достигает внутреннего края кольца, вызывая точечные вспышки. -2007 г. Вспышки происходят по всему внутрен-нему краю, формируя светящееся кольцо.

ВЗРЫВ 1987А

На рис.: Сверхновая Cas A. Особенно мощным источником радиоизлучения оказалась туманность, находящаяся в созвездии Кассиопеи, - на метровых волнах поток радиоизлучения от нее в 10 раз превышает поток от Крабовидной туманности, хотя она и значительно дальше последней В оптических же лучах эта быстро расширяющаяся туманность очень слаба. Полагают, что туманность в Кассиопее - это остаток вспышки сверхновой, имевшей место около 300 лет назад.
Характерное для старых остатков сверхновых радиоизлучение показала и система волокнистых туманностей в созвездии Лебедя. Радиоастрономия помогла отыскать еще много других нетепловых радиоисточников, которые оказались остатками сверхновых разного возраста. Таким образом, был сделан вывод, что остатки вспышек сверхновых, случившихся даже десятки тысяч лет назад, выделяются среди других туманностей своим мощным нетепловым радиоизлучением.
Как уже говорилось, Крабовидная туманность стала первым объектом, у которого было обнаружено рентгеновское излучение. В 1964 году удалось обнаружить, что источник рентгеновского излучения, исходящего из нее, протяженный, хотя его угловые размеры в 5 раз меньше угловых размеров самой Крабовидной туманности. Из чего был cделан вывод, что рентгеновское излучение испускает не звезда, некогда вспыхнувшая как сверхновая, а сама туманность.
Разноцветные струи, пересекающие небо на снимке, полученном космическим телескопом «Хаббла», созданы одним из самых больших «фейерверков», зарегистрированных в истории нашей галактики, - огромным взрывом массивной звезды. Свет от нее достиг Земли 320 лет назад. Клочковатые остатки мертвой звезды названы Кассиопея А, или, коротко, «Cas А». Этот самый молодой из известных остатков сверхновых в нашей Галактике Млечный Путь находится на расстоянии 10 000 световых лет в созвездии Кассиопеи. Свет от взрыва сверхновой достиг Земли в 1600 году, а сам взрыв произошел 10 000 годами раньше. Это фото показывает верхний край расширяющейся оболочки остатка сверхновой. Вверху изображения видны дюжины крошечных клочков материи. Каждый маленький комочек изначально был небольшим фрагментом звезды, в десятки раз большей, чем вся Солнечная система. 3везда, которая создала их, была огромна: в 15-25 раз массивнее нашего Солнца. Такие звезды обычно живут недолго, используя свой запас ядерного топлива за десятки миллионов лет (в 1 000 раз быстрее, чем наше Солнце). Этот потрясающий снимок Cas А позволяет астрономам подробно изучить остатки сверхновой, показывая впервые, что они состоят из маленьких остывающих клубков газа. Это вещество будет использовано для создания нового поколения звезд и планет. Возможно, наше Солнце и планеты Солнечной системы созданы из остатков сверхновой, которая взорвалась миллиарды лет назад.
На рис.: Сверхновая 1987А. Сверкающие звезды и клочья газа создают захватывающий дух фон для картины саморазрушения массивной звезды, названной сверхновой 1987А. Ее взрыв астрономы наблюдали в Южном полушарии 23 февраля 1987 года. Это изображение, полученное телескопом «Хаббл», показывает остатки сверхновой, окруженные внутренним и внешним кольцами вещества в диффузных облаках газа. Этот трехцветный снимок составлен из нескольких фотографий сверхновой и соседней с ней области, которые были сделаны в сентябре 1994, феврале 1996 и июле 1997 года. Многочисленнные яркие голубые звезды вблизи сверхновой - это массивные звезды, каждая из которых возрастом окало 12 млн. лет и в 6 раз тяжелее Солнца. Все они относятся к тому же поколению звезд, что и взорвавшаяся. Присутствие ярких газовых облаков - еще один признак молодости этой области, которая все еще является плодородной почвой для рождения новых звезд. «Хаббл» обнаружил кольца светящегося газа, опоясывающие место взрыва сверхновой 1987А. Возможно, два кольца могут быть «нарисованы» высокоэнергетическим излучением или частицами, аналогично тому, как световой лазерный луч чертит круги на экране. Источником излучения могут быть ранее неизвестные звездные остатки второго компонента звезды, взорвавшейся в 1987 году. На изображении, полученном «Хабблом», виден слабосветящийся объект на месте предполагаемого источника.
Кольцо на изображении [A] полученном телескопом «Хаббл» в 1994 году, показывает светящееся газовое кольцо вокруг сверхновой 1987А. Изображение [B] - недавние наблюдения 1997 года телескопа «Хаббл» показывают увеличение яркости узлов на верхней правой стороне кольца. Это место мощных столкновений между движущейся наружу взрывной волной и внутренними частями околозвездного кольца. Столкновения нагревают газ и заставляют его светить ярче. Это, вероятно, первый сигнал драматических и сильных столкновений, которые будут иметь место в последующие несколько лет, омолаживая сверхновую как мощный источник рентгеновского и радиоизлучения. Белая серпообразная материя в центре - видимая часть рассеянной звезды, несущаяся со скоростью 3 000 км/с, которая нагревается радиоактивными элементами, возникшими при взрыве звезды.
Влияние сверхновых

