Загадки сверхновых. Как происходят самые смертоносные взрывы в космосе

МОСКВА, 12 сен — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Каждую секунду во Вселенной вспыхивает примерно восемь десятков сверхновых звезд. Сегодня астрономы открывают их тысячами, только в нашей Галактике зарегистрировали около трехсот. Однако наблюдать сам момент взрыва светила — большая удача, особенно с близкого расстояния.

Попали в историю

Большинство звезд медленно сгорают без остатка или постепенно сбрасывают оболочку из газа в окружающее пространство, превращаясь в компактный объект размером с планету — например, в белый карлик. Очень редко (в астрономических, конечно, масштабах) жизнь звезд заканчивается катастрофой.

При взрыве выделяется чудовищное количество энергии в виде нейтрино и электромагнитного излучения. Если это случилось достаточно близко, с Земли событие можно видеть невооруженным глазом — на небе внезапно возникает яркая огромная звезда, которая постепенно, в течение нескольких дней, тускнеет. В наши дни эти звезды называют сверхновыми.

В исторических хрониках сохранились сведения о семи сверхновых. Одну из самых ранних наблюдали китайские, японские и арабские астрономы в 1054 году. От нее остался один из самых изученных космических объектов — Крабовидная туманность, в центре которой находится бешено вращающийся пульсар: в секунду он делает 33 оборота и излучает в различных диапазонах длин волн.

В 1604 году вспышку сверхновой в созвездии Змееносца видели многие средневековые астрономы, включая Иоганна Кеплера. Следующего события такой мощи человечеству пришлось ждать почти четыреста лет.

Рождение сверхновой

Молодой канадский астроном Ян Шелтон, работая в обсерватории в Чили, случайно открыл в феврале 1987 года взрыв сверхновой в Большом Магеллановом облаке, карликовой галактике — спутнике Млечного Пути в 50 килопарсеках от нас. Вспышка была видна невооруженным глазом и зафиксирована на фотоизображениях.

Ее обозначают как SN 1987A, где первые буквы символизируют сверхновую, буква A указывает, что она первая, обнаруженная в 1987 году.

Оказалось, что за несколько часов до взрыва звезды 23 февраля четыре нейтринных детектора в мире, в том числе Баксанский на Кавказе, зафиксировали аномальные потоки космических нейтрино. На черенковском детекторе "Камиоканде II" в Японии смогли даже вычислить направление на источник вспышки.

Нейтрино — это особый тип фундаментальных частиц, очень слабо взаимодействующий с веществом, поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Они рождаются в недрах звезд в результате ядерных реакций и летят со скоростью света, пронизывая все на своем пути. Чтобы их уловить, нужны весьма чувствительные, хитро устроенные установки.

Если звезда большая — например, тяжелее Солнца в восемь раз, то постепенно ее центральная часть уплотняется и запускается термоядерная реакция. Со временем в недрах в очень компактном объеме синтезируются гелий, дейтерий, углерод, кислород и далее вплоть до железа. Температура в центре растет, тяжелое ядро звезды все больше сжимается. Оно превращается в плавильный реактор, где атомы распадаются на элементарные частицы и собираются в нейтроны. На этом этапе происходит резкий выброс энергии в виде нейтрино. Именно его способны увидеть на Земле и выдать предупреждение телескопам: "вот координаты, наводитесь, через несколько часов или дней там произойдет рождением сверхновой".

Далее следует быстрый коллапс умирающей звезды: ее внешние оболочки под действием гравитации схлопываются внутрь. Яркость объекта увеличивается в тысячи раз, и если он достаточно близко, то его можно видеть с Земли без телескопа. Взрывная волна уносит энергию и остатки вещества, а в центре остается крошечная нейтронная звезда — пульсар. Или черная дыра. По другим сценариям, возможно образование кварковой звезды.

SN 1987A — результат гибели голубого гиганта Сандулик. За три десятка лет с момента взрыва от него остались только загадочные кольца и источник радио- и рентгеновского излучения. В центре пока ничего не нашли. Возможно, там слишком плотные облака газа или черная дыра себя не проявляет, а может быть, ничего действительно нет.

Эта сверхновая — одна из самых изученных в истории астрономии. Ее рождение наблюдали не только визуально и по нейтрино, но и в различных диапазонах электромагнитного излучения. Сейчас на месте взрыва — шарообразная структура с двумя кольцами. Предполагается, что они остались от звезды-предшественницы, а ударная волна подсветила их. Согласно одной из моделей, внутреннее кольцо погаснет к 2025 году.