Сверхновые. 23 февраля 1987 года в соседней с нами галактике - Большом Магеллановом Облаке - вспыхнула сверхновая, ставшая чрезвычайно важной для астрономов, поскольку была первой, которую они, вооружившись современными астрономическими инструментами, могли изучить в деталях. И эта звезда дала подтверждение целой серии предсказаний. Одновременно с оптической вспышкой специальные детекторы, установленные на территории Японии и в штате Огайо (США), зарегистрировали поток нейтрино-элементарных частиц, рождающихся при очень высоких температурах процессе коллапса ядра звезды и легко проникающих сквозь ее оболочку. Эти наблюдения подтвердили ранее высказанное предположение о том, что около 10% массы коллапсирующего ядра звезды излучается в виде нейтрино в тот момент, когда само ядро сжимается в нейтронную звезду. У очень массивных звезд при вспышке сверхновой ядра сжимаются до еще больших плотностей и, вероятно, превращаются в черные дыры, но сброс внешних слоев звезды все же происходит. В последние годы появились указания на связь некоторых космических гамма-всплесков со сверхновыми. Возможно, и природа космических гамма-всплесков связана с природой взрывов.
Вспышки сверхновых оказывают сильное и многообразное влияние на окружающую межзвездную среду. Сбрасываемая с огромной скоростью оболочка сверхноной сгребает и сжимает окружающий ее газ, что может дать толчок к образованию из облаков газа новых звезд. Группа астрономов во главе с доктором Джоном Хьюгесом (Rutgers University), используя наблюдении на орбитальной рентгеновской обсерватории «Чандра» (NASA), сделала важное открытие, проливающее свет на то, как при вспышках сверхновой звезды образуются кремний, железо и другие элементы. Рентгеновское изображение остатка сверхновой Cassiopeia А (Cas А) позволяет увидеть сгустки кремния, серы и железа, выброшенные при взрыве из внутренних областей звезды. Высокое качество, четкость и информативность получаемых обсерваторией «Чандра» изображений остатка сверхновой Cas А позволили астрономам не только определить химический состав многих узлов этого остатка, но и узнать, где именно эти узлы образовались. Например, самые компактные и яркие узлы состоят главным образом из кремния и серы с очень малым содержанием железа. Это указывает на то, что они образовались глубоко внутри звезды, где температура достигала трех миллиардов градусов во время коллапса, закончившегося взрывом сверхновой. В других узлах астрономы обнаружили очень большое содержание железа с примесями некоторого количества кремния и серы. Это вещество образовалось еще глубже - в тех частях, где температура во время взрыва достигала более высоких значений - от четырех до пяти миллиардов градусов. Сравнение расположений в остатке сверхновой Cas А богатых кремнием как ярких, так и более слабых узлов, обогащенных железом, позволило обнаружить, что «железные» детали, происходящие из самых глубоких слоев звезды, располагаются на внешних краях остатка. Это означает, что взрыв выбросил «железные» узлы далыше всех остальных. И даже сейчас они, по-видимому, удаляются от центра взрыва с большей скоростью. Изучение полученных «Чандрой» данных позволит остановиться на одном из нескольких предложенных теоретиками механизмов, объясняющих природу вспышки сверхновой, динамику процесса и происхождение новых элементов.
Исследования показали, что сверхновые не представляют собой однородной группы объектов - как спектры, так и кривые блеска (изменение блеска со временем) сверхновых существенно различались, спектральная классификация разделила их на два типа: SN I и SN II.

Результаты 14-часовых наблюдений обсерватории «Чандра» за остатком сверхновой Cas А дали наилучшее распределение тяжелых элементов, выброшенных во время взрыва. Вверху слева - широкополосное рентгеновское изображение Cas A. Остальные изображения созданы лучами от ионов кремния (вверху справа), ионов кальция (внизу слева), ионов железа (внизу справа). Эти элементы являются частью газа с температурой около 50 млн. °С. Цвета представляют интенсивность рентгеновского излучения: от желтого (самого интенсивного), красного и фиолетового до зеленого (наименее интенсивного).

СВЕРХНОВАЯ CAS A

Сверхновые SN I имеют весьма сходные спектры (c отсутствием водородных линий) и формы кривых блеска, в то время как спектры SN II содержат яркие линии водорода и отличаются разнообразием как спектров, так и кривых блеска. В таком виде классификация сверхновых существовала до середины 80-х годов прошлого столетия. А с началом широкого применения ПЗС - приемников количество и качество наблюдательного материала существенно возросли, что позволило получать спектрограммы для недоступных прежде слабых объектов, с гораздо большей точностью определять интенсивность и ширину линий, а также регистрировать в спектрах более слабые линии. В результате казавшаяся установившейся двоичная классификация сверхновых стала быстро изменяться и усложняться. Различаются сверхновые и по типам галактик, в которых они вспыхивают. В спиральных галактиках вспыхивают сверхновые обоих типов, а вот в эллиптических, где почти нет межзвездной среды и процесс звездообразования закончился, наблюдаются только сверхновые типа SN I, очевидно, до взрыва - это очень старые звезды, массы которых близки к солнечной. А так как спектры и кривые блеска сверхновых этого типа очень похожи, то, значит, и в спиральных галактиках взрываются такие же звезды. Закономерный конец эволюционного пути звезд с массами, близкими к солнечной, - превращение в белого карлика с одновременным образованием планетарной туманности. В составе белого карлика почти нет водорода, поскольку он является конечным продуктом эволюции нормальной звезды.
Ежегодно в нашей Галактике образуется несколько планетарных туманностей, следовательно, большая часть звезд такой массы спокойно завершает свой жизненный путь, и только раз в сто лет происходит вспышка сверхновой SN I типа. Какие же причины определяют совершенно особый финал, не схожий с судьбой других таких же звезд? Знаменитый индийский астрофизик С. Чандрасекар показал, что в том случае, если белый карлик имеет массу, меньшую, чем примерно 1,4 массы Солнца, он будет спокойно "доживать" свой век. Но если он находится в достаточно тесной двойной системе, его мощная гравитация способна «стягивать» материю со звезды-компаньона, что приводит к постепенному увеличению массы, и когда она переходит допустимый предел - происходит мощный взрыв, приводящий к гибели звезды.

СВЕРХНОВАЯ G11.2-0.3

На этом изображении, полученном обсерваторией «Чандра», ясно обозначен пульсар в геометрическом центре остатка сверхновой, известной как G11.2-0.3. «Чандра» получила весомое подтверждение того, что пульсар был сформирован сверхновой 386 года, зарегистрированной китайскими астрономами. Определить подлинный возраст астрономических объектов очень трудно, поэтому исторические записи, касающиеся явлений сверхновых, имеют очень большое значение. Если это открытие подтвердится, то данный пульсар станет только вторым пульсаром, точно связанным с историческим событием.

Сверхновые SN II явно связаны с молодыми, массивными звездами, в оболочках которых в большом количестве присутствует водород. Вспышки этого типа сверхновых считают конечной стадией эволюции звезд с начальной массой более 8-10 масс Солнца. Вообще же, эволюция таких звезд протекает достаточно быстро - за несколько миллионов лет они сжигают свой водород, затем - гелий, превращающийся в углерод, а затем и атомы углерода начинают преобразовываться в атомы с более высокими атомными номерами. В природе превращения злементов с большим выделением энергии заканчиваются на железе, ядра которого являются самыми стабильными, и выделения энергии при их слиянии не происходит. Таким образом, когда ядро звезды становится железным, выделение энергии в нем прекращается, сопротивляться гравитационным силам оно уже не может, а потому начинает быстро сжиматься, или коллапсировать. Процессы, происходящие при коллапсе, все еще далеки от полного понимания. Однако известно, что если все вещество ядра превращается в нейтроны, то оно может противостоять силам притяжения - ядро звезды превращается в «нейтронную звезду», и коллапс останавливается. При этом выделяется огромная энергия, поступающая в оболочку звезды и вызывающая расширение, которое мы и видим как вспышку сверхновой. Из этого следовало ожидать генетическую связь между вспышками сверхновых и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Если эволюция звезды до этого происходила «спокойно», то ее оболочка должна иметь радиус, в сотни раз превосходящий радиус Солнца, а также сохранить достаточное количество водорода для объяснения спектра сверхновых SN II.
Пульсары. О том, что после взрыва сверхновой кроме расширяющейся оболочки и различных типов излучений остаются и другие объекты, стало известно в 1968 году благодаря тому, что годом раньше радиоастрономы открыли пульсары - радиоисточники, излучение которых сосредоточено в отдельных импульсах, повторяющихся через строго определенный промежуток времени. Ученые были поражены строгой периодичностью импульсов и краткостью их периодов. Наибольшее же внимание вызнал пульсар, координаты которого были близки к координатам очень интересной для астрономов туманности, расположенной и южном созвездии Парусов, которая считается остатком вспышки сверхновой звезды - его период составлял всего лишь 0,089 секунды. А после открытия пульсара в центре Крабовидной туманности (его период составлял 1/30 секунды) стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны с взрывами сверхновых. В январе 1969 года пульсар из Крабовидной туманности был отождествлен со слабой звездочкой 16-й величины, изменяющей свой блеск с таким же периодом, а в 1977 году удалось отождествить со звездой и пульсар в созвездии Пapycoв.
Периодичность излучения пульсаров связана с их быстрым вращением, но ни одна обычная звезда, даже белый карлик, не могла бы вращаться с периодом, характерным для пульсаров - она была бы немедленно разорвана центробежными силами, и только нейтронная звезда, очень, плотная и компактная, могла бы устоять перед ними. В результате анализа множества вариантов ученые пришли к заключению, что взрывы сверхновых сопровождаются образованием нейтронных звёзд - качественно нового типа объектов, существование которых было предсказано теорией эволюции звезд большой массы.
Черные дыры. Первое доказательство прямой связи между взрывом сверхновой и образованием черной дыры удалось получить испанским астрономам. В результате исследования излучения, испускаемого звездой, вращающейся вокруг черной дыры и двойной системе Nova Scorpii 1994, обнаружилось, что она содержит большое количество кислорода, магния, кремния и серы. Есть предположение, что эти элементы были захвачены ею, когда соседняя звезда, пережив взрыв сверхновой, превратилась в чёрную дыру. Сверхновые (в особенности же сверхновые типа Ia) являются одними из самых ярких звездообразных объектов но Вселенной, поэтому даже самые удаленные из них вполне можно исследовать с помощью имеющегося в настоящее время оборудования. Многие сверхновые типа Ia были открыты в относительно близких галактиках. Достаточно точные оценки расстояний до этих галактик позволили определить светимость вспыхивающих в них сверхновых. Если считать, что далекие сверхновые имеют в среднем такую же светимость, то по наблюдаемой звёздной величине в максимуме блеска можно оценить и расстояние до них. Сопоставление же расстояния до сверхноновой со скоростью удаления (красным смещением) галактики, в которой она вспыхнула, дает возможность определить основную величину, характеризующую расширение Вселенной - так называемую постоянную Хаббла.
Еще 10 лет назад для нее получали значения, различающиеся почти в два раза - от 53 по 100 км/с Мпк, на сегодняшний же момент точность удалось значительно увеличить, в результате чего принимается значение 72 км/с Мпк (с ошибкой около 10%). Для далеких сверхновых, красное смещение которых близко к 1, соотношение между расстоянием и красным смещением позволяет также определить величины, зависящие от плотности вещества во Вселенной. Согласно общей теории относительности Эйнштейна именно плотность вещества oпpeделяет кривизну пространства, а следовательно, и дальнейшую судьбу Вселенной. А именно: будет ли она расширяться бесконечно или этот процесс когда-нибудь остановится и сменится сжатием. Последние исследования сверхновых показали, что скорее всего плотность вещества во Вселенной недостаточна, чтобы остановить расширение, и оно будет продолжаться. А для того чтобы подтвердить этот вывод, необходимы новые наблюдения сверхновых.