SN 1987A все еще сильно светится в радиодиапазоне, что связывают с синхротронным излучением, порождаемым бегущей ударной волной.

© ESA/Hubble, NASA

Так выглядят остатки сверхновой SN 1987A через 30 лет после вспышки. Радиоизлучение от них усиливается. Загадочные кольца подсвечены энергией ударной волны

Жизнь и смерть белых карликов

Открытие SN 1987A стало значимой вехой в астрономии. Теперь наши инструменты заглядывают в другие галактики и самые далекие уголки космоса. Сейчас открыто около 63 тысяч объектов, в основном это остатки прошлых взрывов. Но случаются и удачи наблюдать момент рождения.

Астроном-любитель из Аргентины Виктор Бусо в сентябре 2016 года испытывал новую камеру для наблюдений. Он направил ее на далекую галактику NGC 613 и случайно снял вспышку звезды. Ей дали название SN 2016gkg. Это исключительный случай, когда удалось зафиксировать участок неба до взрыва и сразу после. После этого новорожденную сверхновую стали наблюдать профессиональные астрономы в большие телескопы.

В рутинном порядке десятками остатки сверхновых открывают астрономы Специальной астрофизической обсерватории на Кавказе и участники российской сети роботов-телескопов МАСТЕР, созданной в МГУ профессором Владимиром Липуновым.

© NASA / ESA, NRAO/AUI/NSF and G. Dubner (University of Buenos Aires)

Крабовидная туманность — это остаток сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году. Ее рождение наблюдали астрономы древнего мира.

В середине прошлого века ученые разделили сверхновые на I и II типы. Ко второму как раз относится SN 1987A, родившаяся при гравитационном коллапсе массивной звезды. В ее спектре есть водород. К первому типу, точнее к категории Ia, относят остатки взрыва небольших звезд. В их спектрах водорода нет, что говорит о другом характере катастрофы.

Согласно одной из гипотез, сверхновые первого типа образуются из белых карликов. Их полно в космосе, но не все взрываются. Индийский ученый Чандрасекар вычислил, что белый карлик может стабильно существовать, если его масса не более 1,4 массы Солнца. В противном случае он погибнет в термоядерном взрыве.

Но с чего вдруг белый карлик начнет набирать массу? Оказывается, многие из них вращаются в тесной паре с двойником. Постепенно один забирает из другого вещество и увеличивается в размерах. Когда он преодолевает предел Чандрасекара, происходит термоядерный взрыв. От звезды остается только разлетающаяся во все стороны оболочка. Эта гипотеза уже в наши дни подтвердилась экспериментальными наблюдениями.

К этому типу относят, например, SN 1572 — сверхновую, вспыхнувшую в 1572 году в созвездии Кассиопеи. Ее рождение и угасание наблюдал астроном Тихо Браге. В середине XX века на месте этого объекта обнаружили источник радиоизлучения, а затем увидели и сам остаток сверхновой в оптическом диапазоне.

Сверхновые типа Ia служат для точного измерения космологических расстояний, в 1990-х они помогли доказать, что Вселенная расширяется с ускорением и что пространство наполнено темной энергией — загадочной субстанцией, расталкивающей галактики.

© Иллюстрация РИА Новости . Фото: NASA, ESO

Тип сверхновой зависит от звезды-предшественницы.

Когда взорвется Бетельгейзе

Астрономы мечтают увидеть воочию взрыв сверхновой, но на безопасном расстоянии. Иначе это событие может привести к катастрофическим последствиям на Земле. Геологи обнаруживают в древних породах и слоях ледников возможные следы взрывов сверхновых в доисторические эпохи, некоторые приписывают им массовые вымирания и гибель цивилизаций. Пока же ближайший кандидат на взрыв в Млечном Пути — ярчайший объект в созвездии Ориона, Бетельгейзе. Это очень старый красный гигант, жизненный путь которого может окончиться в любой момент.

А возможно, следующую вспышку придется подождать, поскольку в Млечном Пути они происходят не чаще раза-двух в сто лет.

Сверхновые оказывают огромное влияние на Вселенную. Они порождают космические лучи, влияют на межзвездный газ и образование молодых звезд, обогащают среду химическими элементами, в том числе тяжелыми. А это ключевое условие для возникновения жизни земного типа на планетах. Вот почему на изучение сверхновых направлено много усилий. Теперь, если где-то близко — может быть, в нашей Галактике — начнется коллапс звезды, об этом заранее узнают на Земле и направят туда телескопы. Ученые рассчитывают наблюдать и гравитационные волны от рождения сверхновой.