Вспышка сверхновой - явление поистине космического масштаба. Фактически, это взрыв колоссальной мощности, в результате которого звезда либо вообще перестает существовать, либо переходит в качественно новую форму - в виде нейтронной звезды или черной дыры. При этом внешние слои звезды оказываются выброшенными в пространство. Разлетаясь с большой скоростью, они порождают красивые светящиеся туманности.

Крабовидная туманность получила известность в 1758 году, когда астрономы ожидали возвращение кометы Галлея. Шарль Мессье, известный «ловец комет» того времени, искал хвостатую гостью среди рогов Тельца, где и было предсказано. Но вместо нее астроном обнаружил вытянутую туманность, смутившую его настолько, что он принял ее за комету. В дальнейшем, дабы избежать путаницы, Мессье решил составить каталог всех туманных объектов на небе. Крабовидная туманность вошла в каталог под номером 1. Этот снимок Крабовидной туманности получен телескопом «Хаббл». На нем видно множество деталей: газовые волокна, узлы, конденсации. Сегодня туманность расширяется со скорость около 1500 км/с, изменение ее размеров заметно на фотографиях, сделанных с интервалом всего в несколько лет. Общие размеры Крабовидной туманности превышают 5 световых лет.

Крабовидная туманность (или М1 по каталогу Ш. Мессье) - один из самых известных космических объектов. Дело здесь не в ее яркости или особой красоте, а в той роли, которую Крабовидная туманность сыграла в истории науки. Туманность представляет собой остаток от вспышки сверхновой звезды, произошедшей в 1054 году. Упоминания о появлении в этом месте очень яркой звезды сохранились в китайских хрониках. М1 находится в созвездии Тельца, рядом со звездой ζ; в темные прозрачные ночи ее можно увидеть с помощью бинокля.


Знаменитый объект Кассиопея А, самый яркий источник радиоизлучения на небе. Это остаток сверхновой, вспыхнувшей около 1667 года в созвездии Кассиопеи. Странно, но никаких упоминаний о яркой звезде в анналах второй половины XVII века мы не находим. Вероятно, в оптическом диапазоне ее излучение было сильно ослаблено межзвездной пылью. В результате последней наблюдавшейся сверхновой в нашей галактике остается по-прежнему сверхновая Кеплера.


Крабовидная туманность в оптике, тепловых и рентгеновских лучах. В центре туманности находится пульсар - сверхплотная нейтронная звезда, излучающая радиоволны и генерирующая рентгеновские лучи в окружающем ее веществе (рентгеновское излучение показано голубым). Наблюдения Крабовидной туманности на разных длинах волн дали астрономам фундаментальную информацию о нейтронных звездах, пульсарах и сверхновых. Это изображение - комбинация трех снимков, полученных космическими телескопами «Чандра», «Хаббл» и «Спитцер»


Остаток от сверхновой Тихо. Сверхновая вспыхнула в 1572 году в созвездии Кассиопеи. Яркую звезду наблюдал датчанин Тихо Браге, лучший астроном-наблюдатель дотелескопический эпохи. Книга, написанная Браге по следам этого события, имела колоссальное мировоззренческое значение, ведь в ту пору считалось, что звезды неизменны. Уже в наше время астрономы долго охотились за этой туманностью при помощи телескопов, и в 1952 году обнаружили ее радиоизлучение. Первый снимок в оптике был получен лишь в 1960-х годах


Остаток сверхновой в созвездии Парусов. Бо́льшая часть сверхновых в нашей Галактике появляется в плоскости Млечного Пути, так как именно здесь рождаются и проводят свою короткую жизнь массивные звезды. На этом снимке разглядеть волокнистые остатки сверхновой не так-то просто из-за обилия звезд и красных водородных туманностей, однако разлетающуюся сферическую оболочку все же можно выявить по ее зеленоватому свечению. Сверхновая в Парусах вспыхнула примерно 11-12 тысяч лет назад. Во время вспышки звезда выбросила в пространство громадную массу вещества, однако полностью не разрушилась: на ее месте остался пульсар, нейтронная звезда, излучающая радиоволны.


Туманность Карандаш (NGC 2736), часть оболочки сверхновой из созвездия Парусов. Фактически, туманность представляет собой ударную волну, распространяющуюся в космосе со скоростью полмиллиона километров в час (на снимке она летит снизу вверх). Несколько тысяч лет назад эта скорость была еще выше, однако давление окружающего межзвездного газа, каким бы ничтожным оно ни было, замедлило разлетающуюся оболочку сверхновой.


NGC 6962 или Восточная Вуаль крупным планом. Другое название этого объекта - Туманность Сеть


Туманность Симеиз 147 (она же Sh 2-240) - огромный остаток от взрыва сверхновой, находящийся на границе созвездий Тельца и Возничего. Туманность была открыта в 1952 году советскими астрономами Г. А. Шайном и В. Е. Газе на Симеизской обсерватории в Крыму. Взрыв произошел около 40000 лет назад, за это время разлетающееся вещество заняло участок неба в 36 раз больше площади полной Луны! Настоящие размеры туманности составляют впечатляющие 160 световых лет, а расстояние до нее оценивается в 3000 св. лет. Отличительная особенность объекта - длинные изогнутые газовые волокна, давшие туманности название Спагетти


Туманность Медуза, еще один хорошо известный остаток сверхновой, который находится в созвездии Близнецов. Расстояние до этой туманности известно плохо и составляет, вероятно, около 5 тысяч световых лет. Дата взрыва также известна весьма примерно: 3 - 30 тысяч лет назад. Яркая звезда справа - интересная переменная эта Близнецов, которую можно наблюдать (и изучать изменения ее блеска) невооруженным глазом


Последняя из вспышек сверхновых, наблюдавшихся невооруженным глазом, произошла в 1987 году в соседней галактике, Большом Магеллановом Облаке. Блеск сверхновой 1987А достиг 3 величины, что немало с учетом колоссального расстояния до нее (порядка 160000 св. лет); прародителем сверхновой была звезда голубой гипергигант. После взрыва на месте звезды осталась расширяющаяся туманность и загадочные кольца в виде цифры 8. Ученые предполагают, что причиной их появления может являться взаимодействие звёздного ветра звезды-предшественника с газом, выброшенным во время взрыва

Еще несколько веков назад астрономы заметили, как блеск некоторых звезд в галактике неожиданно увеличивался более чем в тысячу раз. Редкое явление многократного увеличение свечения космического объекта ученые обозначили, как рождение сверхновой звезды. Это в некотором роде космический нонсенс, потому что в этот момент звезда не рождается, а прекращает свое существование.

Вспышка сверхновой звезды - это, по сути, взрыв звезды, сопровождающийся выделением колоссального количества энергии ~10 50 эрг. Яркость свечения сверхновой, которая становится видна в любой точке Вселенной, возрастает течение нескольких суток. При этом каждую секунду выделяется такое количество энергии, которое может выработать Солнце за все время своего существования.

Взрыв сверхновой звезды как следствие эволюции космических объектов

Ученые-астрономы объясняют это явление эволюционными процессами, миллионы лет происходящими со всеми космическими объектами. Чтобы представить себе процесс появления сверхновой, нужно понять строение звезды (рисунок ниже) .

Звезда - это огромный объект, обладающий колоссальной массой и, следовательно, такой же гравитацией. У звезды есть маленькое ядро, окруженное внешней оболочкой из газов, составляющих основную массу звезды. Гравитационные силы давят на оболочку и ядро, сжимая их с такой силой, что газовая оболочка раскаляется и, расширяясь, начинает давить изнутри, компенсируя силу гравитации. Паритет двух сил обусловливает стабильность звезды.

Под действием огромных температур в ядре начинается термоядерная реакция, превращающая водород в гелий. Выделяется еще больше тепла, излучение которого внутри звезды возрастает, но пока еще сдерживается гравитацией. А дальше начинается настоящая космическая алхимия: запасы водорода истощаются, гелий начинает превращаться в углерод, углерод - в кислород, кислород - в магний…Так посредством термоядерной реакции происходит синтез все более тяжелых элементов.

До момента появления железа все реакции идут с выделением тепла, но как только железо начинает перерождаться в следующие за ним элементы, реакция из экзотермической переходит в эндотермическую, то есть тепло перестает выделяться и начинает расходоваться. Баланс сил гравитации и теплового излучения нарушается, ядро сжимается в тысячи раз, и к центру звезды устремляются все внешние слои оболочки. Врезаясь в ядро со скоростью света, они отскакивают обратно, сталкиваясь друг с другом. Происходит взрыв внешних слоев, и вещество, из которого состоит звезда, разлетается со скоростью в несколько тысяч километров в секунду.

Процесс сопровождается такой яркой вспышкой, что ее можно увидеть даже невооруженным глазом, если сверхновая загорелась в ближайшей галактике. Затем свечение начинает угасать, и на месте взрыва образуется…А что же остается после взрыва сверхновой? Существует несколько вариантов развития событий: во-первых, остатком сверхновой может быть ядро из нейтронов, которое ученые называют нейтронной звездой, во-вторых, черная дыра, в-третьих, газовая туманность.

По расчетам астрономов, в 2022 году с Земли можно будет наблюдать ярчайший взрыв сверхновой звезды в созвездии Лебедя. Вспышка будет способна затмить сияние большинства звезд на небе! Взрыв сверхновой - редкое явление, но человечество будет наблюдать феномен не впервые. Чем же так увлекательно это явление?

УЖАСНЫЕ ЗНАМЕНИЯ ПРОШЛОГО

Так, 5000 лет назад жители Древнего Шумера были в ужасе - боги показали, что они разгневаны, явив знаменье. На небосводе засияло второе солнце, так что даже ночью было светло как днем! Пытаясь отвратить беду, шумеры приносили богатые жертвы и неустанно молились богам - и это возымело действие. Ан, бог неба, отвратил свой гнев - второе солнце стало меркнуть и скоро вообще исчезло с небосвода.

Так ученые реконструируют события, произошедшие более пяти тысяч лет назад, когда над Древним Шумером вспыхнула сверхновая звезда. О тех событиях стало известно из клинописной таблички, содержащей рассказ о «втором божестве-солнце», показавшемся в южной стороне неба. Астрономы нашли следы звездного катаклизма - от напугавшей шумеров сверхновой осталась туманность Паруса X.

По современным научным данным, ужас древних жителей Месопотамии был во многом оправдан - случись взрыв сверхновой несколько ближе к Солнечной системе, и все живое на поверхности нашей планеты было бы выжжено радиацией.

Так уже однажды случилось, когда 440 миллионов лет назад вспышка сверхновой звезды произошла в относительно близких к солнцу районах космоса. За тысячи световых лет от Земли огромная звезда превратилась в сверхновую, и нашу планету обожгло смертоносное излучение. Палеозойские монстры, которых постигло несчастье жить в то время, могли видеть, как ослепительное сияние, внезапно возникшее на небе, затмило солнце - и это было последнее, что они видели в своей жизни. За несколько секунд излучение сверхновой уничтожило озоновый слой планеты, а радиация убила жизнь на поверхность Земли. К счастью, поверхность материков нашей планеты была в ту эпоху почти лишена обитателей, а жизнь скрывалась в океанах. Толща воды защищала от излучения сверхновой, но все равно погибло более 60% морских животных!

Вспышка сверхновой звезды - один из самых грандиозных катаклизмов во Вселенной. Взрывающееся светило выделяет невероятное количество энергии - в течение короткого времени одна звезда излучает света больше, чем миллиарды звезд галактики.

ЭВОЛЮЦИЯ СВЕРХНОВЫХ

Далекие вспышки сверхновых звезд астрономы давно наблюдали в мощные телескопы. Первоначально это явление воспринималось как непонятный курьез, но в конце первой четверти XX столетия астрономы научились определять межгалактические расстояния. Тогда стало ясно, из какой невообразимой дали приходит на Землю свет сверхновых и какую невероятную силу имеют эти вспышки. Но какова природа этого феномена?

Звезды формируются из космических скоплений водорода. Такие облака газа занимают огромные пространства и могут иметь колоссальную массу, равную сотням солнечных масс. Когда такое облако оказывается достаточно плотным, начинают действовать гравитационные силы, вызывающие сжатие газа, которое вызывает сильный нагрев. По достижении определенного предела в нагретом и сжатом центре облака начинаются термоядерные реакции - так «зажигаются» звезды.

Вспыхнувшее светило имеет долгую жизнь: водород в недрах звезды превращается в гелий (а затем и в иные элементы таблицы Менделеева вплоть до железа) миллионы и даже миллиарды лет. При этом чем больше звезда, тем короче ее жизнь. Красные карлики (так называется класс малых звезд) имеют продолжительность жизни в триллион лет, в то время как звезды-гиганты могут «выгореть» за тысячные доли этого срока.

Звезда «живет», пока сохраняется «баланс сил» между силами гравитации, сжимающими ее, и термоядерными реакциями, которые излучают энергию и стремятся «растолкать» вещество. Если звезда достаточно велика (имеет массу более массы Солнца), наступает момент, когда термоядерные реакции в звезде слабеют («горючее» к тому времени оказывается выгоревшим) и силы гравитации оказываются сильнее. В этот момент сила, сжимающая ядро звезды становится столь сильной, что давление излучения больше не в состоянии удерживать вещество от сжатия. Происходит катастрофически быстрый коллапс - за несколько секунд объем ядра звезды падает в 100000 раз!

Стремительное сжатие звезды приводит к тому, что кинетическая энергия вещества переходит в тепло и температура поднимается до сотен миллиардов Кельвинов! Светимость гибнущей звезды при этом возрастает в несколько миллиардов раз - и «взрыв сверхновой» выжигает все в соседних областях космоса. В ядре гибнущей звезды электроны «вдавливаются» в протоны, так что внутри ядра остаются практически одни нейтроны.

ЖИЗНЬ ПОСЛЕ ВЗРЫВА

Поверхностные же слои звезды взрываются, причем в условиях гигантских температур и чудовищного давления идут реакции с образованием тяжелых элементов (вплоть до урана). И тем самым сверхновые выполняют свою великую (с точки зрения человечества) миссию - делают возможным появление во Вселенной жизни. «Почти все элементы, из которых состоим мы сами и наш мир, возникли благодаря взрывам сверхновых», - утверждают ученые. Все, что нас окружает: кальций у нас в костях, железо в эритроцитах, кремний в чипах наших компьютеров и медь в проводах, - все это вышло из адских топок взрывающихся сверхновых. Большинство химических элементов появились во Вселенной исключительно во время взрывов сверхновых звезд. А атомы тех немногих элементов (от гелия до железа), которые звезды синтезируют, находясь в «спокойном» состоянии, могут стать основой для появления планет лишь после того, как они при взрыве сверхновой были выброшены в межзвездное пространство. Поэтому и сам человек, и все вокруг него состоит из остатков взрывов древних сверхновых.

Оставшееся после взрыва ядро становится нейтронной звездой. Это удивительный космический объект малого объема, но чудовищной плотности. Диаметр обычной нейтронной звезды составляет 10-20 км, но при этом плотность вещества невероятна - 665 миллионов тонн на один кубический сантиметр! При такой плотности кусочек нейтрониума (вещества, из которого состоит такая звезда) размером со спичечную головку будет весить во много раз больше, чем пирамида Хеопса, а чайная ложка из нейтрониума будет иметь массу более миллиарда тонн. Нейтрониум также обладает невероятной прочностью: кусок нейтрониума (если бы таковой оказался в руках человечества) невозможно разбить на части никаким физическим воздействием - любой человеческий инструмент окажется абсолютно бесполезен. Попытка отрезать или оторвать кусок нейтрониума будет столь же безнадежна, как отпилить кусок металла воздухом.

БЕТЕЛЬГЕЙЗЕ — САМАЯ ОПАСНАЯ ЗВЕЗДА

Впрочем, не все сверхновые превращаются в нейтронные звезды. Когда масса звезды превосходит определенный предел (так называемый второй предел Чандрасекара), в процессе взрыва сверхновой остается слишком большая масса вещества и гравитационное давление не в состоянии сдерживать ни что. Процесс становится необратим - все вещество стягивается в одну точку, и образуется черная дыра - провал, безвозвратно поглощающий все, даже солнечный свет.

Может ли угрожать Земле вспышка сверхновой? Увы, ученые отвечают утвердительно. Звезда Бетельгейзе - близкий, по космическим меркам, сосед Солнечной системы, может взорваться в самом скором времени. По словам научного сотрудника Государственного астрономического института Сергея Попова, «Бетельгейзе действительно является одним из лучших кандидатов, и, безусловно, самым известным, в близкие (по времени) сверхновые. Эта массивная звезда находится на финальных стадиях своей эволюции и, вероятнее всего, вспыхнет как сверхновая, оставив после себя нейтронную звезду». Бетельгейзе - светило в двадцать раз тяжелее нашего Солнца и в сто тысяч раз ярче, расположенное примерно в полутысяче световых лет. Поскольку эта звезда достигла финальной стадии своей эволюции, то в ближайшее (по космическим меркам) время она имеет все шансы стать сверхновой. По расчетам ученых, этот катаклизм не должен быть опасен для Земли, но с одной оговоркой.

Дело в том, что излучение сверхновой при взрыве направлено неравномерно - направление излучения определяют магнитные полюса звезды. И если окажется, что один из полюсов Бетельгейзе направлен точно на Землю, то после взрыва сверхновой в нашу Землю вылетит смертоносный поток рентгеновского излучения, способный по меньшей мере уничтожить озоновый слой. К сожалению, на сегодня нет никаких известных астрономам признаков, которые позволили бы предсказать катаклизм и создать «систему раннего оповещения» о взрыве сверхновой. Впрочем, хоть Бетельгейзе и доживает свой срок, звездное время несоизмеримо с человеческим, и, скорее всего, до катастрофы тысячи, если не десятки тысяч лет. Можно надеяться, что за такой срок человечество создаст надежную защиту от вспышек сверхновой.

Voted Thanks!

Возможно Вам будет интересно:

• 
  
• 
  

Астрофизикам из Европы и Северной Америки впервые удалось проследить за эволюцией бывшего красного сверхгиганта спустя всего три часа после его взрыва как сверхновой звезды II типа. Вспышка в соседней с Млечным Путем галактике NGC 7610, зафиксированная на Земле более трех лет назад, привлекла внимание множества ученых. рассказывает об исследовании, посвященном этому событию, которое опубликовано в журнале Nature Physics.

Сегодня ученые относительно неплохо понимают процессы, предшествующие разрушению тяжелых звезд (исчерпание термоядерного топлива или гравитационный коллапс), и их дальнейшую судьбу. Светила, которые в несколько раз тяжелее Солнца и в десятки тысяч раз его ярче, превращаются в красных сверхгигантов, по мере такой эволюции теряющих около десяти процентов своей массы. Взрыв делает такие объекты чрезвычайно яркими, так что их можно наблюдать даже в самых далеких галактиках.

Между тем наблюдение в режиме реального времени взрывов сверхновых из-за своей статистической редкости до сих пор оставалось недоступным астрономам. Например, имеющиеся оценки указывают, что сверхновая в Млечном Пути взрывается в среднем реже одного раза в год. В новом исследовании ученым удалось проследить за объектом в галактике NGC 7610, спектральные характеристики которого, полученные в последние годы, указывали на его чрезвычайную нестабильность (быструю потерю массы) и, как следствие, высокую вероятность его взрыва как сверхновой.

Спиральная галактика с перемычкой NGC 7610 расположена в созвездии Пегаса на расстоянии 50,95 мегапарсека от Земли. Взорвавшийся в ней объект iPTF 13dqy (иначе - SN 2013fs) является обычной сверхновой II типа (в ее спектре присутствуют линии водорода). Впервые ее наблюдали в режиме реального времени 6 октября 2013 года при помощи автоматизированной системы iPTF (Intermediate Palomar Transient Factory), повторно - через 50 минут. Третий раз SN 2013fs наблюдали через сутки при помощи научного инструмента WiFeS (WideField Spectrograph) телескопа Австралийского национального университета.

Изображение: Nature Physics

После этого внимание к объекту iPTF 13dqy ученых резко возросло. За SN 2013fs стали наблюдать практически во всем электромагнитном диапазоне длин волн - рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном. Специалисты получили следующие данные, прекрасно укладывающиеся в имеющиеся представления об эволюции красного сверхгиганта - уничтоженной в ходе взрыва сверхновой звезды.

Разрушение ядра красного сверхгиганта инициирует формирование сверхзвуковой ударной волны. Когда она достигает поверхности звезды, объект начинает ярко светиться в видимой части излучения - происходит то, что привыкли называть вспышкой сверхновой. Одновременно с этим перерождение светила сопровождается интенсивным ультрафиолетовым излучением. Продолжительность и сила вспышки зависят от структуры оболочки звезды-прародителя и скорости потери ею массы.

Ультрафиолетовая радиация провоцирует фотоионизацию атомов в окружающем сверхновую газовом облаке. Когда газ становится достаточно плотным, происходит быстрая рекомбинация (процесс, обратный ионизации - захват ионами электронов), и возникшие атомы порождают характерные эмиссионные линии. Временные рамки этого процесса позволили ученым определить границы, до которых распространилась материя после взрыва сверхновой iPTF 13dqy, - примерно 20 световых часов.

Между тем процессы, которые происходили в атмосфере красного сверхгиганта до его взрыва, ученым достаточно точно описать не удается. Определяющим при этом является темп потери звездой материи, фактически, скорость ее отрыва от светила. Если последняя составляет 50 километров в секунду, интенсивно терять свою массу звезда начала примерно десять лет назад. Если эта величина в десять раз меньше - около пяти километров в секунду, то раздувание светила продолжалось сотни лет. Кроме того, по примеру красного сверхгиганта Бетельгейзе, готовящегося, вероятно, к взрыву в качестве сверхновой, газовая оболочка перерождающегося светила вообще может находиться в стационарном режиме.

Цель, к которой теперь стремятся ученые, - наблюдать звезду в момент ее перерождения, а не только спустя несколько часов после ее вспышки как сверхновой. Приблизиться к этому помогает проведенное наблюдение - по крайней мере, оно позволяет отобрать самые популярные сценарии взрыва звезды. Может показаться, что на самом деле ученые не в первый раз наблюдают взрыв сверхновой. С какой-то точки зрения это так, но не совсем.

Впервые вспышку сверхновой спустя несколько часов наблюдали в 2008 году. Тогда в галактике NGC 2770 зарегистрировали интенсивную вспышку ультрафиолетового излучения, длящуюся несколько часов. Скорее всего, она была связана, как и у iPTF 13dqy, с формированием ударной волны звездой-прародителем. Впоследствии событие SNLS-04D2dc наблюдали в оптическом диапазоне. Между тем систематический спектральный анализ данного события проведен не был. Причины этого заключаются в самой природе открытия: оно было случайным, и ученые к нему не подготовились.

События iPTF 13dqy и SNLS-04D2dc - то есть взрывы сверхновых II типа - произошли с одиночными светилами. Другой сценарий - взрыв белого карлика. Он происходит как вспышка сверхновой I типа, а причина его - наличие второго спутника-светила. Материя с последнего попадает на белый карлик, что приводит к превышению его массой предела Чандрасекара, то есть гравитационному коллапсу. Такое событие произошло в 2009 году, когда удалось напрямую наблюдать взрыв сверхновой и подтвердить теорию, описывающую массообмен между компаньонами в двойной системе V1213 Cen.

Сброс оболочки белым карликом начался спустя шесть суток после последнего падения его светимости. Ученые полагают, что через сотни лет взрыв, сопровождающийся кратковременным увеличением на три порядка яркости светила, повторится. Свойства двойной системы в этом случае зависят от скорости массообмена - как быстро материя с небольшого компаньона попадает на белый карлик. Имеющиеся данные указывают на низкую скорость массообмена между звездами в двойной системе V1213 Cen. За объектами следили достаточно долго - с 2003 года, в рамках проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), фиксировали периодические изменения светимости звезды V1213 Cen, которые завершились взрывом сверхновой лишь спустя шесть лет.

«Почему и каким образом массивные звезды взрываются как сверхновые - один из открытых вопросов астрофизики, - отмечают авторы в публикации. - Массивные звезды превращают легкие элементы в более тяжелые. В последние годы своего существования (короткий промежуток времени, длящийся для некоторых светил от одного до десяти миллионов лет) эти звезды сжигают тяжелое топливо, продукты слияния водорода и гелия до тех пор, пока не разрастается и не разрушается железное ядро». Несмотря на то что астрономам ясны основные механизмы, приводящие к взрывам сверхновой, детальные элементы картины все еще неясны.